Laboration 2. Temperatur och varvtalsmätning Litteratur Modern industriell mätteknik: Givare Grahm, Jubrink & Lauber, ISBN 91-88156-05-2, KF-Sigma 1996. 1. Läs igenom avsnitten i boken som behandlar mätning av temperatur, avsnitt 1.2 och kapitel 12. 2. Läs igenom avsnitten i boken som behandlar mätning av varvtal, avsnitt 1.2 och kapitel 5 (5.2.3, 5.3). 3. Läs igenom denna laborationshandledning. För att klara labben skall du ska känna till och kortfattat kunna beskriva Temperaturmätning: Temperaturbegreppet (vad är temperatur?), termisk tröghet, värmeledning Temperaturskalor (fixpunkter, standarder) Termoelement (olika typer T, E, J, K, S, R) Motståndstermometrar (olika typer, t ex Pt-100) Termistorer (NTC / PTC) - sambandet mellan Resistans / Temperatur Integrerade halvledartermometrar Strålningspyrometrar Svartkroppsstrålning, emissionsfaktor osv. Fiberoptiska termometrar Varvtalsmätning: Mekaniska givare (olika typer: analoga och digitala) Likströms- och växelströmstachometrar Virvelströmsmätaren Generellt om pulsgivare (induktiva / magnetiska / kapacitiva) Optiska pulsgivare Hallelementgivare Stroboskopisk varvtalsmätning Laborationen består av olika mätuppgifter. I slutet av laborationen kommer varje grupp att muntligen få redovisa sina resultat för övriga närvarande (ca 5-10 min). Varje redovisning kommer att följas av en kort diskussion av resultaten.
2 Teori - Temperaturmätning Inledning Den fysikaliska parameter som kanske mest påverkar oss människor och vår miljö, är temperaturen. Följaktligen mäts den också mest av alla fysikaliska parametrar och mätapplikationerna kan vara väldigt skiftande. De första temperaturmätningarna baserades på expansion av luft och kallades termoskop. Galileo Galilei konstruerade redan i början av 1600- talet ett sådant och principen säljer fortfarande i form av så kallade Galileotermometrar (vattenfyllda rör innehållande glasbubblor fyllda med olikfärgade vätskor). Idag finns det en uppsjö av olika temperaturgivare. Dessa kan delas in i två grupper: elektriska och icke elektriska temperaturgivare/sensorer. I denna laboration förekommer enbart temperaturgivare som skall vara i fysisk kontakt med mätobjektet. Dessa temperaturgivare mäter egentligen sin egen temperatur. Detta görs genom att man antar eller vet att givaren är i termisk jämvikt med sin omgivning d.v.s. att det inte förekommer något värmeflöde mellan givaren och omgivningen. Det finns ett stort antal olika felkällor att ta hänsyn till så det är klokt att vara försiktig när man använder temperaturgivare i sitt mätsystem. I det följande skall lite teori om de olika givarna presenteras. Givare som omvandlar temperatur till elektriska storheter Termoelement Termoelement baseras på Seebeck-effekten. En temperaturskillnad (T1-T2) ger en termo-emk E (elektromotorisk kraft, eller spänning) enligt: där S är Seebeck-koefficienten (V/K). Exempel: E = T2 T1 SdT Figur 1. I figur 1 är potentialen på olika punkter i systemet utmärkt. Sett som system ger hela termoelementet ovan: S=10-(-30)=40 µv/k
3 Detta i sin tur ger utsignalen: 40µV/K*(400-0)K =16 mv Termoelement typ K, Cromel-Alumel Detta är det noggrannaste och mest linjära av de oädla elementen och dess karakteristiska data visas i Tabell. Termoelement typ K är användbart inom ett stort temperaturområde och är reletivt beständigt mot oxiderande gaser. Över 400 0 C är det emellertid känsligt för reducerande och svavelhaltiga gaser. Tabell 1, Data för termoelement typ K. (Lindahl/Sandqvist, Mätgivare, Studentlitteratur, 1996) Resistiva givare Resistansen i en metall varierar med temperaturen. I de flesta fall ökar resistansen när temperaturen ökar. Metallen har då en positiv temperaturkoefficient. Man kan utnyttja detta fenomen för att beräkna temperaturen genom att helt enkelt mäta resistansen hos metallen vid aktuella förhållanden. Dessa temperaturgivare kallas för resistiva temperaturdetektorer, RTD (eng. Resistance Temperature Detectors), eller helt enkelt för motståndstermometrar. Ofta används nickel eller platina i motståndstermometrarna. Sambandet mellan resistans och temperatur hos sådana termometrar är egentligen inte helt linjärt. Det kan emellertid med god approximation beskrivas med följande formel: R = R 0 (1 + Aυ + Bυ 2 ) där; R0: Resistansen vid 0 o C. : Den temperatur, i o C, vid vilken resistansen är R. A och B: Materialkonstanter. Det kvadratiska polynomet ovan utnyttjas när man vill ha mycket hög noggrannhet. Ofta fås dock tillräcklig noggrannhet genom den enklare linjär approximationen: R = R 0 (1 + αυ) där kallas den linjära temperaturkoefficienten.
4 Några data för resistiva temperaturgivare (Enl. DIN 43760): Tabell 2. Nickel, Ni100 Platina, Pt100 Temperatur, 0 C Resistans, Resistans, -220 10.40-200 18.53-100 60.20-60 69.5 0 100.0 100.00 100 161.7 138.50 180 223.1 200 175.86 300 212.08 400 247.07 500 280.94 Halvledargivare - termistorer Även dessa är en typ av motståndstermometrar men de kallas oftast för termistorer. Till skillnad från metallresistansgivare finns halvledargivare med både positiv och negativ temperaturkoefficient (PTC resp. NTC). Några fakta om termistorer sammanfattas nedan: De har normalt mycket högre temperaturkoefficient (ca 5%) än metallgivarna. De kan tillverkas med högre grundresistanser, vilket kan vara till fördel om man vill undvika att använda bryggkoppling. De är billiga om man nöjer sig med låg precision i resistansvärdena. De har oftast ett olinjärt temperaturberoende men går också att få någorlunda linjära i begränsade temperaturintervall (gäller speciellt PTC-typen). Det finns PTC-motstånd med switchad karakteristik, som kan arbeta som termostater. Brustermometer Genom att studera formeln för den termiska brusspänningen, U b = 4kTR s f inses att bruset i en resistans kan användas för att mäta temperatur. Om man kvadrerar brusspänningen blir ju resultatet proportionellt mot temperaturen.
5 Bandgapsgivare Är en typ av halvledargivare som bygger på temperaturberoende i halvledarkomponenter. Framspänningsfallet i en pn-övergång minskar med ca 2 mv/k. Det är alltså möjligt att använda en vanlig kiseldiod, Figur 1, som temperaturgivare. Figur 1, Bandgapsgivare, en vanlig kiseldiod. Linjaritet hos de olika givarna Genom att plotta utsignalen mot temperatur kan man se hur linjär en givare är, Figur 2. Lutningen kan även ge en uppfattning om huruvida givaren är av PTC- eller NTC-typ. Figur 2, Graf som visar hur linjära de olika sensorerna är, RTD=resistiv givare
6 Icke elektriska temperaturgivare Pyrometrar Pyrometrar mäter strålningen som beroende av temperaturen utsänds ifrån ett objekt. Den stora fördelen med detta är att de mäter beröringsfritt. Pyrometrar finns för användning kring rumstemperatur (t ex: värmekameror) men deras största användningsområde är vid temperaturer mellan 800 och 2000 0 C. Följande typer förekommer: Glödtrådspyrometrar Totalstrålningspyrometrar Delstrålningspyrometrar Tvåfärgspyrometrar Laserpyrometrar Värmebildskameror Kvartstermometer Frekvensen i en kristallstyrd oscillator beror linjärt av temperaturen, om kristallen skärs på ett visst sätt. Detta beroende utnyttjas i s.k. kvartstermometrar där oscillationsfrekvensen hos en kristall används för temperaturbestämning i området från 100 0 C till 300 0 C. Fiberoptiska givare Mäter temperatur med hjälp av ljus i optiska fibrer. Följande metoder förkommer: 1. Fiberpyrometer. Leder värmestrålningen genom en fiber så att själva mätningen kan ske på annan plats. 2. Flourecensgivare. Fibern ger flourecens med olika frekvens (färg) beroende på temperaturen. 3. Temperaturberoende absorbtionskant. Den frekvens där fibern börjar absorbera ljuset som passerar genom den är temperaturberoende. 4. Interferometrisk metod. Man låter ljus passera genom en kvartskristall i två riktningar. Principen för metod fyra ovan bygger på att kristallen expanderar olika mycket i olika riktningar när den värms. Härigenom kommer ljuset att få olika gångväg för de två riktningarna genom kristallen. När de två strålarna sammanförs efter passagen kan man med hjälp av interferensmönstret bestämma temperaturen.
7 Akustisk termometer Ljudhastigheten v beror av temperaturen enligt: 1 v T Denna relation går att utnyttja i intervallet 200 0 C till +2700 0 C. Ofta utnyttjar man interferens mellan en ljudvåg som passerat ett referensmedium med känd temperatur och en annan våg som passerat genom det område där man vill veta temperaturen. Kärnspinresonans Absorbtionsfrekvensen för mikrovågor hos C1 35 -atomer beror av temperaturen. Genom att mäta frekvensen kan man beräkna temperaturen med en absolut noggrannhet av 2.5 mk utan kalibrering. Denna metod kan därför användas för att bygga upp en temperaturnormal.
8 Teori - Varvtalsmätning Inledning Mätning av varvtal är liksom så många andra mätuppgifter intimt relaterat till direkt eller indirekt mätning av andra storheter. Att varvtalsmätning i princip kan likställas med mätning av frekvens är väl ganska uppenbart och därmed står också kopplingen till periodtid klar. Även bestämning av hastighet kan lätt relateras till varvtalsmätning genom enkla geometriska och matematiska samband. Själva bestämningen av alla ovan nämnda storheter tillgår emellertid ofta genom indirekt mätning, där den önskade storheten (i detta fall varvtalet) genom en givare transformeras till en tekniskt lämplig och lättbestämd form, t ex spänning, ström eller ljusintensitet. Genom matematisk manipulation kan ytterligare varianter tänkas, t ex kan derivering av en lägesmätning eller integrering av en accelerationsmätning användas för hastighets-/varvtalsbestämning. Vid derivering kan dock högfrekventa störningar såsom brus bli ett problem och integrerande mätningar kan inte göras sant momentana. Som i alla mätsituationer gäller det vidare att man vill minimera inverkan på mätobjektet vid själva mätningen, eller åtminstone känna till den störning som mätningen medför. I det följande skall några vanliga metoder för varvtalsmätning belysas och förklaras mer ingående. Tachometrar Tachometer är fackmannens benämningen på en anordning som direkt visar varvtal. Vanligen är begreppets användande också begränsat till sådana metoder som visar kontinuerliga och momentana värden och exkluderar därmed visare av medelvärde över en längre tidsperiod. Innan elektroniken blev den självklara ingrediens den idag utgör för mätteknikern, var det naturligt att utnyttja mekaniska anordningar i långt större grad än vad som idag är fallet. För varvtalsmätning kunde man t ex anbringa en mätaxel mot mätobjektet och låta denna förmedla rotationen till mätkroppar som genom centrifugalkraften påverkade visare och därigenom direkt angav ett mätetal. Då, med denna metod, såväl centrifugalkraften som därmed utslaget beror av kvadraten på hastigheten blev dock mätområdet ganska begränsat. En annan använd metod utnyttjar en serie metalltungor med väl avstämda frekvenser som bringas i kontakt med någon del av mätobjektet. Varvtalet kan härigenom bestämmas genom att observera vilken tunga som sättes i resonans, och till följd därav ger ett stort utslag. En vanlig likströmsmotor kan som bekant även användas som generator, se Figur 3. Använd som sådan lämnar den en utspänning som är direkt proportionell mot varvtalet, och med en polaritet som beror av rotationsriktningen. För att använda en likspänningsgenerator som varvtalsmätare behöver man alltså endast bestämma den aktuella proportionalitetskonstanten. Givarens stora fördelar ligger framför allt i dess enkelhet och låga pris, men även dess precision är god. En liten likströmsmotor (generator) kan köpas för några tiotal kronor och uppåt. Till nackdelarna hör att generatorn belastar mätobjektet och kan ge upphov till EMC-störningar genom transienta urladdningar mellan kommutator och borstar. Mot ett högre pris kan man köpa borstlösa motorer, som ger betydligt mindre RF-störningar.
9 Figur 3, Principskiss över en likspänningsmotor/generator. Även den konventionella växelspänningsgeneratorn kan användas som varvtalsmätare och ger, efter bestämning av en konstant givarfaktor, varvtalet direkt proportionellt mot såväl utsignalens amplitud som dess frekvens. Rotationsriktningen detekteras emellertid inte med denna givare. Också växelspänningsgeneratorn har fördelar i enkelhet och i lågt pris för god precision. Genom en modifiering av den konventionella växelspänningsgeneratorn kan man utnyttja att den elektriska kopplingen mellan två olika statorlindningarna är beroende av varvtalet. I denna modifierade variant matas en statorlindning med en konstant växelspänning och utsignalen tas ifrån en annan lindning. Denna senare givares största fördel ligger i att dess rotor saknar lindningar och kommutatorer, vilket medför betydligt mindre belastning av mätobjektet och mindre EMC-problem. Den har emellertid något sämre noggrannhet än de konventionella givarna. Om statorn förses med tre lindningar och en av dem matas med en bärfrekvens så kommer de båda andra att ge utsignaler med olika modulation, Figur 4. Genom fasdetektion kan rotorns position därefter bestämmas i en sådan s k resolver, vars funktion kan liknas vid en transformator som ändras beroende på rotorns läge. Figur 4, In- och utsignaler till/från en vinkelresolver.
10 Ytterligare ett klassiskt exempel på tachometer utgör virvelströmsmätaren. I denna används en permanentmagnet som roterar med mätobjektet och ger upphov till virvelströmmar i en mätkropp (vanligen av aluminium). Denna mätkropp vill på grund av de inducerade virvelströmmarna följa med i mätobjektets rotation till en grad som beror av varvtalet. Varvtalet kan härigenom bestämmas genom att antingen mäta vridmomentet med vilket mätkroppen påverkas eller direkt avläsa utslaget från mätkroppen under fjäderbelastning. Givarprincipen är stabil och den ger en låg belastning på mätobjektet, men kräver relativt höga varvtal (1000-10000 rpm) för att ge god linjäritet. Medelvärdesbildande varvtalsmätare I mekanikens tidevarv kombinerande man ofta för varvtalsmätning en varvräknare med en noggrann tidmätare (kronograf). Tekniken är intuitiv och kan jämföras med en modern elektronisk frekvensräknare, där en digital pulsräknare och en väl avstämd oscillator utgör de fundamentala byggstenarna. Varvräknaren kunde utgöras av ett till den roterande axeln förbundet visarinstrument som graderats i lämplig skala. Själva förbindningen kan göras på en mängd sätt, t ex med snäckskruv och kuggväxel, medlöpande mäthjul eller med utnyttjande av mätpropellrar drivna genom luftfriktionen o s v. Pulsgivare En pulsgivare arbetar som namnet klart anger med pulser. Dessa pulser kan åstadkommas och detekteras på en rad olika sätt t ex optiskt, magnetiskt, mekaniskt, akustiskt, kapacitivt eller induktivt. Optiska pulser kan t ex åstadkommas genom att det roterande föremålet förses med en liten reflekterande tape och belyses. En optisk sensor, Figur 5a, registrerar sedan det reflekterade ljuset och ger ett pulståg som behandlas av en frekvensräknare. En vanlig rotationssensor, Figur 5b, ser ut som en liten elektrisk motor och lämnar ett pulståg. Med flera pulser per varv kan upplösningen ökas dramatiskt. Just denna sensor kan ge 100, 360 eller 1000 pulser per varv och kostar ett par tusen SEK (Elfa AB). Figur 5, Några vanliga pulsgivare med olika mätmetoder.
11 En mekanisk pulsgenerator kan lätt realiseras genom att små stift på det roterande objektet slår till/från en eller flera brytare/kontakter. Genom att använda mikrofoner av mycket god kvalité kan akustiska signaler registreras och efter analys ge en mängd information om bl a lagerkondition, eventuella obalanser och just varvtal. Figur 5c visar en induktiv givare som är mycket vanlig i en mängd olika tillämpningar. Den genererar ett magnetfält och känner sedan av förändringar i detta som orsakas av metalliska föremål. De kapacitiva givarna är till det yttre mycket lika de induktiva och kostar liksom dessa några hundra kronor. Om man fäster en (eller flera) permanentmagnet(er) på ett hjul eller en axel som roterar kan det varierade magnetfältet låtas påverka en magnetisk sensor. En tänkbar sensor är hallelementet. Detta använder halleffekten, Figur 6, vilken innebär att en elektrisk spänningspotential uppkommer tvärs över en tunn strömgenomfluten metall- eller halvledarplatta då denna utsätts för ett magnetfält. B i V H + - Figur 6, Principskiss över halleffekten. Man kan också låta ett magnetfält påverka de små tungorna i ett reed-relä, så att de antingen bryter eller sluter en krets och alltså ger ett pulståg. Dessa magnetiska metoder kan vi bl a se implementerade i vanliga cykeldatorer, som kostar några tior. Pulsgivaren utgör alltså basen i en egentligt medelvärdesregistrerande metod, men eftersom mättiden kan göras mycket kort kan den i praktiken vanligen betraktas som kontinuerligt visande momentana värden. Noggrannheten för pulsgivarmetoden beror främst av prestanda hos den frekvensräknare som behandlar pulståget, och blir vanligen mycket god. Ett handhållet instrument för direkt varvtalsmätning upp till 100000 rpm kan köpas för några tusenlappar. Onoggrannheten för ett sådant instrument ligger omkring 0.05 % + 1 siffra. Stroboskop En roterande kropp som belyses med ett till varvtalet synkroniserat stroboskopiskt blixtljus kommer skenbarligen att stå stilla. Denna effekt kan användas för att bestämma varvtalet utifrån den frekvens som matas till stroboskopets lampa. För att rätt värde skall erhållas måste man emellertid hålla i minnet att alla varvtal som är jämna multipler av frekvensen ger samma effekt, varför det ungefärliga varvtalet alltså måste vara känt innan den definitiva avläsningen. Metodens fördelar ligger bland annat i att den är beröringsfri och kan utföras med mobil utrustning. Noggrannheten beror av hur precist man kan styra frekvensen i stroboskopet. Ett handhållet stroboskop för mätning av varvtal upp till 100000 rpm kostar under 5000 kr och har en onoggrannhet omkring 0.1 % + 2 siffror. Angående medelvärdesbildning med stroboskop gäller liksom för pulsgivarna att man i praktiskt bruk kan anse metoden som kontinuerlig och momentanvärdesvisande.
12 Laboration - Temperaturmätning Material Glasbägare Doppvärmare Vridtransformator Skyddstransformator 2 st sladdar med BNC-hona till banankontakter Spänningsaggregat Mätprobe Sprittermometer Temperaturgivare Drivkort till temperaturgivarna Digital multimeter Digitalt oscilloskop Trimmejsel Uppgift 1, Identifiera olika typer av givare Som nyanställda konsulter på firman Tempax AB är er uppgift att utföra temperaturmätningar åt betydelsefulla kunder. När ni kommer till instrumentförrådet upptäcker ni till er fasa att instrumentteknikern hoppat av till en konkurrerande firma och tagit med sig alla datablad. Ni hittar ett antal temperaturgivare, men för att kunna sätta upp ert mätsystem behöver ni först ta reda på av vilken typ givarna är, huruvida de är linjära och vilken termisk tröghet de har. En äldre kollega vet att det skall finnas en termistor, en motståndstermometer (RTD), ett termoelement typ K och en halvledar-/bandgapsgivare av typ LM335. Vid all temperaturmätning ställs man inför två problem: - Vilken temperatur motsvarar en viss utsignal? - Hur lång tid tar det innan givaren "ställt in sig" på rätt temperatur? a. Identifiera de olika givarna Som mätobjekt används tre glasbägare med vatten av olika temperatur. Bägare 1 fylls med isvatten (ca 0 0 C) och bägare 2 med rumstempererat vatten. I bägare 3 redje hälls varmt vatten. En vanlig sprittermometer kan användas för att läsa av temperaturen och få en referens. De olika givarna doppas ned i vattenbägarna och utsignalen avläses sedan den stabiliserat sig.
13 Det finns många sätt att bestämma vilka givartyper det är (titta på kontakter, uteslutningsmetoden mm). Använd en multimeter först för att se vilken typ av signal (elektrisk storhet) givaren ger ut. För att kunna särskilja de två resistiva givarna måste ni titta på linjariteten av resistans mot temperatur. Anteckna den uppmätta signalen och den "verkliga" temperaturen, som avläses på en kvicksilvertermometer. Plotta sedan utsignal mot temperatur. Att redovisa: Av vilken typ är de olika givarna? Vad kan man säga om linjäriteten hos de resistiva givarna? Vilka av givarna är av NTC respektive PTC typ? Ange några tänkbara orsaker till mätfel och hur de kan undvikas. b. Mätning av responstid för de två resistiva givarna Om en temperaturgivare flyttas ifrån en temperatur T0 till en annan temperatur T1 (snabbt) så tar det en viss tid innan den har ställt in sig i termisk jämvikt med sin omgivning och därför en viss tid innan man kan kan läsa av ett korrekt mätvärde. Givarens interna temperatur T som funktion av tiden t beskrivs av ekvationen: T(t) = T0 + (T1 T0)(1 e (t τ ) ) Figur 8. Genom att utsätta en givare för en insignal i form av ett steg kan man med hjälp av ett digitalt oscilloskop läsa av den termiska tidskonstanten som den tid det tar för utsignalen att nå 63 % av stegsvaret. Steget kan vi t ex simulera genom att snabbt flytta givaren från isvattnet till det varma vattnet. Genom att frysa bilden på oscilloskopet kan man i lugn och ro läsa av
14 tidskonstanten. Observera att drivkortet som genererar konstant ström till givarna måste användas. Se datablad 3! Mät tidskonstanterna för de två resistiva givartyperna i vatten för antingen positiva eller negativa temperatursteg. När mätningen görs bör givaren röras runt i bägaren för att en konstant temperatur skall hållas invid givarytan. Betänk/förklara resultaten? Att redovisa: Varför kan inte oscilloscopet kopplas direkt till de resistiva givarna för att mäta tidskonstanten? Vilken givare har lägst termisk tröghet? Hur påverkar kapslingen (förpackningsmaterialet) givarnas stigtid? Varför är det just 63% av maxvärdet som definierar tidskonstanten (titta på ekvationen)? Är det verkligen ett helt korrekt antagande att t=τ vid 63% av signalen? c. Omvandling av elektrisk signal till temperatur En LM335 givare är väldigt praktiskt eftersom utsignalen relativt enkelt kan omvandlas direkt till temperatur med hjälp av ett enkelt drivkort. Se datablad 1. Anslut LM335 till märkt stiftkontakt på drivkortet. Trimma potentiometrarna märkta "offset" så att spänningarna på stiften A och B blir 2.73 V. Doppa ner givaren i de olika vattenbaden och anteckna vilken signal (V) ni läser ut. Att redovisa: Vilken spänning läser ni av vi de olika temperaturerna. Varför skall man trimma in drivkortet så att spänningen mellan A och B blir 2,73V? Fundera på olika temperaturskalor. Fundera ut hur utsignalen från övriga givare kan omvandlas till temperatur på enkelt och billigt sätt.
15 Datablad 1, Kretsschema för drivkortet +15 V 6k8 A B TL074 TL074 LM336 2,5 V spänningsreferens 9k1 1k 9k1 1k 2k P1 "offset" 2k P2 "offset" +15 V C 10k 10k E 12k 10k TL074 TL074 TL074 G LM335 adj P3 10k 10k 1k 9k1 +15 V D 10k 10k F AD590 10k TL074 TL074 TL074 H 9k1 2k P4 10k 1k 9k1
TL074 TL074 Temperatur och varvtalsmätning 16 Datablad 2 Drivkortslayout Anslutning för LM 335 Anslutning för AD 590 C +15V 10 mv/ K P3 D 10 mv/ K P4 GND -15V G 100 mv/ K P1 P2 E 10 mv/ K 2,73 A H 100 mv/ K F 10 mv/ K 2,73 B Datablad 3. Bryggkoppling med konstant-ström-generator +12V +12V +12V 3,3k 12k 10k - + bas-emitter spänning 0.7V PNP transistor Uut Sätter strömmen Givare 2k
17 Laboration - Varvtalsmätning För varvtalsmätningen står en ångmaskin av förnämligare sort till Ert förfogande, Figur 7. Tänk på att denna apparat är att betrakta som leksak endast för stora barn, och att överhettad ånga inte är kul när den sprutar dig rakt i ansiktet. ALLTSÅ - VAR FÖRSIKTIG! Säkerhetsventil Figur 7, En luxuös eluppvärmd modellångmaskin - Wilesco D202. Kort Brukanvisning: RENAT vatten tillförs tanken genom säkerhetsventilen på dess ovansida. I detta skede bör bottenventilen och ångspärrventilen vara stängda. Manometern FÅR INTE röras! Vattnet i tanken upphettas av en värmespiral (500W) och blir snabbt varmt. Dessutom finns så mycket restvärme att uppvärmningen SKALL avbytas när en ¼-tank återstår, eftersom tanken annars kan koka torr och modellen förstörs (ca. 3000 SEK). För att utnyttja den ångproduktiva tiden på bästa sätt SKALL mätningen vara väl genomtänkt INNAN värmespiralen inkopplas. En särskild specialolja bör som förberedande åtgärd, för friktionsfri drift, i måttlig mängd tillföras vid smörjnipplarna. På nämnda modellångmaskin finns flera givare monterade, och det står er fritt att undersöka dem alla. För den aktuella laborationen skall emellertid endast två användas, nämligen hallelementet och likspänningsmotorn. Dessa båda skall undersökas i laborationens första del. Laborationens andra moment innebär att en optisk varvtalsmätare realiseras av Er. Get going!
Temperaturgivare Motor Varvtalsgivare Tryckgivare Temperatur och varvtalsmätning 18 Uppgift 3a, Varvtalsmätning med förmonterade givare I detta moment skall hallelementet användas som referensgivare, och utsignalen från likströmsgeneratorn (motorn) analyseras så att även den kan användas för varvtalsmätning. Börja med att förbereda ångmaskinen för drift (fyll på vatten) och koppla in de givare ni skall använda. Starta uppvärmningen genom att koppla in värmespiralen, och öppna ångspärrventilen då säkerhetsventilen löser ut (maxtryck). Använd gärna visslan, men spara på ångan så att den räcker för mätning av flera olika varvtal (minst tre) med både hallelementet och likspänningstachometern. Hallelement Medels kopplingsbordet på ångmaskinens plattform, Figur 8, har ni bekväm tillgång till hallelementet genom kontakterna vid texten Varvtalsgivare. Givaren kräver 5 Volts matning och ger sedan ett pulståg med frekvens proportionell mot svänghjulets varvtal. Koppla in oscilloscopet mellan UT och GND. GND +5V UT UT Givarutgångar UT +5V UT(+) UT(-) GND UT UT Figur 8, Kopplingsbord med anslutningar till de förmonterade givarna. Likspänningstachometer Vid texten Motor får ni direkt åtkomst till ankarlindningen hos likströmsmotorn (eller generator). Spänningen över denna lindning är som bekant proportionell mot varvtalet for rotorn, varför ni endast vid ett tillfälle behöver bestämma givarkonstanten för att sedan använda utspänningen som mått på varvtalet. Koppla in multimetern på Motor (generatorn) Att redovisa: Vilken givarfaktor skall appliceras på utspänningen för att ge varvtalet för svänghjulet? Rotorn i tachometern snurrar inte lika fort som svänghjulet, spelar detta någon roll? Vad händer om ankarlindningen (generatorn) kortsluts? Varför? Uppgift 3b. Verkningsgrad för ångmaskinen Mät upp vilken verkningsgrad ångmaskinmodellen har, med hänsyn till den inmatade effekten (500W) och på vad ni kan få ut för elektrisk effekt genom generatorn. Genom att använda ett
19 känt motsånd och Ohms lag kan ni räkna ut vilken effekt ni får ur generatorn. Prova några olika motstånd och se vilken effekt ni får ut. Mät gärna upp generatorns interna resistans och se om det finns något samband. Att redovisa: Vilken elektrisk effekt kan ni få ut ur ångmaskinen? Vilken verkningsgrad motsvarar detta? Var sker de största förlusterna?
20 Uppgift 4, Optisk mätning av varvtal - egen givarkonstruktion Optisk pulsgivare Till denna uppgift får ni använda vad ni vill, av material ni själva kan uppbringa eller genom den materialsats som finns i lablokalen, till att bygga en optisk varvtalsmätare. Ni skall givetvis kunna visa att denna mäter varvtalet lika bra (minst) som tidigare berörda givare. Fundera gärna på aspekter kring upplösning och bestämning av rotationsriktning. Att redovisa: Beskriv hur ni löste uppgiften. Kom ni på flera lösningar? Kan ni detektera rotationsriktningen med er lösning? Hur skulle man annars kunna göra det?
21 Kuriosa om Ångkraften Försöken att tämja kraften ur den ånga som bildas när vatten värms upp har länge fångat människans intresse. Den förste som beskrev sina försök att bygga en ångmaskin var den franske fysikern Denis Papin (1647-1714). Han lyckades dock inte konstruera en funktionell maskin. Den typ av ångmaskiner som var vanligast under början av 1700-talet hade konstruerats av en engelsman vid namn Thomas Newcomen (1663-1729). Denna maskin fungerade men hade en allvarlig nackdel, den förbrukade alltför stora mängder kol för att kunna vara ekonomiskt acceptabel. En förbättrad version av Newcomens maskin presenterades av den engelske ingenjören John Smeaton (1724-1792), men den blev trots detta inte använd i någon större omfattning. Under åren 1761-62 arbetade även James Watt (1736-1819) med att förbättra denna modell, utan att lyckas. Han arbetade vid denna tid som instrumentmakare vid Glasgows universitet, där man använde sig av Newcomens maskiner i undervisningen, och Watt fick i uppdrag att reparera dessa. Vid ett sådant reparationstillfälle, 1764, påbörjade herr Watt vetenskapliga undersökningar av egenskaper hos ångan. Dessa undersökningar resulterade i en ångmaskin som bara förbrukade en fjärdedel så mycket kol (per kilowattimme) som tidigare modeller. Watt patenterade sin prototyp 1769 och verkade sedan under ett antal år på ett företag i Birmingham som han själv var delägare i. Under sin tid där tog han fram ett andra patent som presenterade fem olika sätt att omvandla cylinderns fram och återgående rörelse till den roterande rörelse som behövs för att kunna driva svarvar, fräsar och andra verkstadsmaskiner. År 1782 patenterade Watt också en dubbelverkande ångmaskin, där ångan verkar på kolven i båda riktningarna. För att lösa detta styrde han ångan medelst en sinnrik slidventil - av den typ som finns på Wilesco D20!!! I samma patent beskrev Watt hur man kunde använda sig av ångans expansion i cylindern som en pådrivande kraft. Detta medförde att tillförseln kunde stängas av i ett tidigare skede och att bränsleförbrukningen därigenom minskades ytterligare. Den teknik som dessa patent beskriver tillämpas än idag för ångmaskiner. Skillnaden ligger i att man idag använder sig av högre tryck i systemen. Detta kunde Watt också ha gjort, men av någon anledning utnyttjade han inte någon säkerhetsventil för tryckbegränsningen. Något som Denis Papin införde redan år 1690. Ja, det var länge sedan. Vad används då ångmaskiner till idag? Allvarligt! Och var? Figur 9, High Tech Steam Machine, Aircraft Carrier Steam Catapult.