Anemometr s vyhřívanými senzory Úvod: Přípravek anemometru je postaven na 0,5 m větrném tunelu, kde se na jedné straně nachází měřící část se senzory na straně druhé ventilátor s PWM řízením. Na obr. 1 je uvedena fotografie měřící části přípravku anemometru. Měřící část obsahuje 3 podobné měřící stupně (viz obr. 3) pro jednotlivé vyhřívané senzory. Stupně se liší pouze proudem do senzoru. Jako senzory proudění vzduchu slouží žárovkové vlákno, NTC termistor a křemíková dioda.
obr. 1 – Fotografie měřící části anenometru
obr. 2 – Fotografie PWM řízení ventilátoru
I
Na obr. 3 je znázorněn 1 stupeň měřící části anemometru. Stabilizátor LM317 a rezistor R1 slouží jako proudový zdroj pro vyhřívaný senzor. Jsou použity tyto senzory proudění vzduchu: - žárovka 2,5V/100mA s odstraněnou skleněnou baňkou – proud nastaven pevně na 80mA - NTC termistor 100R; 0,45W – proud nastaven pevně na 45mA - křemíková dioda 1N4148 – proud nastaven pevně na 180mA Pro nastavení “0” v ustáleném stavu slouží napěťový dělič R2 - P1 - R3, který je v každém stupni optimalizován pro konkrétní senzor. Výstupy z napěťového děliče a senzoru jsou přivedeny do rozdílového zesilovače se zesílením 1 IC2A (TL072). Následuje invertující zesilovač s nastavitelným ziskem 1 až 6 (je nastaveno 1). Protože žárovka má opačnou teplotní závislost napětí než NTC nebo křemíková dioda, je zapojení u vstupu doplněno propojkami pro propojení referenčního („0“) napětí a napětí ze senzoru se vstupy diferenčního zesilovače. Napájecí napětí pro měřící část je stabilizováno na 9V, výstupy jsou přizpůsobeny pouze k připojení vysokoimpedančních voltmetrů (digitální multimetry).
obr. 3 – Schéma jednoho měřícího stupně anemometru
Úkol měření: Změřte napěťovou závislost vyhřívaného žárovkového vlákna, NTC termistoru a křemíkové diody 1N4148 v závislosti na proudícím vzduchu. Měření provádějte v 10 krocích PWM regulace ventilátoru. Výsledky zapište do tabulky a vyneste do společného grafu.
Postup měření: Před prováděním samotného měření připojte 3 multimetry k výstupům měřících zesilovačů a přiveďte napětí do přípravku. Anemometr je napájen ze síťového adaptéru 12V/800mA. Nechejte přípravek ustálit, tj. sledujte změnu napětí na výstupu z NTC termistoru (ustaluje se nejdéle), dokud nebude změna v čase nulová nebo minimální. Snažte se příliš nevířit vzduch v okolí vzduchového tunelu a senzorů. Dále nastavte všemi potenciometry „nulu“ na všech multimetrech (anemometr nemá vlastní teplotní kompenzaci). Pokud by došlo k velkému driftu při nulovém proudění vzduchu v průběhu měření, můžete provést opětovné nulování. Po ustálení a vynulování všech výstupů postupně tlačítkem UP na PWM regulaci ventilátoru nastavíme 1. stupeň proudění vzduchu, počkáme na ustálení výstupů všech senzorů a hodnotu opíšeme do tabulky. Takto pokračujeme i pro další stupně (2.-10.). Níže se nachází tabulka převodu na konkrétní hodnoty rychlosti proudění. Jakmile změříme hodnoty také pro poslední 10. stupeň, provedeme měření opačným směrem, tedy od 10. stupně až do II
vypnutí ventilátoru a ustálení. Hodnoty opět zapíšeme do tabulky. Výsledky výkonové ztráty senzorů vyneste do grafů (NTC do samostatného). Tabulka rychlostí proudění vzduchu odpovídající stupňům PWM: Stupeň PWM Rychlost [km/h]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
0,6
0,8
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
Naměřené výsledky: měření od 1. k 10. stupni, výpočet výkonové ztráty ∆P = ∆U . I , kde I je konstantní, dané proudovým zdrojem (0,08A – žárovka; 0,045A – termistor; 0,18A – dioda) Stupeň PWM ∆U [mV] NTC ∆P [mW] NTC ∆U [mV] žárovka ∆P [mW] žárovka ∆U [mV] dioda ∆P [mW] dioda
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
měření od 10. stupně do vypnutí ventilátoru Stupeň PWM ∆U [mV] NTC ∆U [mV] žárovka ∆U [mV] dioda
10.
9.
8.
7.
6.
III
5.
4.
3.
2.
1.
0
hodnoty ustáleného stavu pro nulové proudění odečteny od zbylých hodnot, výpočet výkonové ztráty ∆P = ∆U . I , kde I je konstantní, dané proudovým zdrojem (0,08A – žárovka; 0,045A – termistor; 0,18A – dioda) Stupeň PWM ∆U [mV] NTC ∆P [mW] NTC ∆U [mV] žárovka ∆P [mW] žárovka ∆U [mV] dioda ∆P [mW] dioda
10.
9.
8.
7.
6.
5.
4.
3.
2.
Graf závislosti změny napětí na senzoru na rychlosti proudění vzduchu Žárovka, dioda ∆P [mW]
rychlost proudění [km/h]
IV
1.
Graf závislosti změny napětí na senzoru na rychlosti proudění vzduchu NTC ∆U [mW]
rychlost proudění [km/h] Vysvětlete rozdíl v množství odváděného tepla (ztrátovém výkonu senzorů). Proč dovede termistor odvést mnohem větší teplo než ostatní senzory ? Vysvětlete hysterzi senzorů při měření od 1. do 10. stupně a naopak.
Seznam přístrojů: přípravek anemometru s vyhřívanými senzory, síťový napájecí adaptér 12V/800mA, 3 digitální multrimetry (nejnižší rozsah alespoň 200mV), 6 měřících kabelů banánek-banánek Použité zdroje: [1]
Katalogové listy diody 1N4148, termistoru NTC 100R; 0,45W, MCU ATmega8
V
