Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 63 Politechniki Wrocławskiej Nr 63 Studia i Materiały Nr 29 2009 Krzysztof PODLEJSKI* czujniki temperatury, LabVIEW BADANIA WYBRANYCH CZUJNIKÓW TEMPERATURY WSPÓŁPRACUJĄCYCH Z KARTAMI POMIAROWYMI W LabVIEW Czujniki temperatury należą do grupy przetworników często stosowanych w systemach automatyzacji procesów kontrolno-pomiarowych. Ich podstawowe parametry określane są w kartach katalogowych. Charakterystyki odpowiedzi czujników podawane są dla ogrzanego oleju i ogrzanego powietrza. Wyniki eksperymentów realizowanych w środowisku LabVIEW z wykorzystaniem kart pomiarowych i czujników temperatury wskazują na różnice w sygnałach wyjściowych czujników, odbiegające od deklarowanych danych katalogowych. Różnice te są szczególnie widoczne przy stosowaniu kart pomiarowych wyższych rozdzielczości i dotyczą współczynnika przetwarzania, liniowości, dokładności i czasowej charakterystyki odpowiedzi. Przyczyny występujących różnic są spowodowane prawdopodobnie warunkami pracy czujników, odbiegającymi od badań modelowych. W wielu zastosowaniach LabVIEW, wybór kart pomiarowych i czujników pomiarowych różnych wielkości fizycznych wymaga kompromisu ze względu na przyjęte kryteria optymalizacji działania systemu kontrolno-pomiarowego. Artykuł zawiera wyniki badań dwóch czujników temperatury stosowanych w symulacji procesu kontroli produkcji pary przegranej w elektrowniach. 1. WSTĘP Wykorzystanie środowiska LabVIEW w praktyce pomiarów, kontroli, automatyzacji procesów technologicznych, budowy przyrządów pomiarowych, akwizycji danych i ich analizy jest powszechnie znane [2]. W wielu przypadkach, przed wprowadzeniem rozwiązań do praktyki, jest korzystne przeprowadzenie rozszerzonych badań symulacyjnych automatyzowanego procesu z wykorzystaniem rzeczywistych czujników pracujących w warunkach odbiegających od modelowych. Przykładem takiego * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-370 Wrocław, ul. Smoluchowskiego 19, krzysztof.podlejski@pwr.wroc.pl
538 procesu jest automatyzacja wytwarzania pary przegrzanej wykorzystywanej do produkcji energii elektrycznej w turbogeneratorze. Rysunek 1 przedstawia model w LabVIEW omawianego procesu składający się z taśmociągów, młyna kulowego i układu piec-kocioł wytwarzającego parę. Piec jest połączony z filtrem odprowadzającym spaliny do komina. Model zbudowano jako układ elektronicznomechaniczny [1]. Rys. 1. Proces wytwarzania pary przegrzanej Fig. 1. Superheated steam control Na podstawie pomiarów wartości temperatur jest realizowany zautomatyzowany proces produkcji pary przegrzanej. W badaniach symulacyjnych zastosowano czujniki temperatur o parametrach odpowiadających czujnikom stosowanym w warunkach rzeczywistych z uwzględnieniem współczynnika skali. Analiza rejestrowanych wyników pomiarów wartości temperatury wskazuje na różnice danych z czujników temperatury. Niezgodność wyników spowodowała konieczność przeprowadzenia dodatkowych badań.
539 2. METODYKA I PRZEBIEG BADAŃ Badania czujników temperatury [3, 4] zostały przeprowadzone w warunkach symulujących charakterystyczne rzeczywiste warunki pracy czujników (zmiany wartości temperatury pieca symulowano układem sterującym mocą grzania żarówki halogenowej). W pierwszym etapie badań rejestrowano odpowiedź czujników na zmianę temperatury w przedziale 25 80 C. 78. TEMPERATURA [ C] 68 58 48 38 28 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 KOLEJNE PRÓBKI Rys. 2. Czas rejestracji T = 1500 s Fig. 2. Data logging T = 1500 s LM35 LM335 Wyniki przedstawione na rys. 2 wskazują na stopniowy wzrost różnicy wskazań wartości temperatury wskazywanych przez czujniki, nie związany z ich dokładnością. Różnica ta w skrajnym przypadku wynosi około 7 C. Następnie przeprowadzono badania w warunkach stabilnych (stała wartość zadawanej temperatury). Program umożliwia zadanie wartości temperatury w dwóch trybach. Pierwszy polega na ustawienie stałej wartości mocy grzania żarówki za pomocą odpowiedniego sygnału sterującego. Drugi tryb realizowany jest przy wykorzystaniu regulatora PID z sygnałem sprzężenia zwrotnego z czujnika LM35. Przykładowe wyniki badań przedstawia wykres na rys. 3. obrazujący zarejestrowane wartości temperatury obu czujników przy stałej mocy grzania. Podobne rezultaty otrzymano przy zastosowaniu regulatora PID. W obu przypadkach wartości odchyleń standardowych są niewielkie (maksymalnie około 0,3 C), natomiast wartości średnie różnią się o około 7 C.
540 80 TEMPERATURA [ C] 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 LM35 LM335 0 50 100 150 200 KOLEJNE PRÓBKI Rys. 3. Czas rejestracji T = 200 s Fig. 3. Data logging T = 200 s W kolejnym etapie badań przeprowadzono porównanie danych z analizowanych czujników z czujnikiem odniesienia PT100. Przykładowe wyniki przedstawiono w tabeli 1. W odniesieniu do czujnika PT100 oba czujniki, wykorzystywane do badań symulacyjnych, wykazują błędy podstawowe i współczynniki nieliniowości o wartościach większych niż zadeklarowane w danych katalogowych. Tabela 1. Wartości danych z czujników temperatur Table 1. Values of temperature sensors Lp. PT 100 LM335 LM35 [ C] [ C] [ C] 1 30,0 32,0 32,1 2 40,0 41,2 42,5 3 50,0 49,5 52,5 4 60,0 59,5 64,3 5 70,0 66,6 72,6 6 80,0 73,7 81,4 7 90,0 82,1 91.6 Rejestracja danych z czujników i wizualizacje wykresów (rys. 3) są fragmentem programu [1] sterującego procesem produkcji pary przegrzanej. Komunikacja z układem symulującym (rys. 1) realizowana jest poprzez kartę pomiarową NI 6221 [5, 6].
541 Rejestrator umożliwia zapisanie danych wyjściowych z uwzględnieniem właściwości dynamicznych czujników. Dla obu badanych czujników czas odpowiedzi wynosi około 3 sekund. Rys. 4. Panel czołowy rejestratora Fig. 4. Front panel of the recorder 3. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Analiza uzyskanych wyników wskazuje na różnice charakterystyk obu czujników temperatury w odniesieniu do danych katalogowych w badanym zakresie wartości temperatury. Czujnik LM335 (dokładność typowa ±1 ±2 C) zachowuje deklarowane właściwości w przedziale 30 60 C, natomiast czujnik LM35 (dokładność typowa ±0,6 C) nie spełnia oczekiwanych wymagań. Układem odniesienia był czujnik PT100. W obu przypadkach współczynnik przetwarzania wynosi 10 mv/ C. Szukając odpowiedzi na pytanie o przyczyny niespełnienia właściwości metrologicznych przez czujniki dokonano analizy toru pomiarowego w zrealizowanym urządzeniu a w szczególności sposobu podłączenia czujników do karty pomiarowej. Zlokalizowano dwa błędy.
542 Pierwszy polegał na nieprawidłowym połączeniu masy zewnętrznego zasilacza z kartą pomiarową. To spowodowało powstanie dodatkowego sygnału zakłócającego sygnał pomiarowy. Drugi błąd polegał na umieszczeniu źródła prądowego w pobliżu żarówki i w efekcie powstał dodatkowy błąd temperaturowy. Zauważone błędy zostały usunięte. Ponowne wyniki badań wykazały poprawność działania czujników i całego układu (rys. 5). Uzyskane rezultaty wskazują także na możliwość wykorzystania układu do badania właściwości innych czujników temperatury. Rys. 5. Panel obliczeń statystycznych Fig. 5. Front panel of the mathematical statistic LITERATURA [1] PODLEJSKI K., RAK J., Symulacja procesu produkcji pary przegrzanej, Prace Naukowe Inst. Maszyn i pomiarów Elektrycznych PWr. Nr 54, 2007, 367 374. [2] TŁACZAŁA W., Środowisko LabVIEW w eksperymencie wspomaganym komputerowo, Warszawa, WNT, 2002. [3] National Semiconductor, LM335 Precision Temperature Sensors.
543 [4] National Semiconductor, LM35 Precision Centigrade Temperature sensors. [5] National Instruments, NI 622x Specification. [6] National Instruments, M Series User Manual NI622x, 2004 2006. TESTING CHOOSEN TEMPERATURE SENSORS OPERATED WITH THE LabVIEW DAQ BOARD The article presents a some problem of the DAQ Board to the temperature sensors. Misapplication connection caused a ground loop-potential are added to measured signal. Second error follow from work reference supply at elevated temperature.