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
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:
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):
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 1 1 2 2 2 2. (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
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.
Literatura 1. Wiiecki W., Orgaizacja Komputerowych Systemów Pomiarowych, Oficya Wydawicza Politechiki Warszawskiej, Warszawa 1997. 2. Chwaleba A., Poiński M., Siedlecki A., Metrologia Elektrycza, Warszawa, WNT 1996. Przebieg ćwiczeia Ad. l. Zapozać się z istrukcję do ćwiczeia. Połączyć układ pomiarowy zgodie ze schematem a rys. l. Ustawić wartości rezystorów a 100000. 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 = 10000 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 = 10 000 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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
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.
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 2 0 37208 32569 5 28735 25249 10 22396 19751 15 17607 15583 20 13956 12394 25 11488 9934 30 8972 8020 35 7272 6521 40 5933 5336 45 4872 4395 50 4025 3641 55 3345 3034 60 2795 2542 65 2348 2141 70 1893 1813 75 1683 1542 80 1434 1317 85 1228 1131 90 1056 974 95 912 843 100 791 733 R th = A e B/T, gdzie: T = t + 273 K A [Ω] 0,02145 0,02322 B [K] 3933 3864 Tabela 3. Zależość rezystacji od temperatury czujika KTY81-221 Temperatura t Rezystacja R t C Ω Ω Ω mi typ max 0 1603 1630 1656 10 1748 1772 1797 20 1901 1922 1944 25 1980 2000 2020 30 2057 2080 2102 40 2217 2245 2272 50 2383 2417 2451 60 2557 2557 2637 70 2737 2737 2832 80 2924 2924 3035 90 3118 3182 3246 100 3318 3392 3466 R t = 2000 [1 + A (t 25) + B (t 25) 2 ] Ω t temperatura, C A [1/Ω] 7,874 10-3 B [1/Ω 2 ] 1,874 10-5