Instytut Inżynierii Biomedycznej i Pomiarowej. Wydział Podstawowych Problemów Techniki. Politechnika Wrocławska

Transkrypt

1 Istytut Iżyierii Biomedyczej i Pomiarowej Wydział Podstawowych Problemów Techiki Politechika Wrocławska Laboratorium Pomiarów Wielkości Nieelektryczych Przyrządy wirtuale rezystometr i termometr Opracował: mgr iż. Bogumił Głód Wrocław 2010

2 Cel ćwiczeia: Zapozaie się z wirtualym przyrządem pomiarowym zrealizowaym w środowisku LabVIEW. Zastosowaie wirtualego przyrządu pomiarowego do realizacji pomiarów pośredich, a przykładzie wirtualego rezystometru. Zrealizowaie rzeczywistego pomiaru temperatury za pomocą termometru wirtualego współpracującego z rezystacyjym czujikiem temperatury. Program ćwiczeia 1. Zapozać się ze staowiskiem pomiarowym. 2. Uruchomić i zapozać się z przyrządem wirtualym rezystometrem. Sprawdzić komuikacje przyrządów pomiarowych z komputerem. 3. Zbadać charakterystykę rezystometru wirtualego 4. Zbadać wpływ iepewości przyrządów pomiarowych i iych elemetów a układu pomiarowego rezystometru wirtualego a iepewość wyiku pomiaru rezystacji. 5. Wykoać termometr wirtualy z zadaym czujikiem rezystacyjym temperatury. Zaleźć fukcję odwrote T(R) [ C] do fukcji podaych w tab. 2 i tab. 3. Fukcję odwrotą zaleźć jako przygotowaie do zajeć. 6. Zbadać wpływ iepewości przyrządów pomiarowych i iych elemetów układu pomiarowego a iepewość pomiaru wyiku temperatury termometrem wirtualym. 7. Zmierzyć temperaturę wybraego obiektu rzeczywistego i określić iepewość pomiaru tej temperatury. Wprowadzeie Pomiar jest procesem uzyskiwaia iformacji o cechach (parametrach) mierzoego obiektu. Iformacja ta przeoszoa jest przez sygały. Sygały przeoszące iformacje ilościową o wielkościach mierzoych w postaci liczb azywają się sygałami pomiarowymi. Elemetem umożliwiającym odbiór iformacji z obiektu fizyczego jest czujik pomiarowy. Czujiki są źródłem iformacji dla aparatury pomiarowej. Natomiast aparatura pomiarowa zbiera sygały pomiarowe, dokoując wstępej ormalizacji, przetworzeia a postać cyfrową, a astępie dostarcza iformacje w tej postaci do bloków przetwarzaia daych. Do zadań bloku przetwarzaia daych, jakim obecie jest komputer, ależy cyfrowa obróbka (przetworzeie) iformacji zgodie z przyjętym algorytmem. Dotychczas fukcje takie spełiał owoczesy przyrząd autoomiczy, który zawierał takie bloki fukcjoale jak: zbieraie daych, przetwarzaie daych oraz prezetacja wyików. Teraz wszystkie te bloki zawiera przyrząd wirtualy, z tą różicą, że o fukcji, jaką spełia taki przyrząd, a więc, jaki realizuje algorytm decyduje użytkowik. Przyjęła się ogóla defiicja, że przyrząd wirtualy to rodzaj iteligetego przyrządu pomiarowego, składającego się z komputera ogólego przezaczeia i dołączoych do iego urządzeń pomiarowych potrzebych do akwizycji daych oraz oprogramowaia umożliwiającego użytkowikowi obsługę za pomocą ekrau komputerowego i klawiatury lub myszy, z wykorzystaiem graficzego iterfejsu użytkowika, tak jakby obsługiwał tradycyjy przyrząd autoomiczy. Nowoczesy sprzęt do akwizycji daych to: wielokaałowe karty przetworików aalogowo-cyfrowych, autoomicze przyrządy pomiarowe, ogólego przezaczeia, wyposażoe w iterfejs IEC-625 lub RS-232. Istotą cechą przyrządu wirtualego jest fukcjoala elastyczość i rekofigurowalość. Ozacza to, że te sam sprzęt karta przetworików lub przyrządy wyposażoe w łącza komuikacyje p. RS-232, podłączoe do powszechie występujących portów COM1 i COM2 komputerów umożliwiają stworzeie szerokiej gamy różych przyrządów wirtualych, spełiających róże fukcje, zależe wyłączie od użytkowika. Z metrologiczego puktu widzeia przyrządy wirtuale ajczęściej realizują pomiary pośredie, w których wartość mierzoą y otrzymuje się przez jej obliczeie a podstawie wartości iych wielkości mierzoych bezpośredio i elemetów składowych x 1, x 2,..., x, związaych zaą zależością fukcyją z wielkością mierzoą y:

3 y f ( x, x,... x ) (1) Aaliza iepewości pomiarowych przyrządu wirtualego ie różi się od aalizy iepewości pomiarów pośredich. Aaliza ta daje odpowiedź a astępujące pytaia: jeśli zae są iepewości poszczególych przyrządów, jaka jest iepewość obliczoego wyiku pomiaru? A także, a odwrót, jeśli obliczoy wyik pomiaru musi mieć założoą iepewość, jakie są dopuszczale iepewości poszczególych przyrządów? Problemy te ujmuje prawo przeoszeia iepewości w pomiarach pośredich. Niepewość maksymalą opisao wzorem: f f f y x x... x x x x. (2) Pochode cząstkowe f/ x i azywae są wrażliwościami (lub czułościami) wyiku pomiaru a zmiay wielkości x i. Dla małych wartości Δx i moża korzystać z przybliżeia (3): f f x x. (3) i Jeśli > 3 i poszczególe iepewości są iezależe od siebie, to moża obliczać iepewość średiokwadratową (4): i 2 2 f f f y x x... x x x x 2. (4) Układ pomiarowy Przykładem realizacji wirtualego przyrządu pomiarowego i pomiaru pośrediego jest rezystometr. Ma o praktycze zaczeie, gdyż istieje wiele różorodych rezystacyjych czujików pomiarowych, z którymi może współpracować, tworząc wirtualy przyrząd do pomiaru p.: temperatury, ciśieia, aprężeń mechaiczych, wilgotości itp. Układ pomiarowy rezystometru przedstawioo a rys. l. Rys. l. Układ pomiarowy rezystometru wirtualego Ogólą zależość, wiążącą wielkości mierzoe i elemety składowe z wartością mierzoej rezystacji, wyraża wzór (5):

4 R f ( u, u, R ), (5) xw gdzie: R xw wartość rezystacji wskazywaa przez rezystometr wirtualy, u 1, u 2 wartości apięć wskazywae przez woltomierze, R rezystacja wzorca. Przy założeiu, że rezystacje wejściowe woltomierzy są bardzo duże a rezystacja wewętrza zasilacza bardzo mała, moża zależość (5) przedstawić za pomocą wzoru (6): R xw u u 1 2 R, (6) Obliczając wówczas, wg zależości (2), iepewość wskazań rezystacji, pochodzącą od iepewości pomiarów apięć u 1, u 2 oraz iepewości wzorca R, otrzymamy wzór (7): R u R u Rxw u u R u u u (7) Powyższe rówaie staowi podstawę obliczeia iepewości maksymalej wskazań rezystometru wirtualego, przedstawioego w ćwiczeiu. LabVIEW LabVIEW (Laboratory Virtual Istrumet Egieerig Workbech) jest zitegrowaym środowiskiem programowym, umożliwiającym graficze (tzw. język G) programowaie obsługi systemów pomiarowych. Zawiera wszystkie arzędzia do akwizycji daych, aalizy i prezetacji. Program tworzoy jest w postaci diagramu w okie diagramu, w którym poszczególe operacje przedstawiae są w postaci symboli graficzych. Prezetacja, tj. wprowadzaie daych i wyprowadzaie wyików odbywa się w okie paelu w postaci symboli graficzych, takich jakie występują w rzeczywistych przyrządach: przełącziki, pokrętła, suwaki, wskaźiki aalogowe i cyfrowe, rejestratory itp. (rys. 2 rys. 5). Rys. 2. Oko paelu rezystometru wirtualego

5 Rys. 3. Oko diagramu rezystometru wirtualego Rys. 4. Oko paelu termometru wirtualego Rys. 5. Oko diagramu termometru wirtualego Przyrządy pomiarowe 1. Multimetr METEX, typ: M-4640A (lub M-4650CR) 2 szt. 2. Rezystor dekadowy, typ DR5b-16 2 szt. 3. Zasilacz, typ ZT-980-1M 1 szt.

6 Literatura 1. Wiiecki W., Orgaizacja Komputerowych Systemów Pomiarowych, Oficya Wydawicza Politechiki Warszawskiej, Warszawa Chwaleba A., Poiński M., Siedlecki A., Metrologia Elektrycza, Warszawa, WNT Przebieg ćwiczeia Ad. l. Zapozać się z istrukcję do ćwiczeia. Połączyć układ pomiarowy zgodie ze schematem a rys. l. Ustawić wartości rezystorów a Ustawić przełączikami zakresy przyrządów pomiarowych a 200 V DCV. Włączyć zasilacz i ustawić wartość apięcia 2 V pokrętłem REGULACJA NAPIĘCIA. Następie włączyć przyrządy pomiarowe. Ad. 2. Uruchomić środowisko LabVIEW (ikoa LabVIEW Studet Editio), otworzyć katalog LAB_INFO. Otworzyć plik rezystl.vi. Ustawić w okie paelu odpowiedie umery COM (rys. 2), zgode z rzeczywistymi, przypisaymi do przyrządów pomiarowych z rys. l. Uruchomić rezystometr wirtualy. Upewić się, że istieje komuikacja pomiędzy komputerem i przyrządami pomiarowymi. Ad 3. Ustawić zakres pomiarowy przyrządów a 2 V DCV. Ustawić wartość rezystora wzorcowego R = Ω. Odczytywać wskazaia rezystometru wirtualego R xw w zależości od wartości rezystacji mierzoej R x. Wartość R x zmieiać od 0 do 100 kω (co ajmiej 10 astaw). Odczytywać i zapisywać jedocześie wskazaia przyrządów pomiarowych. Zmieić zakresy woltomierzy a 20 V DCV i powtórzyć badaia. Wyiki przedstawić wg tabeli 1. Tabela 1. Wyiki pomiarów dla R = Om, zakresy woltomierzy 2 V DCV Lp. R x R xw u 1 u 2 Δu 1 Δu 2 ΔR ΔR x ΔR xw max ΔR xw śk Ω Ω V V V V Ω Ω Ω Ω R x rezystacja mierzoa, R xw rezystacja wskazywaa, ΔR xw iepewość wyiku, ΔR xw max iepewość wyiku maksymala, ΔR xw śk iepewość wyiku średiokwadratowa. Ad. 4. Na iepewość wyiku pomiaru rezystometrem wirtualym mają wpływ iepewości przyrządów pomiarowych Δu 1, Δu 2 oraz ΔR. Zbadać wpływ tych iepewości a wyik wskazań rezystometru. Niepewości Δu 1 i Δu 2 obliczyć dla wartości wskazywaych u 1 i u 2 z pkt. 3 i wstawić odpowiedio do tab. 1, korzystając z daych techiczych używaych przyrządów, wg wzoru: p x x ziaro, (8) 100

7 gdzie: Δx iepewość wartości mierzoej cyfrowo, δp błąd aalogowy mierika cyfrowego, %, x wartość mierzoa, błąd ziaristości, ziaro wartość jedostki ajmiej zaczącej cyfry mierika cyfrowego, dla daego zakresu. Niepewość ΔR wyliczyć z klasy użytego rezystora wg wzoru: kl R R. (9) 100 Otworzyć plik rezyst2.vi. Uruchomić rezystometr (demo). W okie paelu astawiać odpowiedie wartości U 1,U 2, ΔU l, ΔU 2, R, ΔR (z tab. l) i odczytywać wskazaia rezystometru. Wpływ poszczególych iepewości a wyik pomiaru zbadać oddzielie uzyska się wówczas iformację o wrażliwości (czułości) wskazań rezystometru a daą iepewość pomiaru bezpośrediego lub elemetu składowego (wzór 3). Obliczyć maksymalą oraz średiokwadratową iepewość wskazań rezystometru, pochodzącą od poszczególych iepewości. Wykoać wykres zależości R xw = f(r x ) oraz aieść dla poszczególych puktów odpowiedie iepewości ΔR xw. Ad. 5. Otworzyć plik termol.vi. W okie paelu dokoać astaw wg pkt. 3. W okie diagramu, w bloku przetwarzaia daych, wpisać fukcję T(R t ) [ C], dla daego rezystacyjego czujika termometryczego. Zbadać charakterystykę termometru wirtualego (jak w pkt. 3), poprzez symulację czujika rezystorem R x. Zmieiać R x wg tabeli dla daego czujika (tab. 2 lub tab. 3). Ad. 6. Realizacja tego puktu ćwiczeia przebiega tak jak w pkt. 3 i 4, z tą różicą, że zamiast R x jest R t, a wielkością wyjściową (wskazywaą) jest temperatura T [ C]. Otworzyć plik termo2.vi. Dokoywać astaw odpowiedich wartości uzyskaych w pkt. 5. Wykoać wykres zależości T w = f(r t ) oraz aieść dla poszczególych puktów odpowiedie iepewości ΔT w. Ad. 7. Odłączyć od zacisków (a płytce zaciskowej) rezystor R x i podłączyć rezystacyjy czujik temperatury. Zmierzyć p. temperaturę wody z sieci wodociągowej, temperaturę wrzeia wody, temperaturę mieszaiy wody z lodem itp. Pytaia kotrole 1. Co to jest przyrząd wirtualy? 2. W jakie dodatkowe urządzeia ależy wyposażyć komputer, aby zbudować przyrząd wirtualy? 3. Co to jest pomiar pośredi? 4. Jak przeoszą się błędy arzędzi pomiarowych a wyik pomiaru w pomiarach pośredich? 5. Do czego służy czujik pomiarowy? 6. Jak moża scharakteryzować, przedstawioe (w tabelach 2 i 3), czujiki temperatury.

8 Tabela 2. Zależość rezystacji od temperatury czujika termistorowego typu NC-210 (temperatura zaa z dokładością ±0,5 C) Temperatura t Rezystacja R th C Ω Ω Czujik 1 Czujik R th = A e B/T, gdzie: T = t K A [Ω] 0, ,02322 B [K] Tabela 3. Zależość rezystacji od temperatury czujika KTY Temperatura t Rezystacja R t C Ω Ω Ω mi typ max R t = 2000 [1 + A (t 25) + B (t 25) 2 ] Ω t temperatura, C A [1/Ω] 7, B [1/Ω 2 ] 1,