Pannon Egyetem M˝ uszaki Informatikai Kar Villamosm´ern¨ oki ´es Inform´aci´os Rendszerek Tansz´ek Villamosm´ern¨oki BSc szak ´ ekel´es ´es m´er´estechnika X. sz. laborm´er´es Erz´
H˝ om´ ers´ ekletm´ er´ es LabVIEW k¨ ornyezetben
M´er´esvezet˝o: dr. Magyar Attila
2014/2015 ˝osz
´ TARTALOMJEGYZEK
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
Tartalomjegyz´ ek 1. Bevezet´ es
2
´ 2. Altal´ anos inform´ aci´ ok
2
3. M´ er˝ ohardver 3.1. Termisztor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. M´er˝ o´ aramk¨ or . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 3 3
4. LabVIEW alap´ u m´ er˝ oprogram 4.1. Konverzi´ o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Adatgy˝ ujt´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 5 8
5. M´ er´ esadatgy˝ ujt´ es 5.1. M´er˝ o´ aramk¨ or meg´ep´ıt´ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. A LabVIEW program kieg´esz´ıt´ese adatgy˝ ujt˝o funkci´oval . . . . . . . . . . . . . 5.3. Adatok import´ al´ asa Matlab-ba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 11 12 16
6. H˝ o´ atad´ as id˝ o´ alland´ oja 6.1. Fizikai h´ att´er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. K´ıs´erlet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Adatok feldolgoz´ asa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19 19 20 20
A. Termisztor adatlap
22
1
´ ´ ´ OK ´ 2 ALTAL ANOS INFORMACI
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
1. Bevezet´ es A laborm´er´es c´elja, hogy egy egyszer˝ u k´ıs´erleten kereszt¨ ul bevezet˝ot adjon a LabVIEW alap´ u automatiz´alt m´er´esadatgy˝ ujt´esbe. A feladat egy poh´ar jeges v´ızbe m´artott gyurmadarab (vagy egy´eb, megfelel˝ oen alak´ıthat´ o anyag) bels˝o h˝om´ers´eklet´enek m´er´ese, majd a m´er´esi adatokb´ol a h˝o´atad´asi dinamika id˝ o´ alland´ oj´ anak megbecsl´ese.
´ 2. Altal´ anos inform´ aci´ ok oktat´ o Dr. Magyar Attila, email:
[email protected] id˝ otartam kb. 90 perc helysz´ın Robotika hallgat´ oi labor (I/110) sz´ amonk´ er´ es m´ odja A m´er´es sor´ an begy˝ ujt¨ott adatokat, a meg´ırt programokat egy t¨om¨or´ıtett ´allom´anyk´ent, valamint a m´er´esi jegyz˝ok¨onyvet elektronikus form´aban (pdf) kell felt¨olte´ ekel´es ´es m´er´estechnika labor kurzus megfelel˝o beni a MIK moodle1 rendszerbe, az Erz´ adand´ o feladat´ ahoz. A 2-3 oldalas jegyz˝ok¨onyv tartalmazza • a hallgat´ o nev´et, • a m´er´es menet´et • a m´er´eshez haszn´ alt hardverek t´ıpus´at, valamint gy´ari sz´am´at (amennyiben ilyen l´etezik) • a m´er´es eredm´eny´et grafikonok, ill. numerikus ´ert´ekek form´aj´aban A jegyz˝ ok¨ onyv felt¨ olt´ese ut´ an egy z´ar´oteszt meg´ır´asa ut´an alakul ki a v´egs˝o eredm´eny, ami hozz´ aad´ odik a f´el´ev v´egi zh pontjaihoz. felhaszn´ alt eszk¨ oz¨ ok A m´er´es sor´ an az al´abbi eszk¨oz¨okre lesz sz¨ uks´eg, ezek mindegyike rendelkez´esre ´ all a m´er´es helysz´ın´en. • National Instruments USB-6009-es m´er˝ok´artya • 10 kΩ -os ellen´ all´ as • NTC 640-10 K termisztor • Gyurma • Poh´ ar • J´egkocka • PC/laptop: – megfelel˝ oen telep´ıtett National Instruments LabVIEW fejleszt˝oi k¨ornyezet az adatgy˝ ujt´eshez – Matlab R2013a az ut´ olagos feldolgoz´ashoz 1
http://oktatas.mik.uni-pannon.hu
2
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
3
´ OHARDVER ˝ MER
1. ´ abra. A m´er´eshez haszn´alt eszk¨oz¨ok.
3. M´ er˝ ohardver Az NI USB-6009-es m´er˝ ok´ artya (1. ´ abra, balra) h˝om´ers´eklet m´er´es´ere nem alkalmas, ez´ert a m´erend˝o h˝om´ers´eklet egy termisztoron (1. ´abra, jobbra) es˝o fesz¨ ults´egb˝ol ker¨ ul kisz´amol´asra.
3.1. Termisztor A termisztor nem m´ as, mint egy h˝ om´ers´ekletf¨ ugg˝o ellen´all´as. A m´er´eshez haszn´alt termisztor R ellen´all´as h˝ om´ers´ekletf¨ ugg´ese az (1) ¨osszef¨ ugg´es seg´ıts´eg´evel ´ırat´o le, 1 1 R = RR exp B − (1) T TR ahol RR a termisztor TR referenciah˝ om´ers´ekleten m´ert ellen´all´asa, B pedig anyag- ´es t´ıpusf¨ ugg˝ o konstans, ´ert´eke 3977 az adott t´ıpusra. Az (1) formul´aban szerepl˝o h˝om´ers´ekletek abszol´ ut (Kelvin) sk´al´ an ´ertend˝ ok. A k´ıs´erlet sor´an haszn´alt termisztor (NTC 640-10 K) ellen´all´asa 298 K h˝om´ers´ekleten (azaz 25 ◦ C-on) 10 kΩ. A termisztor m˝ uk¨ od´ese ellen˝ orizhet˝ o, ha jeges v´ızbe (hozz´avet˝olegesen 273 K, azaz 0 ◦ C) helyezve a kapcsai k¨ oz¨ ott es˝ o fesz¨ ults´eget egy multim´eterrel m´erj¨ uk. Ily m´odon l´athat´o, mennyire van k¨ozel a m´ert ´ert´ek az (1) egyenletb˝ol sz´amolt ´ert´ekhez. A termisztoron ´atfoly´o ´aram meleg´ıt˝o hat´asa is zavarhatja a m´er´es pontoss´ag´at. Az (1) egyenletb˝ol kifejezve a h˝om´ers´ekletet megkaphat´o a (2) ¨ osszef¨ ugg´es. T =
1 1 + ln TR B
R RR
−1 (2)
3.2. M´ er˝ o´ aramk¨ or A hasz´alt adatgy˝ ujt˝ ok´ artya ellen´ all´ as m´er´es´ere nem alkalmas, ez´ert a m´erend˝o h˝om´ers´eklet a termisztoron es˝ o fesz¨ ults´egb˝ ol ker¨ ul kisz´amol´asra. A m´er˝o, illetve oszt´o´aramk¨or kapcsol´asi rajza a 2. ´ abr´ an l´ athat´ o. U1 a t´ apfesz¨ ults´eg, ami a k´ıs´erlet sor´an +5 V. Az R1 ellen´all´as 3
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
4
´ MER ´ OPROGRAM ˝ LABVIEW ALAPU
U1 R1 U2 ϑ
R GND
2. ´ abra. A m´er´eshez haszn´alt fesz¨ ults´egoszt´o ´aramk¨or. rezisztanci´aja 10 kΩ. A k´ıs´erlet sor´ an a termisztoron es˝o U2 fesz¨ ults´egjel ker¨ ul mintav´etelez´esre. A fesz¨ ults´egoszt´ o alap¨ osszef¨ ugg´esb˝ ol (3) kiindulva meghat´arozhat´o R ´ert´eke. R R1 + R
U2 = U1
(3)
Rendezve R-re az al´ abbi ¨ osszef¨ ugg´es ad´odik. R=
R1 U2 U1 − U2
(4)
Az utols´o l´ep´es a fenti (4) egyenlet behelyettes´ıt´ese a (2) modellbe, ami megadja a termisztor h˝om´ers´eklet´et a m´ert fesz¨ ults´eg f¨ uggv´enyek´ent. T (U2 ) =
1 1 + ln TR B
R1 U2 RR (U1 − U2 )
−1 (5)
Az egyenletben szerepl˝ o konstansok ¨ osszegy˝ ujtve az (1) t´abl´azatban tal´alhat´ok meg. Az (5) egyenlet Kelvin-ben adja meg a h˝ om´ers´ekletet, de k´enyelmi szempontok miatt a kimenet Celsius (vagy Fahrenheit) sk´ al´ an lesz adott. Ehhez az al´abbi formul´ak valamelyike haszn´alhat´o. TF ahrenheit = 1, 8 TKelvin − 460 TCelsius = TKelvin − 273
4. LabVIEW alap´ u m´ er˝ oprogram A k´ıs´erlet els˝ o el˝ ok´esz´ıt˝ o l´ep´ese egy LabVIEW VI (virtu´alis m˝ uszer, azaz program) ´ır´asa [2], amely elv´egzi az U2 fesz¨ ults´eg mintav´etelez´es´et ´es a (5) ¨osszef¨ ugg´es alapj´an kisz´amolja a h˝om´ers´eklet ´ert´ek´et. A VI ennek megfelel˝oen egy konverzi´os ´es egy adatgy˝ ujt˝o r´eszb˝ol fog ´allni.
4
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
Konstans TR RR B R1 U1
4
´ ek Ert´ 298 10000 3977 10000 5
´ MER ´ OPROGRAM ˝ LABVIEW ALAPU
M´ert´ekegys´eg K Ω Ω V
1. t´ abl´ azat. Az (5) egyenletben el˝ofordul´o konstansok ´ert´ekei.
4.1. Konverzi´ o 1. A LabVIEW elind´ıt´ asa ut´ an hozzunk l´etre egy u ¨res VI-t! 2. Helyezz¨ unk el egy numerikus kontrollt (numeric control), egy numerikus indik´atort (numeric indicator) ´es egy m˝ uszersk´ al´at (Gauge)! A kontroll egyel˝ore a m´er´es helyettes´ıt´es´ere szolg´al, a k´es˝ obbiekben a m´ert fesz¨ ults´eg lesz a hely´en. A feliratok megfelel˝o ´atszerkeszt´ese ut´an a m˝ uszersk´ ala Properties ablak´anak Scale panelj´an ´all´ıtsuk ´at a Scale Range mez˝o Minimal ´es a Maximal ´ert´ek´et -10-re, illetve 70-re!
3. Ments¨ uk el a VI-t! 4. L´epj¨ unk ´ at a blokk diagram ablakba (a Ctrl-E billenty˝ ukombin´aci´oval lehet v´altogatni a front panel ´es a blokk diagram ablak k¨oz¨ott) ´es huzalozzuk a numerikus kontrollt a m˝ uszersk´ ala ´es a numerikus indik´ator bemenet´ere!
5
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
4
´ MER ´ OPROGRAM ˝ LABVIEW ALAPU
5. T´erj¨ unk vissza a front panel ablakba ´es futtassuk az alkalmaz´ast folyamatos futtat´as m´odban (Run Continuously). Amennyiben helyesen m˝ uk¨odik az alkalmaz´as, a kontroll ´ ıtsuk meg a fut´ast ´ert´ek´enek v´ altoztat´ as´ aval az indik´atorok ´ert´ekei is megv´altoznak. All´ (Abort)! 6. A k¨ovetkez˝ o l´ep´es a m´ert fesz¨ ults´eg ´es a h˝om´ers´eklet k¨oz¨otti konverzi´o megval´os´ıt´asa. T´erj¨ unk vissza blokk diagram n´ezetbe ´es t¨or¨olj¨ uk az eddig bek¨ot¨ott vezet´ekeket! A CtrlB billenty˝ ukombin´ aci´ oval a szabadon maradt vezet´ekdarabok is elt´avol´ıthat´ok. 7. Helyezz¨ unk el egy Formula blokkot a blokk diagramon! Konfigur´aljuk a Formula blokkot, v´altoztassuk meg az X1 bemenetet U-ra! 8. Az 1. t´ abl´ azat ´ert´ekeinek az (5) egyenletbe helyettes´ıt´es´et ´es a Kelvin-Celsius konverzi´ot a Formula blokk szintaxisa szerint al´abbi karaktersorozat jelenti: ((1/298)+(1/3977)*ln(U/(5-U)))**(-1)-273 G´epelj¨ uk be a k´eplet mez˝ obe! A jobb oldalon l´athat´o n´egyzet z¨old sz´ıne azt jelenti, hogy a be´ırt formula szintaktikailag hibamentes. A k´eplet be´ır´asa ut´an az al´abbihoz hasonl´ o eredm´eny t´ arul el´enk.
6
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
4
´ MER ´ OPROGRAM ˝ LABVIEW ALAPU
9. T´erj¨ unk vissza a blokk diagramhoz ´es huzalozzuk a M´ert fesz¨ ults´eg kontrollt a Formula blokk V bemenet´ere. A formula blokk kimenet´et huzalozzuk a m´er˝osk´ala, illetve a numerikus indik´ ator bemenet´ere. Amennyiben t´ uls´agosan ´attekinthetetlenn´e v´alna a blokk diakram, a Ctrl-U billenty˝ u kombin´aci´oval rendet tehet¨ unk. A blokk diagram az al´abbihoz hasonl´ oan n´ez ki.
7
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
4
´ MER ´ OPROGRAM ˝ LABVIEW ALAPU
10. T´erj¨ unk vissza a front panel ablakba ´es futtassuk az alkalmaz´ast, 0 ´es 5 V k¨oz¨otti fesz¨ ults´eg´ert´ekeket megadva bemenetk´ent! Az al´abbi p´arokkal ellen˝orizhetj¨ uk a helyes m˝ uk¨od´est: M´ert fesz¨ ults´eg [V] 3,87 0,31
H˝om´ers´eklet [C] -0,166851 101,164
A tov´abbi l´ep´esekhez sz¨ uks´eg lesz az USB-6009-es m´er˝ok´arty´ara.
4.2. Adatgy˝ ujt´ es A k¨ovetkez˝o l´ep´es az USB-6009-es m´er˝ok´artya haszn´alata ´es a VI felk´esz´ıtse az adatgy˝ ujt´esre. 1. Csatlakoztassuk az USB-6009 m´er˝ok´arty´at a sz´am´ıt´og´ephez a tartoz´ek USB k´abellel! Villog´o z¨ old LED jelzi a helyes m˝ uk¨od´est. ´ epve a blokk diagram ablakba 2. A front panelen t¨ or¨ olj¨ uk a M´ert fesz¨ ults´eg [V] kontrollt! Atl´ nyissuk meg a functions palett´ at! Helyezz¨ unk egy DAQ Assistant blokkot a blokk diagramon! V´ alasszuk az Acquire Signals → Analog Input → Voltage lehet˝os´eget!
3. A k¨ovetkez˝ o ablakan v´ alasszuk ki az ai0 csatorn´at a m´er´eshez. Ehhez egy adott csatlakoz´ o tartozik az eszk¨ oz¨ on. Kattitsunk a Finish gombra!
8
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
4
´ MER ´ OPROGRAM ˝ LABVIEW ALAPU
4. Megny´ılik a DAQ Assistant dial´ogusablak. A Configuration panelon az al´abbiakat ´all´ıtsuk be: Terminal Configuration= RSE (Reference Single Ended) - ez azt jelenti, hogy a GND csatlakoz´ ohoz k´epest m´erj¨ uk a jelet. Signal Input Range: Max=5 V, Min=0 V Scaled Units= Volts Acquisition Mode= N Samples Samples to Read= 10 Rate (Hz)= 1 k A dial´ ogusablak az al´ abbihoz hasonl´oan n´ez ki.
9
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
4
´ MER ´ OPROGRAM ˝ LABVIEW ALAPU
5. A DAQ Assistant blokk konfigur´al´as´anak befejez´es´ehez kattintsunk a Ok gombra! 6. Helyezz¨ unk egy numerikus indik´ atort a blokk diagramon Fesz¨ ults´eg n´evvel!
7. L´epj¨ unk ´ at a front panelra ´es futtassuk a VI-t! Hasonl´ok´eppen fog kin´ezni. 10
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
5
´ ESADATGY ´ ˝ ES ´ MER UJT
5. M´ er´ esadatgy˝ ujt´ es 5.1. M´ er˝ o´ aramk¨ or meg´ ep´ıt´ ese A k¨ovetkez˝o l´ep´es a fesz¨ ults´egoszt´ o ´ aramk¨or meg´ep´ıt´ese. Ez t¨ort´enhet forraszt´assal, illetve pr´obapanelon is, a m´er´esvezet˝ o javaslata alapj´an. ´ ıts¨ 1. Ep´ uk meg az 2. ´ abr´ an l´ athat´ o m´er˝o´aramk¨ort! Csatlakoztassuk a 10 kΩ-os ellen´all´as egyik l´ ab´ at az adatgy˝ ujt˝ ok´ artya 31-es csatlakoz´oj´ara! Az ellen´all´as m´asik l´ab´at k¨oss¨ uk ¨ossze a termisztor egyik l´ ab´ aval, a termisztor m´asik l´ab´at pedig k¨oss¨ uk az adatgy˝ ujt˝ok´artya 1-es csatlakoz´ oj´ ara! Az ellen´ all´ as ´es a termisztor k¨oz¨os csatlakoz´oj´at k¨oss¨ uk a m´er˝ok´artya 2-es csatakoz´ oj´ ara! A M´er˝ oeszk¨ oz l´abkioszt´asa az al´abbi ´abr´an l´athat´o.
11
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
5
´ ESADATGY ´ ˝ ES ´ MER UJT
2. Futtassuk le a kor´ abban meg´ırt VI-t, ´es tesztelj¨ uk a sz´am´ıt´og´ep alap´ u h˝om´er˝onket! A termisztort megd¨ orzs¨ olve, vagy r´af´ ujva mi tapasztalhat´o? Mer´ıts¨ uk a termisztort egy poh´ar jeges v´ızbe, ´es figyelj¨ uk meg, mi t¨ort´enik!
5.2. A LabVIEW program kieg´ esz´ıt´ ese adatgy˝ ujt˝ o funkci´ oval A k¨ovetkez˝o l´ep´es a VI tov´ abbfejleszt´ese, hogy k´epes legyen egy adott frekvenci´aval t¨ort´en˝ o mintav´etelez´esre, valamint a m´ert adatok napl´oz´as´ara. 1. Nyissuk meg a kor´ abban meg´ırt VI blokk diagram ablak´at! 2. Keress¨ uk meg, ´es helyezz¨ unk el a blokk diagramon egy Collector blokkot! A megjelen˝ o dial´ogusablakban a Maximum number of samples ´ert´ek´et ´all´ıtsuk 10000-re! 3. Keress¨ uk meg ´es helyezz¨ unk el a blokk diagramon egy Write To Measurement File blokkot! A megjelen˝ o dial´ ogusablakban az al´abbiakat ´all´ıtsuk be: Filename= Tall´ ozzunk be egy k¨onyvt´arat, ´es adjunk meg egy tetsz´es szerinti f´ajlnevet! File Format= Text (LVM) Segment Headers= No headers X Value Columns= One column only Delimiter= Tabulator If a file already exists= Overwrite file
12
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
5
´ ESADATGY ´ ˝ ES ´ MER UJT
4. Huzalozzuk a Formula blokk Results kimenet´et a Collector blokk Signals bemenet´ere ´es a Collector blokk Collected Signal kimenet´et k¨oss¨ uk a Write To Measurement File blokk Signals bemenet´ere!
13
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
5
´ ESADATGY ´ ˝ ES ´ MER UJT
5. Futtassuk a VI-t egy p´ ar m´ asodpercig, majd ´all´ıtsuk meg a fut´as´at! Nyissuk meg az el˝oz˝oleg megadott el´er´esi u ´tvonalon tal´alhat´o adatf´ajlt egy egyszer˝ u sz¨ovegszerkeszt˝ovel (pl. Jegyzett¨ omb)! A f´ ajl tartalma hasonl´o az al´abbihoz.
6. A f´ajl 10 sora tartalmazza az ¨ osszegy˝ ujt¨ott adatokat, az els˝o oszlopban a m´asodpercben adott m´er´esi id˝ opontok, a m´ asodik oszlopban pedig a h˝om´ers´eklet adatok tal´alhat´ok. Mivel a DAQ Assistant blokkban a mintav´eteli frekvencia megadott ´ert´eke 1 kHz, a m´er´esek k¨ oz¨ ott eltelt id˝ o 0,001 s (1 ms). Mind¨ossze 10 adat ker¨ ult beolvas´asra, mivel a DAQ Assistant blokk Samples to Read ´ert´ek´et 10-re ´all´ıtottuk. 7. A DAQ Assistant blokk mintav´eteli frekvenci´aj´anak 1 kHz ´ert´eke t´ uls´agosan magas egy lassan v´ altoz´ o h˝ om´ers´eklet´ert´ek mintav´etelez´es´ehez, tov´abb´a feleslegesen nagy mennyis´eg˝ u ´ adat ker¨ ul ily m´ odon napl´ oz´ asra. All´ıtsuk ´at a mintav´eteli frekvencia ´ert´ek´et 10 Hz-re, ez percenk´ent 600 mint´ at jelent, ami m´ar egy k¨onnyebben kezelhet˝o adatmennyis´eg.
14
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
5
´ ESADATGY ´ ˝ ES ´ MER UJT
8. A VI jelen form´ aj´ aban az adatgy˝ ujt´es egyszer fut le, megt¨ort´enik az adatok napl´oz´asa, majd meg´ all a fut´ as. A haszn´ alhat´os´ag n¨ovel´ese ´erdek´eben lehet˝ov´e kell tenn¨ unk, hogy a VI tetsz˝ oleges ideig futhasson (ezalatt folyamatos adatgy˝ ujt´es t¨ort´enjen), ´es le´all´ıt´askor f´ajlba ´ırja az adatokat. Ehhez egy ciklusra lesz sz¨ uks´eg. Nyissuk meg a DAQ Assistant blokk Properties dial´ ogusablak´ at! A Configuration panel alj´an a Timing Settings ´ert´ekeket ´ all´ıtsuk az al´ abbiakra: Acquisition Mode= N Samples Samples to Read= 5 Rate= 10
9. A functions palett´ an keress¨ uk meg a While Loop-ot ´es helyezz¨ uk a blokk diagramra! Az elhelyez´es u ´gy t¨ ort´enik, hogy a blokk diagramon egy kattint´assal kijel¨olj¨ uk ciklus bal fels˝o sark´ anak hely´et, majd a jobb als´o sarkot is. Az a k´odr´eszlet, ami a kereten bel¨ ulre ker¨ ult, ciklikusan fog v´egrehajt´ odni. A Write To Measurement File blokk kiv´etel´evel minden ker¨ ulj¨ on bele a ciklusba! 10. A ciklus jobb als´ o sark´ aban tal´ alhat´o Loop Condition ikonra a jobb eg´ergombbal kattintva v´ alasszuk a Create Control lehet˝os´eget! Ez´altal egy Stop gomb jelenik meg a front panelen (´es egy hozz´ a tartoz´o termin´al a blokk diagamon).
15
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
5
´ ESADATGY ´ ˝ ES ´ MER UJT
5.3. Adatok import´ al´ asa Matlab-ba 1. Futtassuk a VI-t k¨ or¨ ulbel¨ ul 10 m´asodpercig! A fut´as sor´an l´etrej¨ov˝o f´ajl k¨or¨ ulbel¨ ul 100 h˝om´ers´ekletmint´ at tartalmaz. A fut´as ideje alatt d¨orzs¨olj¨ uk az ujjainkkal a termisztort, vagy f´ ujjunk r´ a (tegy¨ uk ki h˝ o hat´as´anak), hogy v´altoz´o h˝om´ers´eklet´ert´ekeket gy˝ ujts¨ unk be! 2. Nyissuk meg az adatf´ ajlt Jegyzet¨omb-ben! A Ctrl-H billenty˝ ukombin´aci´oval jelen´ıts¨ uk meg a Csere dial´ ogusablakot! A Keresend˝ o: mez˝oben adjunk meg egy , karaktert, a Csere erre: mez˝ oben pedig adjunk meg egy . karaktert, majd kattintsunk Az ¨ osszes cser´ eje gombra! 16
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
5
´ ESADATGY ´ ˝ ES ´ MER UJT
3. Nyissuk meg a Matlab-ot! Az eszk¨ozt´ar alatt tal´alhat´o tall´oz´as ( ) ikonra kattintva tall´ozzuk be a m´er´esi adatokat tartalmaz´o f´ajlt! A Current Folder ablakban kattintsunk a jobb eg´ergombbal a f´ ajlra, ´es v´ alasszuk az Import Data. . . lehet˝os´eget!
4. Az import´ al´ as var´ azsl´ oban jel¨ olj¨ uk ki az A adatoszlop felett l´athat´o VarName1 v´altoz´ot t-re, a VarName2-t pedig T-re! Az Unimportable cells mez˝oben hozzuk l´etre a k¨ovetkez˝o szab´ alyt: Replace , ., majd kattintsunk az Import Selection gombra! Ezzel a begy˝ ujt¨ ott adatsorokabn a tizedesvessz˝ot tizedespontra cser´elt¨ uk. Erre az´ert van sz¨ uks´eg, mert a Matlab tizedespontokat haszn´al tizedesvessz˝ok helyett.
17
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
5
´ ESADATGY ´ ˝ ES ´ MER UJT
5. Ha siker¨ ult az import´ al´ as, a f˝ oablak Workspace mez˝oj´eben l´athat´o a frissen import´alt t ´es a T vektor. 6. A Command Window parancssor´aba a k¨ovetkez˝o sort g´epelve megtekinthetj¨ uk a h˝om´ers´eklet id˝of¨ uggv´enyt: >>plot(t,T)
18
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
6
˝ ATAD ´ ´ IDO ˝ ALLAND ´ ´ HO AS OJA
Z´arjuk be az ablakot, k´eszen ´ allunk a k´ıs´erlet elv´egz´es´ere.
6. H˝ o´ atad´ asi folyamat id˝ o´ alland´ oj´ anak meghat´ aroz´ asa 6.1. Fizikai h´ att´ er A vizsg´alt folyamatot a fizik´ aban koncentr´ alt param´eter˝ u tranziens h˝ ovezet´esnek h´ıvj´ak [1]. Tekints¨ unk egy kis t¨ omeg˝ u egyenletes T0 kiindul´asi h˝om´ers´eklet˝ u testet, ami egy T∞ h˝om´ers´eklet˝ u folyad´ekba ker¨ ul. A test h˝ om´ers´eklet eloszl´asa a tov´abbiakban is homog´en (mivel koncentr´alt param´eter˝ u a folyamat), azaz a testen bel¨ uli h˝ovezet´es elhanyagolhat´o. A test aktu´alis T h˝om´ers´eklet´enek id˝ of¨ uggv´enye T − T∞ hA = exp − t , (6) T0 − T∞ ρcV ahol A ´es V jel¨ olik a test felsz´ın´et ´es t´erfogat´at, ρ ´es c az anyag s˝ ur˝ us´ege, illetve fajh˝oje, h pedig a folyad´ek h˝ ovezet´esi egy¨ utthat´ oja. Jelen m´er´esnek nem c´elja a (6) k´epletben szerepl˝ o ¨osszes anyagi ´ alland´ o meghat´ aroz´ asa, ez´ert (6) ´at´ırhat´o az egyszer˝ ubb (7) alakba. t T − T∞ = (T0 − T∞ ) exp − (7) τ A τ = ρhcAV mennyis´eg a folyamat id˝ o´ alland´ o ja, ami megadja, hogy a rendszer milyen gyorsan reag´al a h˝om´ers´ekletv´ altoz´ asokra. Jelen esetben a T − T∞ k¨ ul¨onbs´eg cs¨okken az e−1 szeres´ere 19
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
6
˝ ATAD ´ ´ IDO ˝ ALLAND ´ ´ HO AS OJA
(≈ 63 %) τ id˝ o eltelt´evel. N´egy id˝ o´ alland´o eltelt´evel a k¨ ul¨onbs´eg 98 %-kal cs¨okken a kiindul´asi ´ert´ek´ehez k´epest. Az exponenci´ alis jelleg˝ u lecseng´esek (be´all´asok) jellemz˝oen 4-5 id˝o´alland´ o ut´an ker¨ ulnek ´ alland´ osult ´ allapotba.
6.2. K´ıs´ erlet A k´ıs´erlet sor´ an az el˝ oz˝ oleg meg´ep´ıtett m´er˝o´aramk¨or, valamint a meg´ırt LabVIEW VI seg´ıts´eg´evel h˝om´ers´eklet m´er´es, ´es a m´ert adatok anal´ızise lesz a feladat. Egy kis m´eret˝ u, g¨omb¨oly˝ u t´argy (gyurma) bels˝ o h˝ om´ers´eklet´et fogjuk m´erni, mik¨ozben ugr´asszer˝ u h˝om´ers´ekletv´altoz´asnak lesz kit´eve (egy poh´ ar jeges v´ızbe mer´ıtj¨ uk). Az adatok Matlab-ba val´o import´al´asa ut´an ´abr´azoljuk a h˝om´ers´ekletet az id˝ o f¨ uggv´eny´eben, ´es g¨ orbeilleszt´essel meghat´arozzuk az (7) ¨osszef¨ ugg´esben szerepl˝o τ id˝ o´ alland´ ot. A pontos becsl´es ´erdek´eben a m´er´esnek legal´abb (az el˝ore nem ismert) id˝o´alland´ o n´egyszeres´eig kell tartania. Mivel a h˝om´ers´ekletv´altoz´as lass´ u folyamat, az adatgy˝ ujt´es tartson legal´ abb 2-5 percig! Term´eszetesen ez az id˝o a test anyag´at´ol ´es m´eret´et˝ol is f¨ ugg. 1. Keress¨ unk egy k´ıs´erleti alanyt! A javasolt gyurmagoly´on k´ıv¨ ul m´as anyag is haszn´alhat´o, a l´enyeg, hogy bele lehessen ´ agyazni a termisztort. 2. K´esz´ıts¨ uk el˝ o a jeges f¨ urd˝ ot! Tegy¨ unk min´el t¨obb jeget egy poh´arba, ´es ¨onts¨ uk fel hideg v´ızzel! V´ arjunk, am´ıg a f¨ urd˝o el´eri az egyens´ ulyi h˝om´ers´ekletet, ez ellen˝orizhat˝o az elk´esz´ıtett m´er˝ oeszk¨ ozzel is. A termisztor B ´ert´ek´enek sz´or´asa, illetve a termisztoron ´atfoly´o ´ aram okozta meleged´es miatt nem biztos, hogy 0 ◦ C-ra fog be´allni a h˝om´ers´eklet. ´ 3. Agyazzuk be a termisztort a k´ıs´erleti objektumba! A r¨ovidz´ar elker¨ ul´ese ´erdek´eben c´elszer˝ u elszigetelni a csupasz l´ abakat, valamint vezet´ekdarabokat. Ellen˝orizz¨ uk, hogy az objektum val´ oban szobah˝ om´ers´eklet˝ u-e! Min´el magasabb a kiindul´asi h˝om´ers´eklet, ann´al pontosabb lesz az illeszt´es. 4. Mer´ıts¨ uk a k´ıs´erleti testet a jeges f¨ urd˝obe! Figyelj¨ unk r´a, hogy az adatgy˝ ujt´es azonnal elkezd˝ odj¨ on (egy m´ asodperc is sz´am´ıt)! 5. M´erj¨ uk a h˝ om´ers´ekletet 2-5 percig! A m´er´est addog folytassuk, am´ıg a h˝om´ers´ekletv´altoz´ as m´ar alig ´eszlelhet˝ o! 6. A m´er´es v´eg´en m´erj¨ uk meg a h¨ ut˝ofolyad´ek T∞ h˝om´ers´eklet´et is! 7. A kor´abban megismert m´ odon import´aljuk az adatsort Matlab-ba!
6.3. Adatok feldolgoz´ asa A telep´ıtett Matlab verzi´ ot´ ol f¨ ugg˝ oen a k¨ovetkez˝okben hivatkozott be´all´ıt´asok, illetve elnevez´esek n´emileg k¨ ul¨ onb¨ oz˝ oek lehetnek az itt le´ırthoz k´epest. 1. Hozzunk l´etre egy u ´j v´ altoz´ ot Tdiff n´even az al´abbi utas´ıt´as parancssorba g´epel´es´evel: >>Tdiff=T-min(T); Ezzel levontuk a h˝ om´ers´eklet adatsor minim´alis ´ert´ek´et (T∞ ) a vektor ¨osszes elem´eb˝ol.
20
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
6
˝ ATAD ´ ´ IDO ˝ ALLAND ´ ´ HO AS OJA
2. Adjuk ki a k¨ ovetkez˝ o utas´ıt´ ast a parancsorban: >>cftool A megjelen˝ o Curve Fitting Tool seg´ıts´eg´evel fogjuk a g¨orbeilleszt´est elv´egezni. (a) Az X data ´ert´ek´en´el v´ alasszuk ki a t v´altoz´ot a leg¨ord¨ ul˝o men¨ uben! (b) Az Y data ´ert´ek´en´el v´ alasszuk ki a Tdiff v´altoz´ot! (c) Az ablak k¨ ozep´en tal´ alhat´ o Interpolant ´ert´eket v´altoztassuk meg Exponentialra, ezzel egy Tdif f = a exp(b t) alak´ u egyenletet fogunk illeszteni az adatsorra. Az al´ abbihoz hasonl´ o eredm´enyt fogjuk kapni.
3. A Results mez˝ oben tal´ alhat´ o a legjobban illeszked˝o exponenci´alis kifejez´es a ´es b egy¨ utthat´oj´anak ´ert´eke. Az R-square ´ert´ek az illeszt´es j´os´ag´at adja meg. 4. Az illesztett egyenlet seg´ıts´eg´evel hat´arozzuk meg a keresett τ id˝o´alland´ot! A fenti 1 ´abr´an a kitev˝ o egy¨ utthat´ oja −0, 04006, vagyis az id˝o´alland´o ´ert´eke 0,04006 ≈ 24, 96 s. 21
H˝om´ers´ekletm´er´es LabVIEW k¨ ornyezetben
A
TERMISZTOR ADATLAP
Term´eszetesen az itt le´ırtt´ ol ak´ ar nagy m´ert´ekben k¨ ul¨onb¨oz˝o ´ert´ekek is ad´odhatnak, hiszen ez f¨ ugg a test anyag´ at´ ol, t´erfogat´at´ol, stb. Amennyiben az id˝ o engedi, ´erdemes megism´etelni a k´ıs´erletet egy m´as anyag´ u, vagy m´as t´erfogat´ u testtel. Az el˝ ozetes elv´ ar´ asoknak megfelel˝o ir´anyban ´es ´ert´ekkel v´altozott az id˝o´alland´ o?
Hivatkoz´ asok [1] J. P. Holman. Heat Transfer. McGraw-Hill, 2010. [2] National Instuments, www.ni.com/pdf/manuals/373427h.pdf. Getting Started with LabVIEW, June 2012.
A. Termisztor adatlap
22
BCcomponents
Product specification
NTC thermistors, accuracy line FEATURES
• Accuracy over a wide temperature range • High stability over a long life • Excellent price/performance ratio. APPLICATION
• Temperature sensing and control.
2322 640 3/4/6....
QUICK REFERENCE DATA PARAMETER
VALUE
Resistance value at 25 °C
3.3 Ω to 470 kΩ
Tolerance on R25-value
±2%; ±3%; ±5%; ±10%
Tolerance on B25/85-value
±0.5% to ±3%
Maximum dissipation
500 mW
Response time
1.2 s
Operating temperature range: at zero dissipation; continuously
−40 to +125 °C
DESCRIPTION
at zero dissipation; for short periods
≤150 °C
These thermistors have a negative temperature coefficient. The device consists of a chip with two tinned solid copper-plated leads. It is grey lacquered and colour coded, but not insulated.
at maximum dissipation (500 mW)
0 to 55 °C
Climatic category
40/125/56
Mass
≈0.22 g
MARKING The thermistors are marked with colour bands in accordance with Fig.1 and Table 2. MOUNTING By soldering in any position.
2001 Sep 27
2
BCcomponents
Product specification
NTC thermistors, accuracy line
2322 640 3/4/6....
MECHANICAL DATA Outline
B
T
H2
Ι ΙΙ ΙΙΙ ΛΙ
H1
L
CCB281
d P
For dimensions see Table 1.
Fig.1 Component outline 2322 640 6.331 to 6.474. Table 1
Physical dimensions for relevant type; see Fig.1 H1 (mm)
CODE NUMBER 2322 640 .....
Bmax (mm)
d (mm)
MIN.
MAX.
6.331 to 6.474
3.3 ±0.5
0.6 ±0.06
−
2.0 ±1.0
6.338 to 6.221
5.0
0.6 ±0.06
1.0
4.0
2001 Sep 27
3
H2 max (mm)
L (mm)
P (mm)
Tmax (mm)
6.0
24 ±1.5
2.54
3.0
6.0
24 ±1.5
2.54
4.0
BCcomponents
Product specification
NTC thermistors, accuracy line
2322 640 3/4/6....
ORDERING INFORMATION Table 2
R25-values, catalogue numbers and coding
R25 (Ω )
B25/85-VALUE
COLOUR CODE (see Fig.1 and note 1)
CATALOGUE NUMBER 2322 640 6.... R25 ±2%
R25 ±3%
R25 ±5%
R25 ±10%
I
II
3.3
2880 K ±3%
4338
6338
3338
2338
orange
orange
gold
4.7
2880 K ±3%
4478
6478
3478
2478
yellow
violet
gold
6.8
III
2880 K ±3%
4688
6688
3688
2688
blue
grey
gold
10
2990 K ±3%
4109
6109
3109
2109
brown
black
black
15
3041 K ±3%
4159
6159
3159
2159
brown
green
black
22
3136 K ±3%
4229
6229
3229
2229
red
red
black
33
3390 K ±3%
4339
6339
3339
2339
orange
orange
black
47
3390 K ±3%
4479
6479
3479
2479
yellow
violet
black
68
3390 K ±3%
4689
6689
3689
2689
blue
grey
black
100
3560 K ±0.75%
4101
6101
3101
2101
brown
black
brown
150
3560 K ±0.75%
4151
6151
3151
2151
brown
green
brown
220
3560 K ±0.75%
4221
6221
3221
2221
red
red
brown
330
3560 K ±0.75%
4331
6331
3331
2331
orange
orange
brown
470
3560 K ±0.5%
4471
6471
3471
2471
yellow
violet
brown
680
3560 K ±0.5%
4681
6681
3681
2681
blue
grey
brown
1000
3528 K ±0.5%
4102
6102
3102
2102
brown
black
red
1500
3528 K ±0.5%
4152
6152
3152
2152
brown
green
red
2000
3528 K ±0.5%
4202
6202
3202
2202
red
black
red
2200
3977 K ±0.75%
4222
6222
3222
2222
red
red
red
2700
3977 K ±0.75%
4272
6272
3272
2272
red
violet
red
3300
3977 K ±0.75%
4332
6332
3332
2332
orange
orange
red
4700
3977 K ±0.75%
4472
6472
3472
2472
yellow
violet
red
6800
3977 K ±0.75%
4682
6682
3682
2682
blue
grey
red
2001 Sep 27
4
BCcomponents
Product specification
NTC thermistors, accuracy line
R25 (Ω )
2322 640 3/4/6....
CATALOGUE NUMBER 2322 640 6....
B25/85-VALUE
COLOUR CODE (see Fig.1 and note 1)
R25 ±2%
R25 ±3%
R25 ±5%
R25 ±10%
10000
3977 K ±0.75%
4103
6103
3103
2103
brown
black
orange
12000
3740 K ±2%
4123
6123
3123
2123
brown
red
orange
15000
3740 K ±2%
4153
6153
3153
2153
brown
green
orange
22000
3740 K ±2%
4223
6223
3223
2223
red
red
orange
33000
4090 K ±1.5%
4333
6333
3333
2333
orange
orange
orange
47000
4090 K ±1.5%
4473
6473
3473
2473
yellow
violet
orange
68000
4190 K ±1.5%
4683
6683
3683
2683
blue
grey
orange
100000
4190 K ±1.5%
4104
6104
3104
2104
brown
black
yellow
150000
4370 K ±2.5%
4154
6154
3154
2154
brown
green
yellow
220000
4370 K ±2.5%
4224
6224
3224
2224
red
red
yellow
330000
4570 K ±1.5%
4334
6334
3334
2334
orange
orange
yellow
470000
4570 K ±1.5%
4474
6474
3474
2474
yellow
violet
yellow
Note 1. Dependent upon R25-tolerance, the band IV is coloured as follows: a) for R25 ±2%, band IV is coloured red b) for R25 ±3%, band IV is coloured orange c) for R25 ±5%, band IV is coloured gold d) for R25 ±10%, band IV is coloured silver.
2001 Sep 27
5
I
II
III
BCcomponents
Product specification
NTC thermistors, accuracy line
2322 640 3/4/6....
RT value and tolerance
Determination of the resistance/temperature deviation from nominal value
These thermistors have a narrow tolerance on the B-value, the result of which provides a very small tolerance on the nominal resistance value over a wide temperature range. For this reason the usual graphs of R = f(T) are replaced by Tables 4 through 16, together with a formula to calculate the characteristics with a high precision.
The total resistance deviation is obtained by combining the ‘R25-tolerance’ and the ‘resistance deviation due to B-tolerance’. When: X = R25-tolerance
Formulae to determine nominal resistance values(1)
Y = resistance deviation due to B-tolerance
The resistance values at intermediate temperatures, or the operating temperature values, can be calculated using the following interpolation laws (extended “Steinhart and Hart”):
Z = complete resistance deviation,
R (T) = R ref × e
2
A+B⁄T+C⁄T +D⁄T
then:
× 100 %
or Z ≈ X + Y.
3
2 R 3 R –1 R T (R) = A 1 + B 1 ln ---------- + C 1 ln ---------- + D 1 ln ---------- R ref R ref R
Y X Z = 1 + ---------- × 1 + ---------- – 1 100 100
(1)
When: TC = temperature coefficient
(2)
∆T = temperature deviation,
ref
Z then: ∆ T = -------TC
where: A, B, C, D, A1, B1, C1 and D1 are constant values depending on the material concerned; see Table 3.
The temperature tolerances are plotted in Figs 3, 4, 5, 6, 7 and 8.
Rref is the resistance value at a reference temperature (in this event 25 °C).
Example: at 0 °C, assume X = 5%, Y = 0.89% and TC = 5.08%/K (see Table 11), then: 0.89 5 Z = 1 + ---------- × 1 + ----------- – 1 × 100% 100 100
T is the temperature in K.
· = { 1.05 × 1.0089 – 1 } × 100% = 5.9345% ( ≈ 5.93% ) Z 5.93 ∆ T = -------- = ----------- = 1.167 ° C ( ≈ 1.17 ° C) TC 5.08 A NTC with a R25-value of 10 kΩ has a value of 32.56 kΩ between −1.17 and +1.17 °C.
(1) Formulae numbered (1) and (2) are interchangeable with an error of max. 0.005 °C in the range 25 °C to 125 °C and max. 0.015 °C in the range −40 °C to +25 °C.
2001 Sep 27
6
BCcomponents
Product specification
NTC thermistors, accuracy line Table 3
2322 640 3/4/6....
Parameters for determining nominal resistance values
B25/85-VALUE (K)
A
B (K)
C (105K2)
D (106K3)
A1 (10−3)
B1 (10−4K−1)
C1 (10−6K−2)
D1 (10−7K−3) 4.260615
2880
−9.094
2251.74
229098
−27.4482
3.354016
3.495020
2.095959
2990
−10.2296
2887.62
132336
−25.0251
3.354016
3.415560
4.955455
4.364236
3041
−11.1334
3658.73
−102895
0.516652
3.354016
3.349290
3.683843
7.050455
3136
−12.4493
4702.74
−402687
31.96830
3.354016
3.243880
2.658012
−2.70156
3390
−12.6814
4391.97
−232807
15.09643
3.354016
2.993410
2.135133
−8.05672
3528(1)
−12.0596
3687.667
−7617.13
−5914730
3.354016
2.909670
1.632136
0.719220
3528(2)
−21.0704
11903.95
−2504699
247033800
3.354016
2.933908
3.494314
−7.71269
3560
−13.0723
4190.574
−47158.4
−11992560.91 3.354016
2.884193
4.118032
1.786790
3740
−13.8973
4557.725
−98275
−7522357
3.354016
2.744032
3.666944
1.375492
3977
−14.6337
4791.842
−115334
−3730535
3.354016
2.569355
2.626311
0.675278
4090
−15.5322
5229.973
−160451
−5414091
3.354016
2.519107
3.510939
1.105179
4190
−16.0349
5459.339
−191141
−3328322
3.354016
2.460382
3.405377
1.034240
4370
−16.8717
5759.15
−194267
−6869149
3.354016
2.367720
3.585140
1.255349
4570
−17.6439
6022.726
−203157
−7183526
3.354016
2.264097
3.278184
1.097628
Notes 1. Temperature < 25 °C. 2. Temperature ≥25 °C.
2001 Sep 27
7
