Budowa i konfigurowanie komputerowego systemu pomiarowego w środowisku DasyLab z wykorzystaniem karty pomiarowej część II.

Transkrypt

1 Ćwiczenie 2 Budowa i konfigurowanie komputerowego systemu pomiarowego w środowisku DasyLa z wykorzystaniem karty pomiarowej część II. Program ćwiczenia. Identyfikacja połączeń czujników zastosowanych w układzie pomiarowym. 2. Konfigurowanie i skalowanie torów do pomiaru temperatury z wykorzystaniem termorezystora Pt, oraz termistora NTC Ω, a) wyznaczenie funkcji skalujących, umożliwiających przeliczanie wartości mierzonych napięć na wartości temperatury, ) projekt części software owej systemu pomiarowego w środowisku DASYLa, c) pomiarowa identyfikacja parametrów termistora. 3. Rejestracja odpowiedzi skokowych czujników temperatury. 4. Konfigurowanie i skalowanie torów do pomiarów temperatury, ciśnienia atmosferycznego i wilgotności względnej powietrza z wykorzystaniem czujników stosunkowych, a) wyznaczenie funkcji skalujących tory pomiarowe z czujnikami, ) projekt części software owej systemu pomiarowego w środowisku DASYLa, Zakres wymaganych wiadomości Budowa, funkcje i parametry kart pomiarowych. Podłączanie źródeł napięcia do karty pomiarowej (wejście niesymetryczne single ended, wejście symetryczne differential). Zasada działania czujników termorezystancyjnych, termistorowych, zintegrowanych stosunkowych czujników temperatury, ciśnienia atmosferycznego i wilgotności względnej powietrza. Literatura [] DASYLa 9 i ser Guide ( [2] Tumański S.: Technika pomiarowa. WNT, Warszawa 27. [3] Miłek M.: Metrologia elektryczna wielkości nieelektrycznych. Oficyna Wydawnicza niwersytetu Zielonogórskiego, Zielona Góra 26. [4] Michalski L., Eckersdorf K., Kucharski J.: Termometria., Wyd. PŁ, Łódź 998.

2 Instrukcja wykonania ćwiczenia Ad.. Identyfikacja połączeń czujników zastosowanych w układzie pomiarowym Celem ćwiczenia jest zaprojektowanie i wykonanie w środowisku DASYLa systemu pomiarowego oraz przeprowadzenie procedur skalowania w torach do pomiaru temperatury, za pomocą różnych typów czujników: termorezystora Pt, termistora NTC, oraz zintegrowanych czujników stosunkowych temperatury AD22, ciśnienia ezwzględnego MPX45 oraz wilgotności względnej IH-365A. W ramach realizacji punktów ćwiczenia należy opracować następujące zagadnienia: - ustalić wielkości, które należy mierzyć i rejestrować, - wyznaczyć funkcję skalującą, umożliwiającą wyliczanie wartości mierzonych, - skonfigurować kartę pomiarową w środowisku DASYLa, - wykonać projekt części software owej systemu pomiarowego w środowisku DASYLa. Rys.. Schemat układu pomiarowego z czujnikami. Taela. Zestawienie typów czujników, numerów kanałów i tryów połączeń do karty oraz złącz. Wejście Kanał Try Złącze Generator Pt NTC R N =Ω Ch Ch Ch 2 Ch 3 BNC laorat. laorat. laorat. Wejście Kanał Try Złącze AD22 MPX45 Z AD22 IH-365A Ch 4 Ch 5 Ch 7 Ch 4 Ch 6 Na stałe Na stałe 7 pinowe GMT8 GMT8

3 Ad. 2. Konfigurowanie i skalowanie torów do pomiaru temperatury z wykorzystaniem termorezystora Pt, oraz termistora NTC Ω Ad. 2a. Wyznaczenie funkcji skalujących tory pomiarowe Zależność pomiędzy rezystancją R t termorezystora platynowego Pt, a temperaturą T dla temperatur dodatnich aproksymuje się, zgodnie z normą, funkcją wielomianową: 2 R t R AT BT () R = - rezystancja termorezystora w temperaturze T= C, A = 3,983-3 C -, B = - 5,775-7 C -2, przy czym dla wąskiego zakresu temperatur (w przedziale od C do C) można założyć aproksymację wielomianem I stopnia, czyli funkcją liniową: R t R T (2) R = - rezystancja termorezystora w temperaturze T= C, =,385 C -. Przyjmując, że napięcie na rezystorze wzorcowym R N (rys. ) mierzone w kanale 3 karty pomiarowej oznaczymy przez 3, a napięcie na termorezystorze Pt, mierzone w kanale karty oznaczymy przez, możemy wyznaczyć z (2) wartość temperatury: T 3 RN R Podonie rozwiązując równanie () aproksymacji wielomianowej II stopnia otrzymujemy zależność na poszukiwaną wartość temperatury w funkcji mierzonych napięć: T A A 2 4 B 2 B 3 R R N Zależność (4) umożliwia wyznaczenie wartości temperatury T z większą dokładnością niż zależność (3), jednakże dla temperatur w zakresie C różnica ta ędzie niewielka. jawnia się ona dopiero w sposó wyraźny dla temperatur większych od C. W zastosowaniach praktycznych rezystancję R T termistora wyznacza się z zależności: B m ( ) T T e R T R T (5) T R rezystancja termistora w temperaturze T, B m stała materiałowa termistora określająca jego czułość, wyrażona w K, T temperatura termistora w K. (3) (4)

4 Przyjmując, że napięcie na rezystorze wzorcowym R N (rys. ) mierzone w kanale 3 karty pomiarowej oznaczymy przez 3, a napięcie na termistorze NTC mierzone w kanale 2 karty oznaczymy przez 2, to wartość temperatury możemy wyznaczyć z (5): T Bm T (6) 2 RN B m T ln 3 RT R = (%), T T = 298K (25 C), R N =, B m = 32K (3%), T temperatura termistora w K. Ad. 2. Projekt części software owej systemu pomiarowego W celu udowy systemu wykorzystywane są następujące moduły programu DASYLa: akwizycji napięć w kanałach Task DA (Analog Input z Modules/Inputs/Outputs/NI- DAQmx), oliczeń matematycznych Formula (Formula Interpreter z Modules/Mathematics), wizualizacji numerycznej mierzonych wielkości Digital Meter (Digital Meter z Modules/Display), oserwacji rejestrowanych danych w czasie Y/t Chart (Y/t Chart z Modules/Display), zapisu danych do pliku na dysk Write (Write Data z Modules/Files). Każdy z modułów wymaga konfiguracji poprzez wyranie polecenia Properties z menu kontekstowego oiektu. Rys. 2. Schemat układu połączeń loków funkcyjnych w programie DASYLa. Trzy formuły w programie wyznaczają wartość mierzonej temperatury na trzy sposoy: T i T 2 na podstawie pomiaru termorezystorem Pt, zgodnie z funkcjami skalującymi (3) i (4), oraz T 3 na podstawie pomiaru termistorem NTC zgodnie z (6). Ad. 2c. Pomiarowa identyfikacja parametrów termistora Ponieważ rozrzut wartości parametrów seryjnie produkowanych termistorów jest duży (zależność (6), rezystancja R ma tolerancję wykonania %, stała materiałowa B m 3%), T

5 wyznaczymy pomiarowo ich wartości indywidualne dla posiadanego egzemplarza czujnika. Wykonujemy pomiar rezystancji termistora R a i R dla 2 różnych temperatur T a (woda o temperaturze pokojowej) i T (woda o temperaturze ok. 8 C) i wówczas zgodnie z (5): a poszukiwane wartości stałych wynoszą: Bm( T ) T a R T R e (7) B Ta ln R T T Ta m (8) ln R T a B ( m ) T T e R T R T (9) Ad. 3. Rejestracja odpowiedzi skokowych czujników temperatury Po sprawdzeniu poprawności funkcjonowania systemu pomiarowego należy wyznaczyć dynamiczne właściwości czujnika temperatury. W tym celu należy skonfigurować moduł zapisu danych do pliku na dysk, określając nazwę pliku (wraz ze ścieżką) oraz dorać częstotliwość prókowania ( Hz) i przygotować okno wizualizacji (rys. 2). ruchamiamy proces pomiaru i po chwili przekładamy czujniki temperatury z termosu z wodą o temperaturze pokojowej do termosu z wodą o temperaturze wyższej (rzędu kilkudziesięciu stopni, np. 7 C). Oserwujemy przeieg zmian temperatury czujnika w oknie wizualizacji. Po ustaleniu wskazań czujnika (ok. kilkadziesiąt sekund), przekładamy czujnik z powrotem do termosu z wodą o temperaturze pokojowej. Po ponownym ustaleniu wskazań czujnika zatrzymujemy pomiar. W ten sposó mamy zarejestrowany proces nagrzewania i chłodzenia czujnika, a odpowiednie dane (czas oraz wartości temperatury) są zarejestrowane w pliku na dysku. Zinterpretować fizycznie uzyskane przeiegi czasowe. Jakie parametry decydują o wielkości inercji czujnika temperatury (wielkość czujnika, rodzaj materiału, z którego wykonany jest czujnik, środowisko, którego temperaturę mierzy czujnik). Wyznaczyć na podstawie zarejestrowanych przeiegów parametry modelu dynamicznego czujnika (I rzędu jedna stała czasowa, II rzędu dwie stałe czasowe). Ad. 4. Konfigurowanie i skalowanie torów do pomiarów temperatury, ciśnienia atmosferycznego i wilgotności względnej powietrza z wykorzystaniem czujników stosunkowych Celem tego ćwiczenia jest pomiar ciśnienia atmosferycznego, temperatury i wilgotności względnej powietrza za pomocą zintegrowanych czujników pomiarowych. Czujniki te posiadają wyjścia napięciowe, stosunkowe. Wielkości mierzone dla tego typu czujników są określane na podstawie pomiaru stosunku napięcia wyjściowego do napięcia zasilającego czujnik.

6 Ad. 4a. Wyznaczenie funkcji skalujących tory pomiarowe Czujnik o symolu AD22 jest zintegrowanym czujnikiem temperatury wyprodukowanym przez firmę Analog Devices, w którym elementem czułym jest termorezystor. Przyjmując, że napięcie wyjściowe czujnika mierzone w kanale 4 karty pomiarowej oznaczymy przez 4, a napięcie zasilające mierzone w kanale 7 karty oznaczymy przez 7 możemy wyznaczyć wartość temperatury wyrażoną w C, na podstawie funkcji przetwarzania czujnika: 4,275 T,45 7 Czujnik o symolu MPX45AP jest zintegrowanym piezorezystywnym czujnikiem ciśnienia ezwzględnego wyprodukowanym przez firmę Motorola, który może służyć do pomiaru ciśnienia atmosferycznego. Przyjmując, że napięcie wyjściowe czujnika mierzone w kanale 5 karty pomiarowej oznaczymy przez 5, a napięcie zasilające mierzone w kanale 7 karty oznaczymy przez 7 możemy wyznaczyć wartość ciśnienia wyrażoną w Kpa, na podstawie funkcji przetwarzania czujnika: 5,95 p, 9 kpa 7 () () Czujnik o symolu IH-365A jest zintegrowanym wilgotności względnej powietrza (RH Relative Humidity), produkowanym aktualnie przez firmę Honeywell, w którym elementem czułym jest kondensator z higroskopijnym dielektrykiem. Przyjmując, że napięcie wyjściowe czujnika mierzone w kanale 6 karty pomiarowej oznaczymy przez 6, a napięcie zasilające mierzone w kanale 7 karty oznaczymy przez 7, możemy wyznaczyć wartość wilgotności na podstawie funkcji przetwarzania czujnika: 6 S RH (2) 7 Czujnik S/N 47: =,652, S=,747; Czujnik S/N 89: =,664, S=,788 Ay skorygować wpływ temperatury na pracę czujnika i zwiększyć dokładność pomiaru należy zastosować zalecaną przez producenta funkcję korekcyjną: RH kor RH,,93,2T gdzie T w F RH jest wyznaczoną za pomocą (2) wartością wilgotności względnej, a T jest temperaturą czujnika wilgotności, wyznaczoną za pomocą montowanego w jego poliżu dodatkowego czujnika temperatury typu AD22 (napięcie 4 w 4 kanale pomiarowym karty zastosować procedurę wyznaczenia temperatury podonie do ()). Ad. 4. Projekt części software owej systemu pomiarowego W celu udowy systemu do pomiarów parametrów klimatycznych należy wykorzystać moduły programu DASYLa w sposó opisany w rozdziale 2 i zastosować funkcje skalujące () do (3). (3)

7 Wykaz aparatury. Komputer z systemem operacyjnym Windows XP lu wyższym, 2. Karta pomiarowa NI622 wraz z płytką łączeniową, 3. Oprogramowanie DASYLa wraz ze sterownikami do karty (NI-DAQmx), 4. kład przyłączeniowy czujników i ich zasilania, 5. Rezystor normalny Ω, 6. Termorezystor Pt (wyprowadzenia 4-przewodowe), 7. Termistor NTC Ω (wyprowadzenia 4-przewodowe), 8. Czujnik ciśnienia ezwzględnego MPX45AP, 9. Czujnik wilgotności względnej powietrza IH-365A,. Czujnik temperatury AD22,. Zasilacz stailizowany 5V.