ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ Katedra měření
MĚŘENÍ RYCHLOSTI LETU ANEMOMETRICKOU METODOU BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
Vypracoval: Lukáš Houštecký Praha 2010
Vedoucí práce: doc. Ing. Karel Draxler, CSc.
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu.
Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona č.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon).
V Praze dne …………………
………………… Podpis
iii
Poděkování Tímto bych rád poděkoval vedoucímu bakalářské práce panu doc. Ing. Karlu Draxlerovi, CSc. za poskytování nesčetných praktických rad a jeho veškerý čas, který mi tímto věnoval. Dále panu doc. Ing. Otmaru Kuglovi, CSc. za zhotovení mechanických součástí, panu Ing. Petru Kočárníkovi, Ph.D. za umožnění měření v aerodynamickém tunelu a poskytnutí základních znalostí v oblasti aerodynamiky. Velký dík patří také rodině, kamarádům a přítelkyni za trpělivost a poskytnutí podpory.
iv
Anotace Cílem této práce bylo navrhnout vhodný senzor pro měření rychlosti bezpilotního prostředku. Senzor je založený na měření proudění okolního vzduchu. Součástí návrhu senzoru jsou i elektronické vyhodnocovací obvody, které zpracují signál z daného senzoru. Uživatelské rozhraní je zprostředkováno znakovým displejem a tlačítky umístěnými na desce vyhodnocovacího obvodu.
Klíčová slova: měření rychlosti, anemometr, mikrokontrolér
Annotation The main objective of bachelor thesis is creating appropriate sensor for measuring the speed UAV. The sensor is based on the measurement air flow. Part of work is electronic circuits that process signals from sensor. User
interface
consists
of
character
display,
evaluation board circuit.
Key words: velocity measurement, anemometry, microcontroller
v
buttons
located
on
the
Obsah Seznam použitých symbolů .............................................................. viii Seznam obrázků .................................................................................... x Seznam tabulek .................................................................................... xi 1
Úvod ................................................................................................. 1
2
Metody měření rychlosti proudění vzduchu .................................. 2 2.1
Objemové anemometry ........................................................................................... 2
2.1.1 2.2
Rychlostní anemometry ........................................................................................... 4
2.2.1 2.3
3
4
6
Průtokoměry založené na snímaní diferenčního tlaku ...................................... 4
Hmotnostní průtokoměry ......................................................................................... 7
2.3.1
Coriolisovy průtokoměry ................................................................................... 8
2.3.2
Tepelné anemometry ....................................................................................... 9
Zvolená metoda měření rychlosti proudění ................................. 12 3.1
Typy senzorů..........................................................................................................13
3.2
Teplotní čidlo používané v anemometrii .................................................................14
3.3
Přestup tepla ..........................................................................................................16
Návrh sondy pro měření rychlosti ................................................ 17 4.1
Výběr čidel .............................................................................................................17
4.2
Návrh snímače .......................................................................................................18
4.2.1
První verze sondy ...........................................................................................18
4.2.2
Druhá verze sondy ..........................................................................................18
4.3
5
Turbínkové průtokoměry .................................................................................. 2
Naměřené teplotní charakteristiky ..........................................................................21
Hardware ........................................................................................ 23 5.1
Zdroj konstantního proudu......................................................................................24
5.2
Napájecí obvody ....................................................................................................27
5.3
Displej s řadičem HD44780 ....................................................................................29
5.4
Měřící obvody.........................................................................................................30
5.5
Použitý mikrokontrolér ............................................................................................33
Kalibrace sondy ............................................................................. 35 6.1
Závislost napětí na rychlosti proudícího vzduchu první verze sondy .......................35
6.2
Časová konstanta první verze sondy ......................................................................37
6.3
Teplotní nezávislost druhé verze sondy..................................................................38
vi
6.4
7
Závislost napětí na rychlosti proudícího vzduchu druhé verze sondy .....................39
Software ......................................................................................... 41 7.1
Obsluha displeje s řadičem HD44780.....................................................................41
7.2
Obsluha AD převodníku .........................................................................................42
8
Závěr ............................................................................................... 43
9
Citovaná literatura ......................................................................... 45
Příloha A .............................................................................................. 46 Obsah přiloženého CD......................................................................................................46
Příloha B .............................................................................................. 47 Návrh plošného spoje DPS ...............................................................................................47
Příloha C .............................................................................................. 49 Výkresy geometrie obou verzí sond ..................................................................................49
vii
SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A
(m2)
plocha vnějšího povrchu vyhřívaného čidla
A
(1)
zisk zesilovače
A, B, C, D
(K-1, K-2, K-3, K-4)
teplotní materiálové konstanty
A, B, n
(1)
konstanty Kingova zákona
C
(1)
součinitel průtoku
cP
(J kg-1 K-1)
měrná tepelná kapacita
D1, D2
(m)
průměr
e
(1)
Eulerovo číslo (2,71)
f
(Hz)
frekvence kmitů
FC
(N)
Coriolisova síla
g
(m s-2)
gravitační zrychlení (9,81m s-2)
h
(m)
výška
I
(A)
elektrický proud
K
(m-1)
konstanta úměrnosti
k, n
(1)
experimentálně zjištěné konstanty
L, l
(m)
délka
M
(N m)
moment síly
m
(kg)
hmotnost
Nu
(1)
Nusseltovo číslo
p
(Pa)
tlak
P
(J s-1)
tepelný příkon
Pr
(1)
Pradtlovo číslo
viii
ܲ ݎൌ
ఎು ఒ
QV,Qv, Qm
(m3 s-1,kg s-1)
průtok (objemový, rychlostní, hmotnostní)
R
(Ω)
elektrický odpor
Re
(1)
Reynoldsovo číslo
s
(1)
skluz
S
(m2)
průřez
T, t
(K/°C)
teplota
U
(V)
elektrické napětí
v
(m s-1)
rychlost
α
(K-1)
teplotní součinitel
β
(1)
poměr průměrů ߚ ൌ
ε
(1)
expanzní součinitel
η
(Pa∙s)
dynamická viskozita
λ
(W m-1 K-1)
tepelná vodivost tekutiny
ν
(m2 s-1)
kinematická viskozita
ρ
(kg m-3)
materiálová hustota
ω
(rad s-1)
úhlová rychlost
ϑ
(K/°C)
teplota
ൌ
ௗ
ix
௩ௗ ఔ
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1. Princip turbínového průtokoměru ............................................................................... 3 Obr. 2. Princip turbínového průtokoměru ............................................................................... 4 Obr. 3. Modifikace snímače pro měření plynů ....................................................................... 4 Obr. 4. Průběh tlaků na cloně ................................................................................................ 5 Obr. 5. Venturiho trubice a průtokoměrná dýza ..................................................................... 6 Obr. 6. Princip Prandtlovy trubice .......................................................................................... 7 Obr. 7. Princip Coriolisova průtokoměru ................................................................................ 8 Obr. 8. Termoanemometr .....................................................................................................10 Obr. 9. Kalorimetrický anemometr ........................................................................................11 Obr. 10 Blokové schéma celého systému .............................................................................12 Obr. 11. Teplotní závislosti odporových čidel ........................................................................13 Obr. 12. Platinové sondy ......................................................................................................15 Obr. 13. Platinový senzor .....................................................................................................17 Obr. 14. Držák senzoru část 1 ..............................................................................................19 Obr. 15. Držák senzoru část 2 ..............................................................................................19 Obr. 16. Teflonová vložka .....................................................................................................19 Obr. 17. Mosazné těleso ......................................................................................................19 Obr. 18. Druhá verze sondy umožňující umístění obou čidel ................................................20 Obr. 19. Sonda (první verze, druhá verze)............................................................................21 Obr. 20. Teplotní závislost ....................................................................................................22 Obr. 21. Zhotovená deska ....................................................................................................23 Obr. 22. Zdroj konstantního proudu ......................................................................................24 Obr. 25. Zatěžovací charakteristika ......................................................................................26 Obr. 22. Napájecí obvody .....................................................................................................27 Obr. 23. Zapojení displeje ....................................................................................................29 Obr. 26. Wheatstoneův můstek ............................................................................................30 Obr. 27. Snímání napětí na senzorech .................................................................................31 Obr. 28. Měření proudu ........................................................................................................32 Obr. 29. TSSOP-20pin .........................................................................................................33 Obr. 30. Zapojení mikrokontroléru ........................................................................................34 Obr. 31. Závislost úbutku napětí na rychlosti ........................................................................36 Obr. 32. Teplotní závislost ....................................................................................................38 Obr. 33. Nalezení konstant A a B .........................................................................................40 Obr. 34. Závislost napětí můstku na rychlosti proudění ........................................................40 Obr. 35. Vývojový diagram inicializace displeje ....................................................................41 Obr. 36. Vývojový diagram ...................................................................................................42
x
SEZNAM TABULEK Tab. Tab. Tab. Tab. Tab.
1 Teplotní závislost ......................................................................................................21 2 Zdroj proudu .............................................................................................................25 3 Kalibrace sondy ........................................................................................................36 4 Časová konstanta .....................................................................................................37 5 Závislost napětí na proudícím médiu ........................................................................39
xi
1 ÚVOD Cílem této práce bylo navrhnout vhodný senzor pro měření rychlosti bezpilotního prostředku. Senzor je založený na měření proudění okolního vzduchu. Jako princip měření proudění okolního vzduchu byl zvolen princip termoanemometru. Principy anemometrů (průtokoměrů) jsou popsány v kapitole 2. Další kapitola (3) odůvodňuje zvolení metody a rozebírá všechny problémy spojené s tímto měřením. V této kapitole je uveden teoretický základ týkající se proudění plynů včetně přenosů tepla. Návrh sondy samotné je uveden v kapitole 4. Návrh obsahuje mechanické součásti sondy a výběr čidel. Součástí této kapitoly jsou také teplotní charakteristiky, které jsou jedním ze způsobů určení vyhřívacího proudu senzory. Součástí návrhu senzoru jsou i elektronické vyhodnocovací obvody, které umožní dále zpracovávat signál získaný ze senzoru, jejichž základní jednotkou je 8bitový mikrokontrolér MC9S08SH8. Uživatelské rozhraní je zprostředkováno znakovým displejem a tlačítky umístěnými na desce vyhodnocovacího obvodu. Všechny elektronické obvody jsou popsány v kapitole 5. Kapitola 6 obsahuje kalibraci zhotovené sondy v aerodynamickém tunelu. Na základě kalibrace sondy je vytvořen algoritmus respektující závislost měřeného napětí na rychlosti proudění okolního vzduchu. Cílem této kapitoly je především získání závislosti napětí na rychlosti.
V následující kapitole 7 jsou popsány všechny programové prostředky mikrokontroléru. Především program, který zpracovává signál získaný ze sondy. Ze sondy se získává signál v podobě napětí, které je závislé na rychlosti proudění vzduchu. Dále pomocné programy zjišťující stav, v kterém se daný elektrický obvod nachází.
1
2 METODY MĚŘENÍ RYCHLOSTI PROUDĚNÍ VZDUCHU Měření rychlostí proudícího vzduchu úzce souvisí s měřením průtoku. U měření průtoku je často rychlost nosnou veličinou. Pro snímání měřené veličiny bude použit anemometr
(průtokoměr).
V následující
kapitole
budou
rozebrány
jednotlivé
typy
anemometrů použitelné pro měření průtoku plynu. Pro měření průtoku existuje mnoho snímačů využívající různé fyzikální principy. Z hlediska druhu průtoku můžeme tyto senzory rozdělit na tři skupiny: průtok objemový ܳ , průtok rychlostní ܳ௩ , průtok hmotnostní ܳ . V následující kapitole se budu věnovat pouze anemometrům, které jsou použitelné pro měření průtoku plynů.
2.1 Objemové anemometry
2.1.1 Turbínkové průtokoměry
Turbínkový (lopatkový) průtokoměr se používá pro měření plynů i kapalin. Tyto průtokoměry se v některé literatuře uvádějí jako objemové snímače průtoku nebo jako rychlostní snímače průtoku. Rotor je poháněný proudící kapalinou nebo plynem. Rychlost rotace rotoru je přímo úměrná velikosti průtoku. Rychlost rotace lze snímat polovodičovými zařízeními (reluktančními, induktančními, založené na principu Hallova jevu). Reluktanční polovodičové zařízení sestává z cívky, která je navinuta na permanentním magnetu. Lopatky jsou vyrobeny z magneticky vodivého materiálu. Vlivem otáčení rotoru, který je roztáčen proudící kapalinou nebo proudícím plynem, jsou v cívce indukovány napěťové impulsy, které jsou znázorněny na Obr. 1a. Každý impuls odpovídá určitému objemu kapaliny. Počet impulsů na objemovou jednotku se nazývá K parametr. U induktančního senzoru je rotor zhotoven z permanentního magnetu, který je trvale zmagnetizován. Při průchodu lopatky kolem cívky se v cívce generují napěťové impulsy. Výstup z cívky je spojitý sinusový signál, jak je zobrazeno na Obr. 1b.
2
Obr. 1. Princip turbínového průtokoměru
Při měření průtoku lze snímat otáčky rotoru tranzistorem. Princip spočívá ve využití Hallova jevu. U takovýchto průtokoměrů se lopatky konstruují s malým magnetem na konci. Rotor bývá většinou z magneticky nevodivého materiálu. Výstupní signál je tvořen obdélníkovými impulsy. Výhoda těchto snímačů je měření menších rychlostí než u induktančních a reluktančních snímačů, protože nezávisí na rychlosti vzniku magnetického pole. Měření průtoku může být také realizováno pomocí bezdotykového snímání otáček. Na Obr. 2. je znázornění snímače, který se používá k snímaní proudících kapalin. Pokud bychom chtěli snímat proudění plynů, musíme použít modifikace tohoto snímače Obr. 3. Z principu, který je znázorněn na Obr. 3. vyplývá jednoduchá rovnice pro frekvenci otáčení turbínky. Frekvence je dána vztahem:
݂ ൌ ݇ܳ௩ െ ݏǡ
kde s je skluz.
3
(1)
Obr. 2. Princip turbínového průtokoměru
Obr. 3. Modifikace snímače pro měření plynů
2.2 Rychlostní anemometry
Rychlostní měřidla určují průtok na základě naměřené hodnoty místní nebo průměrné rychlosti, znalosti profilu rychlosti a průtočného průřezu. Pro stanovení rychlosti proudění se využívá princip zachování energie v proudící tekutině vyjádřený Bernoulliho rovnicí. Při proudění tekutiny vzniká kinetická energie, vyvolávající vzrůst kinetického tlaku a současný pokles tlaku statického tak, aby celkový tlak zůstal zachován.
2.2.1 Průtokoměry založené na snímaní diferenčního tlaku
Tento typ průtokoměrů se řadí mezi nejvíce používané. Vztah mezi statickou a kinetickou energií proudícího média popisuje Bernoulliho rovnice:
ݒଶ ݄݃ ൌ ݇ݐݏ݊ ʹ ߩ
(2)
Do tohoto druhu průtokoměrů patří: clony s různými druhy tvarů clon, průtokoměrná dýza, Venturiho trubice a Prandtlova trubice. Přestože je clona (viz Obr. 4.) velmi jednoduchým zařízením je to velmi přesný snímač pro měření průtoku. Nejznámější je kruhová centrická clona, u které se pokusím vysvětlit princip. Centrická kruhová clona je tenký kotouč s kruhovým otvorem se středem v ose potrubí. Obr. 5. zachycuje průběh tlaků na cloně.
4
Obr. 4. Průběh tlaků na cloně
Vycházíme-li z teoretického předpokladu, že se zde jedná o nestlačitelnou kapalinu, potom z rovnice kontinuity platí:
ܵଵ ݒଵ ൌ ܵଶ ݒଶ ǡ
(3)
kde
ܵଵ ൌ
ߨܦଵଶ ߨܦଶଶ ǡ ܵଶ ൌ Ǥ Ͷ Ͷ
(4)
Protéká-li médium vodorovným potrubím, podle Bernoulliho rovnice platí:
ݒଵଶ ଵ ݒଶଶ ଶ ൌ Ǥ ʹ ߩ ʹ ߩ
(5)
Vyjádřením ݒଵ z (3) a následným dosazením do (5) získáváme vztah pro objemový průtok ௗ
ܳ . Zavadí se zde opravný koeficient C, který je závislý na poměru ߚ ൌ a na Reynoldsově čísle Re.
ܳ ൌ ܵଶ ݒଶ ൌ
ܵଶ ඨͳ െ ቀܵଶ ቁ ܵ ଵ
5
ʹሺ െ ଶ ሻ ඨ ଵ Ǥ ߩ ଶ
(6)
Zavedení opravného koeficientu C tzv. součinitel průtoku a dosazení ߚ
ܳ ൌ
ʹሺ െ ଶ ሻ ඨ ଵ Ǥ ߩ ඥͳ െ ߚ ସ ܵܥଶ
(7)
Tato rovnice platí pro kapaliny. U plynů musíme uvažovat, že dochází k expanzi a změně hustoty. Tato skutečnost je respektována zavedením expanzního součinitele ߝ:
ܳ ൌ
ʹሺ െ ଶ ሻ ඨ ଵ Ǥ ߩ ඥͳ െ ߚ ସ ߝܵܥଶ
(8)
Venturiho trubice (viz Obr. 5.) se používá pro měření menších rychlostí proudícího média. Venturiho trubice nejsou citlivé na vliv rychlostního profilu tekutiny, vyžadují proto menší délky přímého potrubí než clony. Jejich specielně vytvarovaný profil způsobuje, že je zamezeno korozi a usazovaní různých nečistot. Proto mají menší nároky na údržbu.
Obr. 5. Venturiho trubice a průtokoměrná dýza
Průtokoměrná dýza se používá zejména tam, kde se pracuje s vyššími teplotami a velkými průtoky proudícího média. Dýzy jsou velice přesné a používají se jako normály pro kalibraci jiných průtokoměrných zařízení.
6
V leteckém průmyslu je Prandtlova trubice nejpoužívanějším senzorem pro snímání rychlostí proudění. Prandtlova trubice je nejjednodušším a nejpoužívanějším senzorem pro snímání diferenčního tlaku.
Obr. 6. Princip Prandtlovy trubice
Princip je znázorněn na Obr. 6. U ústí sondy rychlost proudění ݒklesne na nulu a veškerá kinetická energie přejde v tlakovou energii. Sonda snímá celkový tlak pc, který je součtem statického tlaku ps a kinetického tlaku pd. Statický tlak může být snímán v jiném místě, než se snímá stagnační tlak pc. Potom hovoříme o Pitotově trubice a oddělené snímání statického tlaku. Platí:
ߩ ݒଶ ൌ ௌ ௗ ൌ ௌ ʹ
(9)
a při známé hustotě ρ tekutiny je její rychlost v:
ݒൌඨ
ʹሺ െ ௦ ሻ Ǥ ߩ
(10)
Tyto vzorce platí za předpokladu, že je neměnná hustota měřeného média.
2.3 Hmotnostní průtokoměry Většina průtokoměrů jsou vyráběny jako objemová měřidla. Často ovšem potřebujeme znát hmotnost měřeného média. Hmotnostní průtokoměry můžeme rozdělit na dva nejpoužívanější typy: Coriolisovy průtokoměry a tepelné hmotnostní průtokoměry.
7
2.3.1 Coriolisovy průtokoměry Princip spočívá ve využití Coriolisovy síly ሬሬሬሬԦ ܨ , která působí na těleso o hmotnosti m
ሬԦ. Proudí-li pohybující se přímočarou rychlostí ݒԦ v soustavě otáčející se úhlovou rychlostí ߱ tekutina potrubím s úhlovou rychlostí ߱ ሬԦ potom platí:
ሬሬሬሬԦ ܨ ൌ ʹ݉ሺݒԦ ൈ ߱ ሬԦሻǤ
(11)
Obr. 7. Princip Coriolisova průtokoměru
Pro změnu hmotnosti ο݉ podle Obr. 7. platí:
ሬሬሬሬԦ ȟܨ Ԧൈ߱ ሬԦሻǤ ൌ ʹȟ݉ሺݒ
(12)
ሬԦ jsou na sebe kolmé, proto vektorový součin můžeme nahradit skalárním a po Vektory ݒԦǡ ߱ ο
dosazení ݒൌ ο௧ můžeme konstatovat:
8
οܨ ൌ ʹο݉
ο݈ ο݉ ߱ൌ ʹ߱ο݈ ൌ ܳ ʹ߱ο݈ǡ οݐ οݐ
(13)
kde ܳ je hmotnostní průtok. Určení přímo síly οܨ je obtížné, proto se využívá působení momentu síly. Pro moment síly ο ܯplatí: ο ܯൌ οܨ ݈ ൌ ݈ܳ ʹ߱ο݈Ǥ
(14)
Celkový moment působící na potrubí o délce l:
ܯൌ ܳ ʹ߱ න ݈݈݀ ൌ ܮଶ ߱ܳ Ǥ
(15)
2.3.2 Tepelné anemometry
Tepelné hmotnostní průtokoměry využívají při měření průtoku vliv proudící tekutiny na šíření tepla. Změny v rozložení teploty jsou úměrné protékající hmotě plynu nebo kapaliny. Tepelné průtokoměry mají schopnost měřit přesně velmi malé průtoky nebo malé rychlosti proudění plynů ve srovnání s jinými průtokoměry. Přesnost měření určuje přesnost teplotních senzorů.
Podle charakteru tepelného působení média na čidlo a podle uspořádání měřicího systému se tepelné hmotnostní senzory průtoku dělí na dva typy: x hmotnostní termoanemometry, x kalorimetrické hmotnostní senzory.
Termoanemometry jsou založeny na snímání statické teploty okolí a snímání teploty vyhřívaného čidla. V proudícím médiu jsou přímo umístěny senzory teploty dle Obr. 8. Senzory teploty mohou představovat různé teplotně závislé elektronické součástky. Mezi ty nejběžnější patří: odporové čidla (termistor, PT 100, platinový drátek), nebo polovodičová čidla (tranzistor, dioda).
9
Obr. 8. Termoanemometr
Zpravidla jsou tyto snímače zapojeny do Wheatstonova můstku, kde se dále zpracovává elektrický signál (měří se proud, který protéká vyhřívaným čidlem, nebo se snímá napětí na diagonále můstku). Proud procházející vyhřívaným čidlem je dán tímto vztahem: ܫௌଶ ܴௌ ൌ ߣܭ ܣௌ ȟܶௌ ǡ
(16)
kde ܫௌ je proud protékající vyhřívaným čidlem (A), ܴௌ odpor vyhřívaného čidla ( ), K experimentálně zjištěná konstanta úměrnosti (m–1), ߣ tepelná vodivost tekutiny (W·m–1·K–1), Pr Prandtlovo číslo, ܣௌ plocha vnějšího povrchu vyhřívaného čidla (m2), ȟܶௌ rozdíl mezi teplotou vyhřívaného teploměru a teplotou tekutiny (K), k, n experimentálně zjištěné koeficienty, cp měrná tepelná kapacita tekutiny za konstantního tlaku (J·kg–1·K–1). V praxi se používá zjednodušený vztah: ܷ ଶ ൌ ܣ ݒܤ ǡ
(17)
kde A, B a n jsou experimentálně zjištěné konstanty. A respektuje přestupy tepla okolí při nulovém průtoku (vedení, záření), B závisí na geometrii čidla, hustotě viskozitě, tepelné vodivosti a telené kapacitě média. Pro platinové senzory je ݊ ൌ ͲǡͶͷ. Obě konstanty zahrnují také vliv Reynoldsova a Prandtlova čísla. Kalorimetrický anemometr vyhodnocuje míru oteplení způsobenou prouděním tekutiny. Uspořádání je zobrazeno na Obr. 9. Kalorimetrický senzor bývá standardně vytvořen na obtokové kapiláře. Kapilára je uprostřed opatřena topným vinutím, teplotními senzory S1 a S2, které jsou většinou tvořeny platinovými odporovými teploměry nebo jinými teplotně závislými prvky.
10
Pokud bude nulový průtok, teploty na teploměrech S1 a S2 budou stejné a hmotnostní průtok ܳ bude odpovídat červenému průběhu (viz Obr. 9.). Naměřený rozdíl mezi teplotami T1 a T2 reprezentuje výstupní signál tj. Qm. ሺܶଶ െ ܶଵ ሻ ൌ ܿܣ ܲܳ ǡ
(18)
kde A je konstanta (s2·K2·J–2), cp měrné teplo (J·kg–1·K–1), P tepelný příkon (J·s–1).
Obr. 9. Kalorimetrický anemometr
Tok v kapilárním potrubí musí mít laminární charakter. Proto je třeba zajistit laminární tok i na přímém potrubí, aby byl zachován konstantní poměr průtoku. Kalorimetrický princip se využívá pro měření malých průtoků čistých kapalin a plynů v laboratorních podmínkách. Nedostatkem je nutná znalost média. Uvedená teorie, principy a obrázky jsou převzaté z použité literatury [1], [2].
11
3 ZVOLENÁ METODA MĚŘENÍ RYCHLOSTI PROUDĚNÍ Blokové schéma je zobrazeno na Obr. 10. Jsou zde znázorněny základní části anemometru. Jádrem celého systému je mikrokontrolér. Jako uživatelské rozhraní zde slouží displej s tlačítky.
Obr. 10 Blokové schéma celého systému
Z výše uvedených metod byla vybrána metoda, která je založena na principu termoanemometru. Tato metoda zde bude detailně popsána včetně typů používaných senzorů. Obecně lze říci, že pro tento princip se hodí teplotně závislé prvky.
12
3.1 Typy senzorů V oblasti anemometrie se používají odporové teplotní senzory, které můžeme dále dělit na polovodičové senzory nebo kovové senzory. Ve skupině polovodičových senzorů jsou v této oblasti nejvíce využívané NTC nebo PTC termistory. Tyto senzory využívají teplotní závislosti odporu stejně jako kovové senzory. NTC termistory jsou nejpoužívanější ze skupiny polovodičových senzorů. Vyznačují se vysokou citlivostí a velkou nelinearitou. Mají záporný teplotní koeficient. Jsou vyráběny práškovou technologií (oxidy manganu, niklu, kobaltu atd.). Teplotní závislost odporu NTC termistoru je dána vztahem: ்ܴ ൌ ܴ ݁
ଵ ଵ ቀ ି ቁ ் ்బ ǡ
(19)
kde ்ܴ ǡ ܴ ǡ ܤǡ ܶǡ ܶ je odpor při teplotěܶ, odpor při teplotě ܶ , teplotní materiálová konstanta, teplota, kalibrační teplota. Teplotní závislosti jsou uvedeny na Obr. 11.
Obr. 11. Teplotní závislosti odporových čidel
13
Mezi kovové snímače můžeme zařadit především niklová nebo platinová čidla. Teplotní závislosti jsou uvedeny na Obr. 11. Niklové senzory se vyznačují především vysokou citlivostí a rychlou odezvou. Oproti platinovému čidlu mají nevýhodu vyšší nelinearitu, horší dlouhodobou stabilitu a odolnost vůči okolnímu prostředí. Jejich odpor je dán vztahem: ܴ௧ ൌ ܴ ሾͳ ݐܣ ݐܤଶ ݐܥଷ ݐܦସ ሿǡ
(20)
kde ܴ௧ ǡ ܴ ǡ ܣǡ ܤǡ ܥǡ ܦǡ ݐje odpor při teplotěܶ, odpor při teplotě ݐ , teplotní konstanty, teplota. Platinové senzory jsou nejvíce používanými kovovými senzory díky jejich vlastnostem. K jejich výhodám patří dlouhodobá časová stálost, malá nelinearita a životnost. Vyrábějí se v různých hodnotách základního odporu. Jejich odpor v (kladných hodnotách teploty) je dán vztahem: ܴ௧ ൌ ܴ ሾͳ ݐܣ ݐܤଶ ሿǡ
(21)
kde ܴ௧ ǡ ܴ ǡ ܣǡ ܤǡ ݐje odpor při teplotěܶ, odpor při teplotě ݐ , teplotní konstanty, teplota. V této práci bude využíván platinový senzor. Platinové čidlo bylo zvoleno pro jeho vlastnosti uvedené výše. Více bude popsáno v následující kapitole, která pojednává o platinových senzorech určených přímo k měření průtoku kapalin. Uvedená teorie, principy a obrázky jsou převzaté z použité literatury [6].
3.2 Teplotní čidlo používané v anemometrii
Jedná se o vyhřívaný platinový drátek (hot-wire/film-anemometry). Tento senzor se již mnoho let používá jako senzor v mechanice tekutin. Malý elektricky vyhřívaný prvek měří rychlost proudění okolního vzduchu. Princip spočívá v ochlazování vyhřívaného drátku proudícím médiem.
14
Tento platinový senzor se dále dělí na dva typy. Každý z nich je jinak konstrukčně uspořádán a má mírně odlišné využití. Dělí se na „hot-wire“ a „hot-film“. „Hot-film“ se obecně používá v případech, kdyby u typu „hot-wire“ hrozilo přetržení. Uvedené sondy jsou na Obr. 12.
Obr. 12. Platinové sondy
Výhodou „hot-wire“ senzorů je jejich velmi rychlá časová odezva. Proto jsou vhodné i na měření turbulencí, kde senzory založené na principu Prandtlovy trubice jsou velmi pomalé a jsou schopny dávat pouze průměrnou rychlost za určitý čas. Vztah, který určuje závislost rychlosti na napětí měřeného na „hot-wire“ senzoru je popsán Kingovým zákonem: ܷ ଶ ൌ ܣ ݒܤ ǡ
(22)
kde U je napětí, v rychlost, A,B,n jsou konstanty. U anemometrů zde popsaných se volí ݊ ൌ ͲǡͶͷ. Konstanty A a B jsou zjištěny měřením daného napětí a rychlosti a následné aproximaci dle výše uvedeného vztahu (22). Konstanty A a B jsou závislé na obvodu anemometru, rezistivitě vyhřívaného drátku a v menší míře na vlhkosti okolního vzduchu. Zde popsané senzory vyrábí dánská firma Dantec. Jsou často používané v oblasti anemometrie. Jsou však velmi drahé, protože jsou zhotoveny z drahých kovů (zlato, platina). Tyto drahé kovy jsou použity pro jejich časovou stálost. V této práci jsou použity senzory, které fungují na stejném principu. Uvedená teorie, principy a obrázky jsou převzaté z použité literatury [3].
15
3.3 Přestup tepla
Sdílení tepla rozdělujeme na tři typy. První mechanismus sdílení tepla je kondukcí (vedením). Tento způsob sdílení tepla se odehrává v látkách. Vedení tepla může probíhat jen mezi bezprostředně sousedícími částicemi. Druhý mechanismus sdílení tepla je konvencí (prouděním). Tento způsob přestupu tepla se odehrává v proudících tekutinách (kapalinách a plynech). Princip spočívá v uplatnění kinetické energie přemisťujících se částic. Posledním mechanismem sdílení tepla je radiace (sálání). Jedná se o přenos energie prostřednictvím elektromagnetického vlnění v určitém rozsahu vlnových délek. Jde o velmi složitý proces mezi dvěma tělesy. Tento proces sestává z vyzařování, pohlcování a propouštění zářivé energie. V našem případě budeme uvažovat pouze přestup tepla prouděním. V proudících tekutinách musíme uvažovat dva typy přestupu tepla: vedení tepla a sdílení tepla prouděním. Poměr těchto dvou způsobů přestupu tepla je závislý na fyzikálních vlastnostech tekutiny. Úzce souvisí s pohybem tekutin. Sdílení tepla mezi pevnou stěnou a proudící tekutinou je velmi složitý proces. Tento proces je do značné míry ovlivňován hydrodynamickými ději [5].
16
4 NÁVRH SONDY PRO MĚŘENÍ RYCHLOSTI 4.1 Výběr čidel
Pro účely měření rychlosti na bezpilotním prostředku byl vybrán snímač od německé firmy Heraeus. Výrobce udává použití tohoto senzoru přímo v oblasti anemometrie. Jedná se o platinový senzor. Odporová platinová vrstva je nanesena na nosné destičce z korundové keramiky. Platinová vrstva se nanáší naprašováním nebo napařováním ve vakuu. Díky této technologii je možno vytvořit široký výběr hodnot odporu ܴ . Rozměry senzoru jsou velmi malé (pouze ͻǡͷ݉݉ ൈ ͳǡͻ݉݉). Senzor je uveden na Obr. 13. Jmenovitá hodnota odporu čidla pro snímání proudění je ܴ ൌ ǡͺȳ nebo ܴ ൌ ͳͲͲȳ při teplotě ͲԨ. Teplotní koeficient platiny je ͵ǡͺͷ ή ͳͲିଷ ି ܭଵ . Tolerance je uváděna േͲǡͷȳ. Hodnota maximálního vyhřívacího proudu není přesně určená výrobcem. Proud musí být volen tak, aby nebyl překročen teplotního rozsah senzoru. Teplotní rozsah těchto senzoru je uváděn v rozmezí െͶͲԨ až ͶͲͲԨ. [12]
Obr. 13. Platinový senzor
17
4.2 Návrh snímače 4.2.1 První verze sondy Senzor snímaní proudění je konstrukčně situován přímo do proudu vzduchu. Naopak senzor snímání statické teploty okolí nesmí být situován v proudu vzduchu. Toto lze zajistit danou geometrií tělesa, v němž je senzor pro snímaní teploty umístěn. Konkrétní senzor je platinový odpor miniaturních rozměrů. Samotný senzor je vystaven snadnému poškození, proto je umístěn v ochranném pouzdru. Celková sonda sestává ze čtyř dílů. Navržený držák chrání senzor před mechanickým poškozením (viz Obr. 14.). Jako materiál byla zvolena mosaz. Mosaz byla zvolena pro její přijatelnou tepelnou vodivost (cíl – minimální tepelné ztráty při přestupu tepla ze senzoru na profil). Držák musel být co nejmenší pro minimální tepelné ztráty. K tomuto držáku musel být zhotoven doplněk (viz Obr. 15.), sloužící k lepšímu uchycení senzoru. Dále bylo nutné zhotovit tepelně nevodivou část, která zamezí dalšího šíření tepla ze senzoru. Jako materiál musel být zvolen teflon (vydrží i vysoké teploty). Vyhřívané čidlo (ͳͲͲԨ) by obyčejný plast (silon atd.) roztavilo. Teflonová vložka je uvedena na Obr. 16. Jako poslední část celého senzoru bylo zhotoveno mosazné těleso, které je uvedeno na Obr. 17.
4.2.2 Druhá verze sondy Z důvodu velké časové konstanty (naměřená data ke kalibraci první verzi sondy jsou uvedeny v kapitole 6) a umístění obou senzorů na jeden držák byla navržena druhá verze sondy. Senzor na snímání proudu vzduchu a na snímání teploty okolí musí být stejně vyhřívány shodným konstantním proudem. Musí tedy odvádět stejné množství tepla do okolí při nulové rychlosti proudění. Přenos tepla je popsán v kapitole 3.3. Pro tento účel byl navržen nový profil, který toto zajišťuje. Profil je zhotoven z jednoho kusu a je uveden na Obr. 18.
18
Obr. 14. Držák senzoru část 1
Obr. 15. Držák senzoru část 2
Obr. 16. Teflonová vložka
Obr. 17. Mosazné těleso
19
Obr. 18. Druhá verze sondy umožňující umístění obou čidel
Navržené sondy byly zhotoveny podle zde uvedené dokumentace. Výkresy jsou tvořeny v programu AutoCad 2011. Při pájení vývodů bylo zvoleno čtyřvodičové zapojení pro eliminaci odporu vedení. Na Obr. 19 jsou uvedeny fotografie zhotovených sond.
20
Obr. 19. Sonda (první verze, druhá verze)
4.3 Naměřené teplotní charakteristiky
Pro další postup je nutné znát závislost vyhřívacího proudu na teplotě čidla. Pro platinový senzor (ǡͺȳ) byly naměřeny následující charakteristiky. Jelikož výrobce neudává maximální vyhřívací proud, bylo nutné tento proud zjistit. Měřený senzor byl zapojen jako zátěž na napájecí zdroj. Proud senzorem byl měněn reostatem v rozsahu 50mA až 400mA. Byla snímána teplota senzoru v závislosti na proudu. Naměřená data jsou v Tab. 1. Tab. 1 Teplotní závislost
samostatný
v profilu
I[mA]
t[°C]
I[mA]
t[°C]
50,3
30
315
49,5
100
31,7
324,3
53,2
150
33,9
334
54,2
170
36,8
345
55,3
204,6
43,2
354
55,4
230,6
50,7
368
56,9
251
55,6
387,4
74,8
273
61,9
409,8
76,9
301
72,2
315
86,1
319
87,5
330
101,2 21
t[°C] 120 100
samostatný senzor
80 60
senzor umístěný v mosazném profilu
40 20 0 0
100
200
300
400
500
I[mA]
Obr. 20. Teplotní závislost
Pro účely této aplikace vyhovuje proud, který odpovídá teplotě 100Ԩ. Na Obr. 20. je vidět porovnání samostatného senzoru a senzoru umístěného v mosazném držáku. Z grafu je patrný teplotní rozdíl mezi samostatným senzorem a senzorem umístěným v mosazném držáku. Tento rozdíl je způsobený velkým teplotním přechodovým odporem mezi senzorem a profilem i přesto, že byla použita teplovodivá pasta, která měla částečně nebo úplně tento odpor eliminovat. V důsledku vyššího vyhřívacího proudu může dojít k překročení mezní teploty a následnému zničení senzoru. Teplota měřená přímo na senzoru je odlišná než teplota měřená na povrchu držáku. Tudíž maximální vyhřívací proud senzorem nesmí překročit 0,3 A! Teplota držáku při tomto proudu dosahuje kolem 60°C,což je vyhovující. Pro druhou verzi sondy byl proud stanoven na základě výpočtu. Mezní teplota udávaná výrobcem je 400°C. Teplotní koeficient platiny ߙ ൌ ͵ǡͺͷ ή ͳͲିଷ ି ܭଵ . Odpor senzoru, který je umístěný v druhém profilu je ܴ ൌ ͳͲͲȳ při teplotě 0 °C. Maximální odpor při maximální teplotě se tedy rovná: ܴସ ൌ ܴ ή ሺͳ ߙ ή οߴሻ ൌ ͳͲͲȳ ڄሺͳ ͵ǡͺͷ ή ͳͲିଷ ି ܭଵ ή ͶͲͲܭሻ ൌ ʹͷͶȳǤ
(23)
V rovnici (23) je uveden maximální odpor při maximální teplotě platinového senzoru. Pro účely této aplikace snímání proudění postačí teplota kolem 150° C odpor senzoru je
22
ܴଵହ ൌ ͳͲߗ (tato teplota je pro rychlost v rozmezí 0 – 50m/s). Po dosazení do Ohmova zákona ܷ ൌ ͺܸ (zjištěno experimentálně) a proud je roven: ܫൌ
ܷ ͺܸ ൌ ൌ ͷͲ݉ܣǤ ܴ ͳͲȳ
(24)
5 HARDWARE Na Obr. 21. je zobrazen vyhodnocovací obvod. Tato kapitola se podrobně zabývá použitými elektronickými obvody, použitými součástkami a vysvětlení obvodů včetně případných výpočtů nutných k určení hodnot jednotlivých součástek. Dále je zde popsán použitý mikrokontrolér, který je jádrem celého systému. Programové prostředky pro tento mikrokontrolér budou popsány v následující kapitole.
Obr. 21. Zhotovená deska
23
5.1 Zdroj konstantního proudu
Velmi důležitou částí hardwarového celku je zdroj konstantního proudu, který napájí obě čidla. Na tento zdroj byly kladeny požadavky vysoké stabilizace při změně odporu senzoru (zátěž). Byly zde použity tranzistory v Darligntonově zapojení k rozšíření proudového rozsahu. Na přesnost má vliv referenční napětí Zenerovy diody a zpětnovazební odpor R7. Schéma je uvedené na Obr. 22 (pozn. ve skutečnosti místo teplotně závislých odporů konektor).
Obr. 22. Zdroj konstantního proudu
Po připojení napájecího napětí VCC k obvodu podle obrázku (Obr. 22) bude napětí na odporu R3 (napětí mezi neinvertujícím vstupem 3 a zemí) rovno rozdílu napětí ܸ െ ܷ , zatímco napětí mezi vstupem 2 (invertující vstup) a zemí bude prakticky tak velké jako je napětí VCC (odporem R7 zatím neteče proud). Výstup OZ bude tedy v záporné saturaci. Tím se otevírá proudem, omezeným odporem R6, Darlingtonův tranzistor. Proud prochází jeho dráhou emitor - kolektor a tedy i odporem R7, na kterém vzniká úbytek napětí rovný úbytku na R3. Tím dochází k ustálení pracovního bodu Darlignotova tranzistoru a tedy i ke stabilizaci proudu odporem R7 i odporovým čidlem. Pro výstupní proud můžeme psát vztah: 24
ܫൌ
ܷ ǡ ܴ
(25)
kde ܷ ൌ ʹǡͶܸ pro Zenerovu diodu uvedenou ve schématu. Potom je výstupní proud roven: ܫൌ
ܷ ʹǡͶܸ ൌ ൌ ͵ͷǡʹͷ݉ܣǤ ͺȳ ܴ
(26)
Pro testovaní byl zkoušen zdroj s proměnnou zátěží, aby bylo možně zjistit chování zdroje proudu při různých hodnotách proudu. Ve finálním schématu je uveden zdroj pro jeden pevný proud, hlavně z důvodu větší časové stálosti pevných odporů před proměnnými. Následující tabulka uvádí několik hodnot konstantního proudu. Jsou zde uvedeny i odchylky od průměrné hodnoty konstantního proudu. Konstantní proud je dobře vidět na zatěžovací charakteristice Obr. 23. Naměřená data jsou uvedeny v Tab. 2. Tab. 2 Zdroj proudu
R[Ω]
I1[mA]
I2[mA]
ΔI1[μA]
ΔI2[μA]
180
45,042
50,054
-5,8
-26,4
175
45,043
50,073
-4,8
-7,4
170
45,048
50,08
0,2
-0,4
165
45,046
50,085
-1,8
4,6
160
45,035
50,09
-12,8
9,6
155
45,035
50,075
-12,8
-5,4
150
45,048
50,095
0,2
14,6
145
45,06
50,075
12,2
-5,4
140
45,049
50,09
1,2
9,6
135
45,06
50,072
12,2
-8,4
130
45,042
50,08
-5,8
-0,4
125
45,045
50,072
-2,8
-8,4
120
45,058
50,09
10,2
9,6
110
45,053
50,09
5,2
9,6
100
45,053
50,085
5,2
4,6
45,0478
50,0804
25
Proud dodávaný zdrojem proudu je konstantní (viz Obr. 23). Odchylka od průměrné hodnoty vyhřívacího proudu se pohybuje maximálně v jednotkách až desítkách ߤ ܣjak je patrno z Tab. 2. I[mA] 51
50
49 45mA
48
50mA
47
46
45
44 100
120
140
160
Obr. 23. Zatěžovací charakteristika
26
180
R[ Ω]
5.2 Napájecí obvody
Výrobcem udávané napájecí napětí mikrokontroléru řady MC9S08SH se pohybuje do 5,8V. Napájecí napětí dvouřádkového znakového displeje je +5V. Proto byl pro jejich napájení zvolen low-drop stabilizátor LT1117CST-5,0, který zajišťuje kvalitní stabilizaci napětí +5V: low-drop stabilizátory potřebují pro dostatečně kvalitní stabilizaci o 0,3V na vstupu více než je hodnota žádaného výstupního napětí. Pro další odvody (zdroj konstantního proudu a diferenční zesilovač [11]) byl použit stabilizátor téže řady. Výstupní napětí zde není pevné jako u předchozího případu, ale je určeno dvěma odpory dle doporučeného zapojení výrobce [8]. Schéma zapojení obou stabilizátorů je uvedeno na Obr. 24.
Obr. 24. Napájecí obvody
27
Napětí stabilizátoru (s nastavitelným napětím) je dáno konstantním proudem ze zdroje konstantního proudu, který napájí dva senzory. Při proudu kolem 40mA jsou úbytky na dvou senzorech 5V. Celkový úbytek je tedy 10 V. Výstupní napětí stabilizátoru VCC bylo tedy zvoleno ܷை் ൌ ͳ͵ܸ. Referenční napětí stabilizátoru je ܷோாி ൌ ͳǡʹͷܸ. Odpory R23 a R24 musí vyhovovat této rovnici (25): ܷை் ൌ ܷோாி ൬ͳ
ܴଶସ ൰ ܴଶସ ή ܫ ǡ ܴଶଷ
(27)
odpory byly zvoleny ܴଶଷ ൌ ͳͲͲȳ a ܴଶସ ൌ ͳ݇ȳ. Výstupní napětí pak bude rovno: ܷை் ൌ ܷோாி ൬ͳ
ܴଶସ ͳ݇ȳ ൰ ܴଶସ ή ܫ ൌ ͳǡʹͷܸ ൬ͳ ൰ ͳ݇ȳ ή ͷͲߤ ܣൌ ͳ͵ǡͺܸǤ ͳͲͲȳ ܴଶଷ
(28)
Operační zesilovače ani tranzistory, které jsou tímto napájením napájeny, nepožadují přesné napětí. Maximální napětí operačních zesilovačů je 32 V při nesymetrickém napájení, což je tímto stabilizátorem splněno.
28
5.3 Displej s řadičem HD44780 Ke komunikaci s uživatelem slouží zobrazovací zařízení. Toto zařízení je tvořeno displejem s řadičem HD44780. Tento řadič lze využít jak v 8bitovém tak i v 4bitovém režimu. Zde je použit 4bitový režim z důvodu úspory pinů na mikrokontroléru. Na Obr. 25. je uvedeno zapojení displeje.
Obr. 25. Zapojení displeje
K displeji je připojeno celkem 6 vodičů z mikrokontroléru. Piny 13-16 slouží pro 4bitový přenos dat. Z důvodu použití 4bitového režimu jsou piny 9-12 připojeny na zem. Pin 8 slouží k potvrzení platných dat. Pin 7 rozhoduje o tom, zda bude s displeje čteno nebo bude na displej zapisováno. V tomto případě je používán pouze zápis na displej, proto je pin 7 uzemněn. Pin 6 rozhoduje o tom, zda je příchozí bajt datový, nebo zda slouží ke konfiguraci funkcí displeje. Trimr P2 slouží k nastavení kontrastu displeje. Hodnota tohoto trimru je volena na základě doporučení výrobce. Ostatní piny slouží k napájení displeje. Odpor R26 je zde použit jako odpor pro omezení proudu podsvícení displeje.
29
5.4 Měřící obvody
Pro měření závislosti rozdílu napětí na senzorech bylo možné použít více modifikací měřícího obvodu. První možností je Wheatstoneův můstek, který je napájen konstantním proudem. Napětí úměrné rychlosti potom můžeme snímat na diagonále tohoto zapojení (viz Obr. 26.).
Obr. 26. Wheatstoneův můstek
V reálném zapojení je místo senzorů umístěn konektor. R3 přestavuje první platinový senzor (kompenzační teplotní) a R4 přestavuje druhé platinové čidlo (ochlazované proudem vzduchu). V této práci jsou senzory na konektoru zapojeny shodně, jen není použito zapojení v můstku. Jsou snímána napětí na jednotlivých senzorech. Toto napětí však musí být přepočítáno na napětí na diagonále můstku ሺܷ ሻ, aby odpovídalo závislosti rychlosti podle Kingova zákona. (Kingův zákon se používá pro jednoduchost – zjištění pouze dvou konstant, polynomicky vyjádřená závislost se však mnohem více přibližuje k reálné). Senzory napájené ze zdroje proudu jsou zapojeny v sérii, tak aby byl zajištěn shodný proud oběma senzory. Toto nám situaci poněkud komplikuje, protože napětí měřené na jednom senzoru není vztaženo vůči společnému vodiči. Tento problém však řeší obvod s operačním zesilovačem. Operační zesilovač je zapojen v diferenčním zapojení dle Obr. 27. Diferenční zesilovač má zisk rovný 1. Velké odpory na vstupu zesilovače zajišťují minimální vstupní proud do zesilovače (pro zajištění konstantního proudu do senzorů). Aby byly stejné napěťové úrovně je na výstupu (vstup do mikrokontroléru) použit odporový dělič. Tento dělič
30
je nutný pro úpravu signálů, protože A/D převodník mikrokontroléru pracuje s napěťovou referencí. U malých mikrokontrolérů jako je zde použitý je reference brána jako napájecí napětí, což je v našem případě 5V. Proto musí být upravena hodnota signálu ze senzoru na napětí maximálně 5V. Více o mikrokontroléru bude popsáno v následující podkapitole.
Obr. 27. Snímání napětí na senzorech
Poslední z pomocných měřících obvodů je obvod pro kontrolní měření proudu. Tento obvod není nezbytně nutný pro běh hardwarového celku, ale umožňuje kalibraci bez měřících přístrojů. Obvod je kalibrován na určitou hodnotu vyhřívacího proudu. Tímto obvodem je proud měřen nepřímo jako úbytek napětí na známém snímacím odporu. Tento odpor je tak malý, že neovlivňuje proud zátěží. K měření muselo být použito neinvertující zapojení operačního zesilovače. Pokud bychom použili invertující zapojení, dostali bychom se do záporného napětí. Tyto operační zesilovače jsou napájeny pouze symetricky a záporné napětí se na nesymetricky napájeném operačním zesilovači projeví jako nula. Proto je použito neinvertující zapojení, které tento problém odstraňuje. Zapojení je uvedeno na Obr. 28. Úbytek na snímacím odporu je však malý, proto musí být zesílen. Úbytek na snímacím odporu je roven: 31
ܷଵ଼ ൌ ܫή ܴଵ଼ ൌ ͵ͷǡʹͷ݉ ܣή Ͳǡ͵͵ȳ ൌ ͳǡͷܸ݉Ǥ
(29)
Obr. 28. Měření proudu
Zisk operačního zesilovače v neinvertujícím zapojení je dán odpory R19 a R20 a to podle vztahu: ܣൌ
ܷௌ் ܴଵଽ ͳͲͲ ή ͳͲଷ ൌ ൬ͳ ൰ ൌ ቆͳ ቇ ൌ ͳͲͳǤ ܷௌ் ܴଶ ͳ ή ͳͲଷ
(30)
Úbytek napětí upravený tímto zesilovačem je tedy rovno: ܷ ൌ ܣή ܷଵ଼ ൌ ͳͲͳ ή ͳǡͷܸ݉ ൌ ͳǡ͵ǡ
což vyhovuje požadavku, aby bylo napětí do vstupu mikrokontroléru menší 5V.
32
(31)
5.5 Použitý mikrokontrolér
Jako výpočetní jednotka byl zvolen mikrokontrolér vyráběný společností Freescale Semiconductor. Konkrétně se jedná o typ MC9S08SH8. Tento mikrokontrolér patří k menším z rodiny HCS08. Disponuje operační pamětí RAM 512B a FLASH pamětí (paměť pro program) 8kB. Na Obr. 29. je zobrazeno základní umístění pinů na použitém mikrokontroléru. Použitý mikrokontrolér má pouzdro TSSOP-20.
Obr. 29. TSSOP-20pin
Každý mikrokontrolér obsahuje důležité periferie. V této kapitole budou popsány pouze periferie, které jsou využívány touto aplikací. Z periferií byly využity pouze I/O porty a A/D převodníky. Tento mikrokontrolér obsahuje celkem 17 I/O pinů a jeden pouze výstupní pin. V tomto mikrokontroléru je použit aproximační A/D převodník. A/D převod může být 8bitový nebo 10bitový. Mikrokontrolér pracuje s napětím, které je vztaženo společnému vodiči. Zapojení tohoto mikrokontroléru je uvedeno na Obr. 30.
33
Obr. 30. Zapojení mikrokontroléru
Piny portu B jsou použity k ovládání displeje. Horní 4 piny slouží pro přenos dat na displej, další dva piny slouží pro potvrzovaní platných dat a nastavení módu displeje. Na portu C jsou použity A/D převodníky. Na těchto pinech se měří jednotlivá napětí na senzorech a vyhřívací proud. Na části portu A jsou definovány vstupní piny pro obsluhu mikrokontroléru pomocí tlačítek. Nejdůležitější je tlačítko MODE, kterým lze přepínat mezi jednotlivými měřícími módy. Tyto módy jsou celkem 3. Podrobněji budou popsány v kapitole 7. Tlačítko START/STOP spouští/zastavuje měření ve zvoleném módu. Poslední tlačítko slouží pouze k převodu jednotek. Toto tlačítko je funkční, pouze pokud je zvolen mód měření rychlosti. Toto tlačítko není nezbytně nutné pro chod celého systému, ale zpříjemňuje uživatelské rozhraní (letectví – knot, standard – m/s popřípadě km/h).
34
6 KALIBRACE SONDY Tato kalibrace se týká první verze sondy. Kalibrace proběhla na aerodynamickém tunelu v laboratořích fakulty elektrotechnické. Sonda napájená konstantním proudem (250 mA) byla vyhřívána na určitou teplotu (cca 45°C). Teplotu nelze s přesností určit. Velikost celé sondy zamezuje použití bezdotykového měření teploty. Dotykové měření teploty běžným teploměrem zavádělo chybu měření způsobenou odvodem tepla do sondy. Vyhřívaná sonda byla vložena do proudu vzduchu. Sonda je opatřena čtyřvodičovým zapojením důvodem je eliminace přívodních přívodů. Na senzoru jsou proudové a napěťové svorky. Na proudové svorky je připojen zdroj proudu, který napájí sondu. Z napěťových svorek je měřen úbytek napětí na sondě, který je nepřímo úměrný rychlosti proudění okolního vzduchu.
6.1 Závislost napětí na rychlosti proudícího vzduchu první verze sondy
Rychlost byla postupně zvyšována a následně snižována. V následující tabulce je uveden napájecí proud a spočítaný odpovídající odpor čidla. Odpor je spočítaný podle Ohmova zákona. Teplota zde uvedená odpovídá reálné teplotě platinového čidla. Je definována vztahem: ܴణ ൌ ܴ ή ሺͳ ߙ ή οߴሻ
(32)
kde ܴణ ǡ ܴ ǡ ߙǡ οߴ je odpor při teplotě ϑ, odpor při teplotě 0°C, teplotní součinitel ߙ் ൌ ͵ǡͺͷ ή ͳͲିଷ ή ି ܭଵ . Naměřená a vypočítaná data jsou uvedeny v Tab. 3.
35
Tab. 3 Kalibrace sondy
stoupající
U1(V)
U2(V)
v(m/s)
I(mA)
R(Ω)
t(°C)
2,208
2,20
0,00
1,976
1,98
3,10
247,48
7,98
45,09
1,938
1,94
6,30
247,48
7,83
39,44
1,908
1,91
12,90
247,48
7,72
35,00
1,888
1,89
26,10
247,49
7,64
31,94
1,8822
1,89
35,00
247,50
7,62
31,19
1,8805
1,88
43,90
247,50
7,61
30,84
1,88 1,8875 klesající
55 1,89
35,00
247,51
7,63
31,55
1,89
26,10
247,52
7,65
32,43
1,91
12,90
247,52
7,73
35,52
1,94
6,20
247,53
7,84
39,63
1,97
3,10
247,54
7,97
44,86
V uvedené tabulce jsou zaznamenány hodnoty U1, U2, I, R, t tyto veličiny představují postupně: úbytek napětí na sondě (první měření), druhé měření, vyhřívací proud, odpor senzoru a teplotu. Na Obr. 31 je zobrazena křivka závislosti ܷ ൌ ݂ሺݒሻ, kde U představuje napětí na sondě a v je rychlost proudícího média.
Obr. 31. Závislost úbutku napětí na rychlosti
36
Drift úbytku napětí byl odečten na voltmetru a odpovídal hodnotě maximálně 1mV. Na grafu je znázorněna tato změna úbytku napětí a následně odečtena změna, která se projeví v rychlosti. Drift 1mV se projeví na rychlosti jako změna o hodnotě 0,6 m/s. Tato hodnota určuje rozlišitelnost daného měření rychlosti.
6.2 Časová konstanta první verze sondy
Dále byla měřena časová konstanta sondy. Vlivem velkého teplotního přechodového odporu mezi mosazným držákem a vlastním čidlem je časová konstanta velmi vysoká. Proto byla navržena sonda, která umožňuje umístění senzoru přímo do proudu vzduchu. Uvedená sonda je popsána v kapitole 3. Časové konstanty jsou uvedené v Tab. 4. Tab. 4 Časová konstanta
časová konstanta U1[V]
t[s]
Δt[s]
1,938
90
90
1,908
70
160
1,888
30
190
1,8822
15
205
1,976
Velmi vysoká časová konstanta vedla k vytvoření druhé verze sondy. Z výše uvedených důvodů se nezabývám první verzí konstrukce sondy. Proto je hardware i software navrhovaný pouze pro druhou verzi sondy. Z této verze sondy nebyla dále zpracovávána data.
37
6.3 Teplotní nezávislost druhé verze sondy
U druhé verze sondy byla nejprve ověřena teplotní nezávislost. Vycházel jsem z předpokladu, že při nulové hodnotě rychlosti obě dvě čidla odvádí stejné teplo do okolí a jejich rozdíl úbytků napětí bude nulový. Oba senzory byly zapojeny mezi vstupy diferenčního zesilovače a v termoregulační komoře byla testována teplotní nezávislost. Pro velmi zdlouhavé nastavování teploty v termoregulační komoře byla změřena data pouze pro 5 různých teplot. Na Obr. 32. je uvedena závislost rozdílu úbytků napětí na obou sondách na teplotě.
UDIF(mV) 19,05 19 18,95 18,9 18,85 18,8 18,75 18,7 18,65 18,6 18,55 0
5
10
15
20
25
t(°C)
Obr. 32. Teplotní závislost
Rozdíl úbytků napětí na senzorech je 18,55 až 19 mV, což je způsobeno offsetem operačního zesilovače. Se změnou teploty o 20°C se rozdílové napětí změnilo o 0,5mV. Změna napětí je tak malá, že lze konstatovat teplotní nezávislost.
38
6.4 Závislost napětí na rychlosti proudícího vzduchu druhé verze sondy
Kalibrace probíhala pro 3 vyhřívací proudy (pro zjištění nejvhodnějšího). Při kalibraci byly zjištěny problémy s geometrií senzoru, a proto byly měřeny úbytky na jednotlivých senzorech samostatně. Rozdíl těchto napětí nebude výstupem diferenčního zesilovače (tento rozdíl bude prováděn softwarově). Byla naměřena data uvedené v následující tabulce (Tab. 5). Tab. 5 Závislost napětí na proudícím médiu
teplota (°C)
vlhkost
IH(mA)
IH(mA)
IH(mA)
20
55 %
24,6
37,8
53,3
ot/min
v
US
UH
US
UH
US
UH
0
2,892
2,888
5,03
4,97
8,758
8,449
200
4,2
2,843
2,791
4,805
4,547
8,07
7,255
400
8,8
2,804
2,763
4,71
4,441
7,723
6,944
800
17,6
2,77
2,745
4,497
4,371
7,22
6,72
1000
21,1
2,758
2,737
4,45
4,344
7,077
6,636
1300
29
2,745
2,732
4,402
4,32
6,901
6,545
1500
33,6
2,739
2,73
4,393
4,304
6,905
6,496
1700
38,3
2,736
2,73
4,376
4,295
6,884
6,464
2000
45
2,731
2,73
4,348
4,293
6,816
6,42
Zjišťování konstant Kingova zákona bylo prováděno podle postupu popsaného v literatuře [3]. Z Obr. 33. byly odečteny hodnoty A a B. Obr. 34. reprezentuje nalezenou závislost a skutečnou rychlost proudění vzduchu. Na grafu na Obr. 33. jsou vyneseny hodnoty U2 a v0,45. V tomto tvaru jsou zde vyneseny pro lineární závislost dle Kingova zákona. Tím se velmi usnadňuje nalezení konstant A a B. Konstanty A a B jsou tedy přímo argumenty rovnice přímky. Z uvedeného grafu je patrné, že nalezená závislost (podle Kingova zákona) odpovídá reálným hodnotám rychlosti proudění. Výsledný obvod je nakalibrován pouze na jednu hodnotu proudu.
39
U2(V2) 4,5 y = 0,746x - 0,92
4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
y = 0,0938x - 0,1358 0,5 y = 0,0052x - 0,0073 0 0
1
2
3
4
5
6
8 7 n n v (m/s )
Obr. 33. Nalezení konstant A a B U(V) 2,5
2 U=f(v) real - 37,8mA 1,5
U=f(v) aprox -37,8mA U=f(v) aprox -53,3mA
1 U=f(v) real - 53,3mA U=f(v) real - 24,6mA 0,5 U=f(v) aprox -24,6mA 0 0
10
20
30
40
50 v(m/s)
Obr. 34. Závislost napětí můstku na rychlosti proudění
40
7 SOFTWARE Tento software obsluhuje 8 bitový mikrokontrolér MC9S08SH8. Uživatelské rozhraní, které sestává ze znakového displeje a 3 tlačítek. Software umožňuje ovládat 3 měřící vstupy.
7.1 Obsluha displeje s řadičem HD44780 Obsluha displeje byla vytvořena podle katalogového listu [13]. Displej s tímto řadičem je možno využívat v 8bitovém nebo 4bitovém režimu. Pro tuto aplikaci byl zvolen 4bitový režim. Nejprve je nutné displej přepnout do 4bitového režimu. Přepnutí displeje do 4bitového módu se provede jednoduchým příkazem směrovaným na displej. Dojde-li ale k restartu mikrokontroléru, displej zůstane v 8bitovém režimu. Pro odstranění tohoto nedostatku byla vytvořena upravená inicializační metoda. Vývojový diagram je na Obr. 35. Dále byly přidány znaky s českou diakritikou.
Obr. 35. Vývojový diagram inicializace displeje
41
7.2 Obsluha AD převodníku První tlačítko START/STOP spouští/zastavuje měření ve vybraném režimu. V algoritmu jsou implementovány dva základní režimy: defaultní režim měření rychlosti a režim kalibrace. Podrobný rozhodovací strom je zobrazen na následujícím diagramu (viz Obr. 36).
Obr. 36. Vývojový diagram
42
V režimu měření rychlosti je využito i poslední tlačítko pro volbu jednotek rychlosti. Toto tlačítko je zde pouze pro pohodlné přečtení hodnoty pro různé aplikace. V hlavní části programu je implementována závislost zjištěná kalibrací sondy (kapitola 6). Tato závislost upravuje rozdíl vstupních napětí (úbytky na obou senzorech) na odpovídající rychlost proudění vzduchu.
8 ZÁVĚR Cílem této práce bylo navržení sondy a vyhodnocovacích obvodů pro měření rychlosti bezpilotního prostředku. Nejdříve byly rozebrány metody měření proudění vzduchu. Na základě tohoto teoretického podkladu byla vybrána jedna metoda a to metoda založená na principu termoanemometru. Následně byl vybrán senzor hodící se pro toto měření a pro tento senzor byl navržen držák. S konstrukcí držáku miniaturního senzoru byly největší problémy. První verze sondy neumožňovala uchycení druhého kompenzačního senzoru. Byla navrhována za předpokladu možnosti měření rychlostní závislosti při různých teplotách. Toto měření nemohlo být realizováno z důvodu omezení měřící laboratoře (aerodynamický tunel poskytuje proudění pouze jedné teploty). Proto musela být navržena druhá verze sondy. Druhá sonda umožňuje uchycení obou senzorů. Senzor snímání rychlosti proudění je situován přímo do proudu vzduchu. Návrh elektronických vyhodnocovacích obvodů proběhl bez větších obtíží. Principy zapojení byly převzaty z uvedené odborné literatury nebo z katalogových listů výrobce součástky. Funkčnost zapojení byla ověřena na zhotovených elektronických obvodech. Problém nastal při samotném cejchování druhé verze sondy. Při určité rychlosti se laminární proudění přeměňuje na prodění turbulentní. K rozlišení laminárního a turbulentního proudění se používá Reynoldsovo číslo, které je definované následujícím vztahem: ൌ
݀ݒ ǡ ߥ
(33)
kde d označuje průměr trubice, v je střední hodnota proudění kapaliny v daném průřezu a ߥ je kinematická viskozita. Důležitý je pojem kritická hodnota Reynoldsova čísla. Tato hodnota určuje, zda se jedná o laminární či turbulentní proudění (pohybuje se kolem 2000). Překročením určité rychlosti proudění vzduchu došlo ke změně na turbulentní proudění a kompenzační senzor umístěný v závětří se začal ochlazovat. Tento problém byl částečně 43
vyřešen softwarovou kompenzací vyhodnocovacího mikrokontroléru. Tato kompenzace sebou nese omezení. Senzor je použitelný pouze za předpokladu, že se teplota měřeného média nemění během měření rychlosti. V této chvíli je senzor dobře použitelný v laboratoři. Řešení tohoto problému se může provést dvěma způsoby. První způsob odděluje měření statické teploty od měření ochlazovaného senzoru vlivem proudění. Toto řešení má své nevýhody. Teplota měřená odděleně je jiná než v místě snímání rychlosti. Druhá varianta řešení spočívá v návrhu sondy, která zajistí nulové ochlazovaní kompenzačního senzoru vlivem proudění vzduchu. Nevýhoda tohoto řešení je ve složitosti geometrie dané sondy. Byly navrženy dvě verze sond. Znalosti v oblasti aerodynamiky si prohloubím na magisterském programu. Dosud jsem neměl dostatek znalostí k návrhu vhodné geometrie sondy. Všechny závěry a poznatky této práce budou zahrnuty v následující diplomové práci, která bude na tuto bakalářskou práci navazovat. Podle zadání bakalářské práce bylo navrhnout sondu a vyhodnocovací obvody. Sonda i vyhodnocovací obvody byly navrženy a dokonce i zrealizovány. Tudíž se domnívám, že zadání bakalářské práce bylo nad rámec splněno.
44
9
CITOVANÁ LITERATURA
[1] OMEGA, firma. Zpravodaj pro oblast měčení a regulace č.4. [Online] http://www.omegaeng.cz/literature/PDF/techinfo_4.pdf. [2] Ďaďo, Bejček, Platil. Měření průtoku a výšky hladiny. Praha : BEN, 2005. [3] Dr.Neu. Aerospace engineering laboratory. Hot-Wire Anemometry Experiment. [Online] http://www.dept.aoe.vt.edu/~simpson/aoe4154/hotwirelab.pdf. [4] Payne, Dr. Stephen. Department of Engineering Science at the University of Oxford. High pressure Turbine stage: chapter 4: Hot Wire Anemometry. [Online] 2001. http://www.robots.ox.ac.uk/~sjp/publns/. [5] Karel Sýkora, Josef Kalčík. Technická termomechanika. Praha : Academia, 1973. [6] Marcel, Kreidl. Měření teploty - senzory a měřicí obvody. Praha : BEN, 2004 - 2005. [7] Datasheet k stabilizátorům řady LT1117-CST. [Online] http://cds.linear.com/docs/Datasheet/1117fd.pdf. [8] A., Krejčiřík. Napájecí zdroje I. Praha : BEN - technická literatura, 1996. [9] Kadlec, Karel. Snímače průtoku – principy. odborný časopis Automa. 10, 11, 12, 2006, stránky 5-34. [10] Datasheet k mikrokontroléru řady MC9S08SH8. [Online] http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC9S08SH8.pdf?fpsp=1. [11] Datasheet k operačním zesilovačům řady LM. [Online] http://focus.ti.com/lit/ds/slos068r/slos068r.pdf. [12] Datasheet k platinovému senzoru. [Online] http://heraeus-sensortechnology.de/media/webmedia_local/media/pdfsen/l_1020_e.pdf. [13] Datasheet k řadiči HD44780. [Online] http://www.sparkfun.com/datasheets/LCD/HD44780.pdf.
45
PŘÍLOHA A Obsah přiloženého CD
Adresářová struktura disku: x
Text zprávy ve formátu PDF
x
Datasheety
x
Výkresy sondy ve formátu DWG (AutoCad) a PDF
x
Návrh hardwaru
x
Fotografie
46
PŘÍLOHA B Návrh plošného spoje DPS Celkové schéma zapojení je pro jeho velikost uvedeno pouze na přiloženém CD. Předmětem této přílohy jsou pouze plošné spoje a osazovací výkresy.
Obr. B 1. Plošný spoj a osazovací výkres (spodní vrstva)
47
Obr. B 2. Plošný spoj a osazovací výkres (horní vrstva)
48
PŘÍLOHA C Výkresy geometrie obou verzí sond
49
1.7
2
3
23
18
M2
3
5
2
M2
• •• •• • • • • •
Zpracoval:
M4
• • • •• •••• • •••••••••••• • • • • • • ••• • • • •• •• • • •• •• • • ••••••••••••••••••••••••••
• • • • ••• •• •• • ••• •• • • • •• • • • • • • • • • •
• •• • • • •••••••••• • • • • • •• •• • • •••••••••••••
• • •••• • ••••••••• • •• •• •• • • •• • • •••••••••••••••
• • • • • •• • • •• • • •••••••••••••••
50
2
2
18
M2
2
M2
3
R2
Zpracoval:
• • • •• •••• • •••••••••••• • • • • • • ••• • • • •• •• • • •• •• • • ••••••••••••••••••••••••••
• • • • ••• •• •• • ••• •• • • • •• • • • • • • • • • •
• •• • • • •••••••••• • • • • • •• •• • • •••••••••••••
Datum: • • •••• • ••••••••• • •• •• •• • • •• • • •••••••••••••••
• • • • • •• • • •• • • •••••••••••••••
51
2,5
7
M4
8
3
8
7
20
9
3
20
4
Zpracoval:
• • • •• •••• • •••••••••••• • • • • • • ••• • • • •• •• • • •• •• • • ••••••••••••••••••••••••••
• • • • ••• •• •• • ••• •• • • • •• • • • • • • • • • •
• •• • • • •••••••••• • • • • • •• •• • • •••••••••••••
• • •••• • ••••••••• • •• •• •• • • •• • • •••••••••••••••
• • • • • •• • • •• • • •••••••••••••••
52
3
10
22
26
4
7
4 M8
6
6
6
14
• •• • • •
M 2,5
Zpracoval:
• • • •• •••• • •••••••••••• • • • • • • ••• • • • •• •• • • •• •• • • ••••••••••••••••••••••••••
• • • • ••• •• •• • ••• •• • • • •• • • • • • • • • • •
• •• • • • •••••••••• • • • • • •• •• • • •••••••••••••
• • •••• • ••••••••• • •• •• •• • • •• • • •••••••••••••••
• • • • • •• • • •• • • •••••••••••••••
53
15,5
2,5
5
10
82
90
20
0,6
16,5
2
• •• •• • • • • •
• •• • • • • • • •• • • • • •
7,4
7,4
2 4xM ••• • • •• •
Zpracoval:
• • • •• •••• • •••••••••••• • • • • • • ••• • • • •• •• • • •• •• • • ••••••••••••••••••••••••••
• • • • ••• •• •• • ••• •• • • • •• • • • • • • • • • •
• •• • • • •••••••••• • • • • • •• •• • • •••••••••••••
• • •••• • ••••••••• • •• •• •• • • •• • • •••••••••••••••
• • • • • •• • • •• • • •••••••••••••••
54
