VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A INFORMATIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMATION AND COMPUTER SCIENCE
POČÍTAČOVÉ MĚŘENÍ TEPLOTY COMPUTERIZED MEASUREMENT OF TEMPERATURE
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR' S THESIS
AUTOR PRÁCE
MARTIN MOKRÝ
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2007
ING.DANIEL ZUTH
Strana3
ZADÁNÍ ZÁVĚREČNÉ PRÁCE (na místo tohoto listu vložte originál a nebo kopii zadání Vaš práce)
Strana5
LICENČNÍ SMLOUVA (na místo tohoto listu vložte vyplněný a podepsaný list formuláře licenčního ujednání)
Strana7
ABSTRAKT Tato Bakalářská práce se zabývá problematikou měření fyzikální veličiny teploty s podporou počítače. Cílem práce je návrh a realizace, jednoduché laboratorní úlohy pro měření teploty a její regulace s využitím PC a softwaru Control Web 5. Dalším cílem je seznámení se základy teorie měření teploty, měřícím programem i automatizovaným zpracováním naměřených hodnot.
ABSTRACT This Bachelor' s thesis deal with problems about physical value temperature measuring with use PC. The target of this work is design and realization of simply laboratory exercise for temperature measuring and temperature regulation with use personal computer and Control Web 5 software. The next target is introduce with bases of temperature masurement theory, measuring program and automated processing of measured value.
KLÍČOVÁ SLOVA Teplota, měření, teploměr, regulace, Control Web, počítač.
KEYWORDS Temperature, measurement, thermometer, regulation, Control Web, computer.
Strana8
Strana 9
PODĚKOVÁNÍ Touto cestou bych chtěl poděkovat Ing.Danielu Zuthovi a Ing.Františku Vdolečkovi, CSc. za jejich ochotu a odbornou pomoc.
Strana10
Strana 11
PROHLÁŠENÍ Tímto závazně prohlašuji, že bakalářskou práci na téma „Měření s podporou počítače“, jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce s využitím pramenů uvedených v seznamu použité literatury. V Brně 25.5.2007
Strana13
Obsah: Zadání závěrečné práce...................................................................................................3 Licenční smlouva.............................................................................................................5 Abstrakt............................................................................................................................7 1 Úvod.............................................................................................................................15 1.1 Měření.....................................................................................................................15 1.1.1 Soustava SI........................................................................................................ ...........15 1.1.2 Etalon.................................................................................................... .......................16
2 Fyzikální veličina Teplota..........................................................................................17 2.1 Teplota....................................................................................................................17 2.1.1 Teplo..................................................................................................................... .......17 2.1.2 Absolutní nula.............................................................................................................. .17
2.2 Značení teploty........................................................................................................17 2.3 Měření teploty.........................................................................................................18 2.3.1 Druhy měření teploty............................................................................................. .......18 2.3.1.1 Kontaktní měření teplot............................................................................. ................18 2.3.1.2 Bezkontaktní měření teplot.............................................................................. ..........18
2.4 Teplotní stupnice.....................................................................................................18 2.4.1 Kelvin................................................................................................................. ..........18 2.4.2 Stupeň Celsia...................................................................................................... ..........18 2.4.3 Stupeň Fahrenheita...................................................................................... .................19 2.4.4 Stupeň Réaumura........................................................................................................ .19 2.4.5 Přepočet jednotek mezi jednotlivými stupnicemi................................ .........................19
2.5 Teploměry................................................................................................................20 2.6 Přesnost měření teploty odporovými snímači........................................................22 3 Počítačová podpora měření.......................................................................................23 3.1 Multifunkční karty...................................................................................................23 3.2 Software..................................................................................................................27 3.2.1 LabVIEW .............................................................................................. ......................28 3.2.2 Control Web................................................................................................................. .28
4 Návrh a realizace laboratorní úlohy........................................................................31 4.1 Schéma sestavy......................................................................................................31 4.2 Soupis komponent...................................................................................................32 4.3 Popis okolních podmínek.......................................................................................39 4.4 Realizace modelu pracoviště...................................................................................39 4.4.1 Sestavení komponent.......................................................................................... ..........39 4.4.2 Zapojení sestavy............................................................................................ ...............40
5 Aplikace v Control web 5...........................................................................................43 5.1 Popis prostředí.........................................................................................................43 5.2 Vlastní Program.......................................................................................................46 5.3 Spuštění programu...................................................................................................48 6 Závěr............................................................................................................................49 Seznam použité literatury.............................................................................................51
Strana15
1
ÚVOD
Technická revoluce a s ní spojený rozmach vědy a techniky, která nastala ve 20.století a v tomto století dálé pokračuje, s sebou přinesla mnoho nových vynálezu, převratných technických novinek a patentů. Tento pokrok se samozřejmě nevyhnul ani oborům jako Termometrie. Měření teploty, jak ho dnes známe, je mnohem přesnější, rychlejší, účinější a mobilnější než tomu bylo dříve. Pro měření teploty se ve velké míře využívá měřidel spolupracujících s osobními počítači.
1.1
Měření
Měření objektu zahrnuje jeho srovnání s jednotkou standardu použitím měřícího nástroje v kontrolovaných podmínkách. Mezi měřící přístroje patří např. teploměr, rychloměr, pravítko. Tyto přístroje ukazují v určitých hodnotách např. stupeň Celsia, metr, kilometr za hodinu. Pomocí měření, tak určujeme vlastnosti měřeného předmětu, nebo děje např. jeho délku, rychlost, teplotu. Samotné měření, pokud je to možné, má probíhat opakovaně, a za stejných podmínek, přičemž se zaznamenávají všechny měřené veličiny. Výsledky jediného měření nebývají věrohodné. Jako konečný výsledek pak bývá brána průměrná hodnota naměřených veličin. I když historie měřících jednotek je prastará a důvodem jejich ustanovení byly původně obchodní a vlastnické vztahy a nikoli přesné vědecké určení pozorovaných jevů, až do dnešních dnů se můžeme setkávat s jejich postupným upřesňováním a standardizací. Většinou jsou již měřící jednotky definovány, což umožňuje opakované měření pozorovaných jevů. Dnes používáme mezinárodně domluvenou soustavu jednotek tzv. soustavu SI. 1.1.1
Soustava SI
Soustava SI se skládá ze základních jednotek, odvozených jednotek, předpon a vedlejších jednotek. Mezinárodně garantuje definice jednotek a uchování etalonů Bureau International des Poids et Mesures v Sèvres (Francie), v České republice Český metrologický institut v Brně. Soustava vznikla v roce 1960 ze soustavy metr-kilogram-sekunda (mks). Základní jednotky Základních jednotek je sedm: metr, kilogram, sekunda, kelvin, ampér, kandela, mol. Odvozené jednotky Odvozené jednotky se tvoří kombinací základních jednotek, u významných veličin dostaly samostatné názvy. Abecední seznam odvozených jednotek: coulomb, kilogram na metr krychlový, metr čtverečný, metr krychlový, metr za sekundu, newton, ohm, pascal, volt, lumen, lux, becquerel, gray, sievert… Vedlejší jednotky Vedlejší jednotky jsou jednotky, které plně nezapadají do soustavy SI, ale jsou povoleny pro svoji všeobecnou rozšířenost a užitečnost. Např. hodina, minuta, stupeň Celsia, …
Strana16 1.1.2
Etalon
Etalon měřicí jednotky anebo stupnice určité veličiny je měřidlo sloužící k realizaci a uchovávání této jednotky nebo stupnice a k jejímu přenosu na měřidla nižší přesnosti. Uchováváním etalonu se rozumí všechny úkony potřebné k zachování metrologických charakteristik etalonu ve stanovených mezích. Etalony se dělí na: Státní etalony - tyto etalony mají pro příslušný obor měření nejvyšší metrologickou kvalitu ve státě. Za tvorbu, rozvoj a udržování státních etalonů odpovídá stát. Státní etalony se navazují především na mezinárodní etalony uchovávané podle mezinárodních smluv nebo na státní etalony jiných států s odpovídající metrologickou úrovní. Hlavní etalony, které tvoří základ návaznosti měřidel u subjektů a podléhají povinné kalibraci. Kalibraci hlavních etalonů provádí na žádost uživatele Český metrologický institut nebo střediska kalibrační služby. Lhůtu následující kalibrace hlavního etalonu stanoví uživatel tohoto hlavního etalonu podle metrologických a technických vlastností, způsobu a četnosti používání hlavního etalonu.
Strana17
2
FYZIKÁLNÍ VELIČINA TEPLOTA
Abychom mohli v dalších kapitolách bez nejasností hovořit o měření teploty, musíme si nejprve říci co to teplota vlastně je, a jak se měří a pracuje s ní. Teplota bývá považována za základní a nejčastější veličinu v oblasti průmyslovém měření, protože na její hodnotě obvykle záleží řada výrobních procesů a regulací, ať již přímo nebo nepřímo.
2.1
Teplota
Teplota je označení pro tepelný stav hmoty. Teplota souvisí s průměrnou kinetickou energii částic látky. Například v plynu je teplota úměrná střední kinetické energii molekul a frekvenci jejich srážek. Pokud se teplota snižuje, říkáme, že těleso chladne. Pokud se naopak teplota zvyšuje, říkáme, že se ohřívá. Při chladnutí odevzdává hmota do svého okolí teplo (viz. vysvětlení pojmu teplo níže) a při ohřevu z okolí teplo přijímá. 2.1.1
Teplo
Podle kinetické teorie je teplo celkovou kinetickou energii neuspořádaného pohybu částic z nichž se látka skládá. Přeměna mechanické práce na teplo je kinetickou teorií vysvětlována jako přeměna energie uspořádaného pohybu na kinetickou energii neuspořádaného pohybu částic. Značení veličina: Q Základní jednotka: J [ joule ]
2.1.2
Absolutní nula
Nejnižší možnou teplotou je teplota absolutní nuly, ke které se lze libovolně přiblížit, avšak nelze jí dosáhnout. Při absolutní nule ustává pohyb částic. V současné době nejsou známé žádné fyzikální zákony, které by omezovaly horní hranici teploty.
2.2
Značení teploty Značení veličiny: T nebo t Základní jednotka SI: Kelvin - značka jednotky: K . Další jednotky:
stupeň Celsia - značka jednotky: °C stupeň Fahrheinta - značka jednotky: °F stupeň Réamura - značka jednotky: °R
Strana18
2.3
Měření teploty
K určování teploty se využívá závislosti některých fyzikálních veličin na teplotě. To umožňuje převést měření teploty na měření jiné fyzikální veličiny. Mezi teplotně závislé veličiny patří např. délkové rozměry a objem pevných a kapalných těles, tlak plynů (teplotní roztažnost a rozpínavost), elektrický odpor vodičů, vyzařování elektromagnetických vln apod. Naměřené hodnoty za pomoci teplotně závislé veličiny musíme nějak vyjádřit. Toho do cílíme použitím náležitých jednotek a stupnic. Přístroje k měření teploty se nazývají souhrně teploměry. 2.3.1
Druhy měření teploty Měření teploty lze rozdělit podle druhu a to na:
2.3.1.1 Kontaktní měření teplot Při měření musí bý měřidlo v přímem fyzickém kontaktu s měřeným objektem. Měření probíhá za využití kontaktních čidel jako jsou např. termočlánky, odporové, kapalinové, plynové, bimetalové teploměry atd. 2.3.1.2 Bezkontaktní měření teplot Bezkontaktní měření teploty využívá fyzikálního jevu, kdy hmota vlivem tepelného pohybu elementárních částic emituje energii ve formě elektromagnetického záření v infračervené oblasti spektra. Pro měření se používají např. radiační infrateploměry, pyrometry, termokamery, skenery teplotních polí atd.
2.4
Teplotní stupnice
Při měření teploty dnes máme na výběr z několika druhů stupnic a jednotek pojmenovaných po jejich vynálezcích a průkopnících. 2.4.1
Kelvin
Kelvin je jednotka teploty, kterou zavedl spolu s navrhnutím stupnice měření teplot skotský matematik a fyzik William Thomson, který byl za své výrazné vědecké úspěchy povýšen do šlechtického stavu pod jménem lord Kelvin Kelvin je definován 2 referenčními body: 0 K je teplota absolutní nuly, tedy naprosto nejnižší teplota, která je fyzikálně definována, 273,16 K je teplota trojného bodu vody. Absolutní velikost jednoho stupně v Celsiově i Kelvinově stupnici je stejná – teplotní rozdíl 1K je roven rozdílu 1°C. 2.4.2
Stupeň Celsia Stupeň Celsia [°C] je jednotka teploty, kterou v roce 1742 vytvořil švédský astronom Anders
Celsius.
Strana 19 Celsius stanovil dva pevné body: 0°C pro teplotu varu vody a 100°C pro teplotu tání vody (obojí při tlaku vzduchu 1013,25 hPa). Carl Linné stupnici později otočil a proto je dnes bod tání 0°C a bod varu 100°C. Dnes je Celsiova stupnice (jako vedlejší jednotka soustavy SI) definována pomocí trojného bodu vody, kterému je přiřazena teplota 0,01°C a tím, že absolutní velikost jednoho dílku teplotní stupnice (1°C) je rovna 1K. 2.4.3
Stupeň Fahrenheita
Stupeň Fahrenheita [°F] je pojmenovaný po německém fyzikovi Gabrielu Fahrenheitovi. Dnes se používá hlavně v USA. Vychází ze dvou základních referenčních bodů. Teplota 0°F je nejnižší teplota, jaké se podařilo Fahrenheitovi dosáhnout (roku 1724) smícháním soli, vody a ledu a 96°F teplota lidského těla. Později byly referenční body upraveny na 32°F pro bod mrazu vody a 212°F bod varu vody. Tyto referenční body jsou od sebe vzdáleny 180 stupňů, tudíž jeden stupeň Fahrenheita odpovídá 5/9 kelvinu, resp. stupně Celsia. 2.4.4
Stupeň Réaumura
Stupeň Réaumura [°R] je pojmenovaný po francouzském přírodovědci René Réamurovi. Ten ji zavedl roku 1730. Vychází ze dvou základních referenčních bodů. Teplota 0 °R je bod mrazu vody a 80 °R je bod varu vody při normálním atmosferickém tlaku. Réaumurova stupnice byla svého času velmi rozšířená, ale během 19. století byla nahrazena jinými systémy. Dnes se již nepoužívá. Je hrubší než Celsiova. R = 10/8 °C 2.4.5
Přepočet jednotek mezi jednotlivými stupnicemi Přepočet z Kelvinovy stupnice na Celsiovu C = K − 273,15, K = C + 273,15, kde K je teplota v kelvinech, C je teplota ve stupních Celsia. Přepočet z Fahrenheitovy stupnice na Celsiovu F = ( 9C/5 ) + 32 C = (5(F - 32))/9 kde F je teplota ve stupních Fahrenheita, C je teplota ve stupních Celsia. Přepočet z Réaumurovy stupnice na Celsiovu C = (5/4)*R R = (4/5)*C kde R je teplota ve stupních Réaumura, C je teplota ve stupních Celsia.
Strana20
2.5 Teploměry Teploměry lze rozdělit na: Kapalinový teploměr - Teploměr, ve kterém se k měření teploty využívá teplotní roztažnosti teploměrné kapaliny (rtuť, líh apod.).
Obr. 1 Kapalinový – lékařský rtuťový teploměr. Bimetalový teploměr - Teploměr, ve kterém se k měření teploty využívá bimetalový (dvojkový) pásek složený ze dvou kovů s různými teplotními součiniteli délkové roztažnosti. Při změně teploty se pásek ohýbá a tento pohyb se přenáší na ručičku přístroje.
Obr. 2 Bimetalový – domácí venkovní teploměr. Plynový teploměr - Teploměr, ve kterém se k měření teploty využívá závislost tlaku plynu na teplotě při stálém objemu plynu, popř. závislost objemu plynu na teplotě při stálém tlaku.
Obr. 3 Plynový teploměr - nákres
Strana 21 Odporový teploměr - Teploměr, ve kterém se k měření teploty využívá závislost elektrického odporu vodiče nebo polovodiče na teplotě.
Obr. 4 Odporový – PT100 průmyslové provedení.
Obr. 5 Odporový – PT100 miniaturní provedení. Termoelektrický teploměr (také termočlánek) - Teploměr, ve kterém se k měření teploty využívá termoelektrický jev (elektrony, které jsou nositeli elektrického proudu se významně podílejí na vedení tepla). Změnou teploty spoje dvou různých kovů se mění vzniklé termoelektrické napětí.
Obr. 6 Termoelektrický - termočlánek.
Strana22 Radiační teploměr (Infrateploměr) - Teploměr určený k měření vysokých teplot založený na zákonech tepelného záření (Planckův vyzařovací zákon, Wienův zákon, Stefanův-Bolcmanův zákon). Měří záření vysílané tělesy do okolí (na stejném principu pracují i světelná infračidla či naváděné střely).
Obr. 7 Radiační - Infrateploměr
2.6
Přesnost měření teploty odporovými snímači
Na přesnost měření teploty snímačem má obecně vliv více činitelů a chyby jimi způsobené můžeme zařadit do tří hlavních skupin : Chyby způsobené umístěním snímače a tepelnými vlastnostmi prostředí, jímky, armatury, apod Chyby způsobené dynamickými vlastnostmi samotného snímače. Chyby jednotlivých členů elektrického obvodu, které mají vliv na výslednou chybu měření teploty. Hlavním předpokladem správného měření teploty je vhodné umístění snímačů teploty, aby byl zajištěn správný přestup tepla a dokonalý styk s měřeným prostředím. Přesto se mohou vyskytnout chyby způsobené: Změnou odporu vedení vlivem teploty Základní chyba vyhodnocovacího přístroje Nesprávným vyrovnáním vedení Měřícím odporem jako odchylkou od cejchovní řady Odchylkou kompenzačního vedení od cejchovní řady Termočlánkem jako odchylkou od normalizované cejchovní řady Odchylkou korekčního napětí Dalšími ovlivňovacími veličinami, např. okolní teplotou, napájecím napětím, apod. Změna odporu vedení, např. vlivem teploty se projevuje jako chyba náhodná. Vliv chyby lze odhadnout podle uvedeného vzorce, který uvádí velikost chyby v %, jak se projeví na stupnici přístroje. Jde o poměrnou chybu vztažnou k rozsahu
∆α = kde: Δα
∆R 1 ⋅ ⋅ 100 Ric 1 + ∆ R Ric
přídavná chyba (%) ΔR změna (či odchylka odporu vedení) Ric celkový vnitřní odpor (t.j.odpor vedení a vnitřní odpor měřícího přístroje)
Strana23
3
POČÍTAČOVÁ PODPORA MĚŘENÍ
Od počátku 20 století, kdy s nástupem a velkým rozmachem techniky, která hraje v našem životě čím dál podstatnější roli , prošla měřící technika velkým vývojem. Dnešní měřící technika se vyznačuje jak velmi vysokou přesností měření a spolehlivostí, toho bylo dosaženo použitím elektroniky řízené mikroprocesory, tak velikou paletou možností použití tzn., že jeden přístroj má množství funkcí, které umožnují měření různých věličin. Měřící technika dneska se využívá snad ve všech průmyslových odvětvích, ale i v zemědelství a dalších oborech. Dnes se pro práci s měřící technikou ve velkém procentě případu využívá spolupráce s počítačem, který dokáže třeba online sledovat a vyhodnocovat naměřené hodnoty, které zpracovává pro další použití. Při počítačovém měření se využívá hardware jako např. měřící karty v kombinaci se specializovanými softwary.
3.1
Multifunkční karty
Mezi hardware využívaný k počítačovému měření patří multifunkční karty, které zprostředkovávají komunikaci snímače a počítače potažmo softwaru, který s naměřenými daty pracuje. Karet je velké množství druhů rozdělujeme je podle typu připojení k PC, sběrnice,atd.
Karty obsahují A/D převodníky s multipexorem, D/A převodník, digitální vstupy/výstupy a čítače/časovače. Karty máme jak externí tak i interní které jsou zapojeny přímo do základní desky PC. Dělí se podle typu použité sběrnice na typy se sběrnicemi ISA, PCI, USB PCI, PXI, PCMCIA, USB a FireWire nebo miniaturní PCMCIA, které se připojují k přenosným počítačům a tím umožnují velkou mobilitu a obslužnost. Výrobou zařízení, přístrojů a komponentů pro měření teploty s podporou počítače se zabývá celá řada domácích a zahraničních firem.Z těch nejznámějších jsou firmy jako Tele Data System, National instruments, Dewetron, Tedia, Optex, Advantech, Axiom a Moravské přístroje. Ukázka některých multifunkčních karet:
Obr. 8 PCD 4848AT od firmy TEDIA.
Strana24
Technické parametry PCD 4848AT: Počet digitálních vstupů : 48 (2x OPTO-22) Pracovní úroveň digitálních vstupů: TTL/HC (odolnost ±32V) Počet digitálních výstupů: 48 (2x OPTO-22) Pracovní úroveň digitálních výstupů: TTL/HC Počet čítačů/časovačů: 3x 16-bitů (1x 82C54) Krystalový oscilátor: 8MHz Zdroje přerušení: 2x digitální vstup 82C54 - výstup časovače T2 (pouze typ AT) Sběrnice: ISA 8/16 bitů (ze 16-bit. ISA pouze signály IRQ) Kanály přerušení: IRQ2 ÷ IRQ11 I/O adresa 200H ÷ 3F8H Rozměry desky: 105x185 mm (1/2 AT formát)
Obr. 9 PCL 1818L od firmy ADVANTECH.
Technické parametry PCL – 818L: 16 jednoduchých nebo 8 diferenciálních analogových vstupů 12-bitový A/D převodník 16 číslicových vstupů a 16 číslicových výstupů Jeden 12-bitový analogový výstupní kanál Programovatelný časovač/čítač Maximální prostupnost dat: 40kHz pro všechny vstupní rozsahy Čas konverze dat: 25 msec. Vstupní impedance: 10 M? Vstupní rozsah: ±10,±5/0,01; ±2,5, ±1,25/0,02; ±0,625/0,04 Kompatibilita: 5V/TTL
Strana 25 Vstupní napětí: logická 0: 0,8 Vmax. logická 1: 2,0 Vmin. Výstupní napětí: logická 0: 0,4 Vmax. logická 1: 2,4 Vmin. Napájení, spotřeba: +5 V, 210 mA typicky, 500 mA max Rozměry: 155 x 100 mm I/O konektor: DB37-F Operační teplota: 0 ~ 50 °C
Obr. 10 PCI – 1712 od firmy Future ICS,a.s
Rychlá vstupní/výstupní měřicí karta PCI umožňuje snímat elektrické veličiny přímo do počítače a pracovat s nimi např. v systémech SCADA.Tato měřicí karta je vhodná především pro záznam rychlých dějů.
Technické parametry PCI – 1712: 16 analogových vstupů proti společné zemi nebo 8 diferenčních. Převod je 12-bitový a maximální vzorkovací perioda je 1 MS/s. Pro přenos velkého bloku dat je využíván režim PCI-bus mustering DMA 2 analogovými výstupy, 16TTLv/v 3 16-bitový čítač/časovač.
Strana26
Obr. 11 AD25PCI od firmy JanasCard
Multifunkční měřicí karta s vysokým rozlišením pro sběr dat pro sběrnici PCI. Ideální pro měření malých stejnosměrných napětí z tenzometrů, Pt100, termočlánků apod. Velmi nízký šum karty je srovnatelný se specializovanými nanovoltmetry.
Technické parametry AD25PCI: AD část: integrační převodník s programovatelným rozlišením 18 až 24 bitů 8 differenciálních vstupů nebo 16 SE Vstupní rozsah 0-10 V/ +-5 V Programovatelné zesílení 1 až 128 Expandery pro připojení termočlánků, tenzometrů nebo Pt100 DA část: rozlišení 14-bitů, rozsahy 0-5 V(10 V) nebo jako zdroj proudu 0-20 mA (100 mA), . číslicové vstupy/výstupy - 8 dig. vstupů/8 dig. Výstupů. driver pro systémy Win95/98/NT/2000/XP knihovna v DLL tvaru umožňující obsluhu karty z prostředí Delphi, Visual Basic, C++,LabView atd.
Strana 27
Obr. 12 USB LabJack U3 od firmy LabJack LabJack U3 představuje USB zařízení pro sběr dat a řízení.
Technické parametry USB LabJackU3: 2 časovače (Pulse Counting/Tininy, PWM Output, Quadrature Output) 2 čítače (32-bitové) 4 dodatečné digitální I/O 12-bitové analogové vstupy (0-2,4V SE nebo +/- 2,4V Diff.) Jeden vyhrazený analogový výstup (8-bit, 0-5V) USB 2.1/1.1 FSI (Full Speed Interface) Napájení přes USB kabel Ovladače pro Windows, Linux a Pocket PC Příklady pro C/C++, VB, LabVIEW, Java a další Rozměry 3“ x 4,5“ x 1,2“ (75mm x 115mm x 30mm) Průmyslový rozsah teplot (-40 až +85°C)
Obr. 13 S SERIES Sampling Multifunction DAQ od firmy NATIONAL INSTRUMENTS.
Strana28
3.2
Software
Další potřebou součástí měřících zařízení je programové vybavení. Většina výrobců měřících zařízení k nim i dodává svůj softwareale jsou i firmy které se zabývají jenom vývojem příslušných softwaru pro měření. Firem zabývajících se vývojem softwaru pro počítačové měření je velké množství uveďme si alespon ty nejznámější jako jsou firmy TEDIA, National instruments, DWSoft , Tele Data systém, Moravské přístroje. Od těchto a dalších vývojářu máme mnoho dobrých programů jako třeba LabView, Control Web, ScopeWin atd. Informace o programech LabView od National instruments a Control Web od Moravské přístroje jsou uvedeny v následujících odstavcích. 3.2.1
LabVIEW
Je grafický programovací jazyk. Toto prostředí slouží pro vývoj kompletního systému, zajišťující řízení celého procesu sběru měřených dat, jejich analýzy a grafické prezentace. Sběr dat lze provádět z řady zařízení, zahrnujících přístroje vybavené sběrnicemi GPIB, VXI nebo sériovým rozhraním a zásuvných ISA PCI karet do osobních počítačů. Naměřená data lze analyzovat rozsáhlým matematickým aparátem, zahrnujícím knihovny pro generaci signálu, okénkové funkce, digitální filtry, statistiku, analýzu signálu v časové a frekvenční oblasti, regresní funkce, operace s poli a lineární algebru. LabVIEW, pracujíce na platformách Windows, Linux, MacOS, SUN a HP-UX . Programová aplikace se v prostředí LabVIEW vytváří v jednom okně formou blokového schématu, přičemž ve druhém okně vzniká odpovídající přední panel virtuálního přístroje, mající vnitřní návaznost na program - blokové schéma. Pro tvorbu předního panelu slouží grafické uživatelské rozhraní, které obsahuje rozsáhlou knihovnu grafických objektů, pomocí nichž může panel získat podobu reálného přístroje. Samotná tvorba programu - blokového schématu je usnadněna tím, že zbavuje programátora starosti o řadu syntaktických detailů konvenčního programování.
Obr. 14 LabVIEW od firmy NATIONAL INSTRUMENTS.
Strana 29 3.2.2
Control Web
je univerzální nástroj pro vývoj a nasazování vizualizačních a řídicích aplikací, aplikací sběru, ukládání a vyhodnocování dat, aplikací rozhraní člověk-stroj. Objektově-orientovaná komponentová architektura zajišťuje aplikacím systému Control Web nejširší rozsah nasazení od prostých časově nenáročných vizualizací až po řídicí aplikace reálného času. Hlavním cílem návrhu systému Control Web je učinit realizaci běžných úkolů snadnou a u neobvyklých, komplikovaných úkolů možnou. Samozřejmě při respektování všech existujících standardů pro běh programů a jejich uživatelské rozhraní, výměnu dat a přístup k databázím, komunikaci po počítačových sítích a spolupráci s hardware pro sběr dat a řízení. Control Web pracuje v prostředí operačních systémů implementujících aplikační programové rozhraní Win32 a podporuje řadu průmyslových standardů. Control Web vychází ze svých předchůdců Control Panel a Control Web 2000. Nasazení těchto systémů, od jaderných elektráren a celopodnikových vizualizačních systémů až po přímé řízení strojů a jednoduché vizualizace, dokazuje velmi široké možnosti této aplikace.Při použití potřebných ovladaču program komunikuje s těmito zařízeními PLC (Siemens, Mitsubishi, Omron, Teco, Allen-Bradley, ABB, Honeywell, …) I/O moduly (DataLab IO, ELSACO, ADAM, …) měřící karty (Advantech, Axiom, Tedia, …) „virtuální“ zařízení, např. WWW server apod
Obr. 15 ControlWeb od firmy MORAVSKÉ PŘÍSTROJE.
Strana31
4
NÁVRH A REALIZACE LABORATORNÍ ÚLOHY
V návrhu laboratorní úlohy je zobrazeno její zjednodušené schéma. Je zde uveden seznam komponent potřebných k sestavení pracoviště a jejich základní technické informace a obrázek. Pro měření jsem si zvolil měřící kartu PCL-818L od firmy Advantech. Pro tvorbu aplikace na měření jsem si zvolil program Control Web 5 od firmy Moravské přístroje . Tyto volby jsem učinil po konzultaci s vedoucím práce o nejvhodnějším postupu raelizace této laboratorní úlohy.
4.1
Schéma sestavy
Obr. 16 Zjednodušené schéma zapojení jednotlivých komponentů sestavy.
Strana32
4.2 Soupis komponent Nádoba na kapalinu
Laboratorní stojan a svěrky k uchycení lihového teploměru, PT100 a ponorného ohřívače vody. Lihový laboratorní teploměr pro vizuální kontrolu měření v rozsahu 0 – 100 °C Elektický odporový teploměr PT100 PR-11-2-100-1/16-12-E Teplotní senzor: PT100 ČSN 25 8306 Zapojení: třívodičové Přesnost čidla: 0.15 ° C Vnitřní odpor 10 ohmu Izolační odpor v normálním prostředí: min 20 ohmu Teplotní rozsah od -50°C do +600°C
Obr. 17 Odporový teploměr Pt100 .
Strana 33
Elektrický ponorný ohřívač vody o příkonu 300W a pracující se střídavým napětím ze sítě 230V 50Hz
Obr. 18 Ponorný elektrický ohřívač vody.
Sítový zdroj RZ12 230V/1,5-12V 0,2A – 2A
Obr. 19 Síťový zdroj
Strana34
Spínací přípravek obsahující relé RAS – 0515 10A/250V umožňující zapnutí ohřívače vody Součástky: Odpor – 10kΩ 0,5W Dioda - 1N4007 Tranzistor – BC547 Relé – RAS-0515 10A/250V Univerzální tištěný spoj
Obr. 20 Spínací přípravek.
Obr. 21 Schéma zapojení spínacího přípravku.
Strana 35
Převodník signálu HIT MODEL 222 – 224 PtTI Vstupní signál: odporový snímač teploty Pt 100 Zapojení snímače: třívodičové Chyby: základní - 0,1% hystereze – 0,02% opakovatelnost - 0,015% linearita - 0,08% Napájecí napětí: 11 až 30 VDC Maximální hodnota zatěžovacího odporu v proudové smyčce : 600 Ohmu Maximální odpor přívodních vodičů: 100Ohmu Výstupní Signál: 4 – 20 mA Proud protékající odporovým snímačem: 0,5mA Proud při zkratu odporového snímače: max 3.9mA
Obr. 22 Samostatný převodník Model 222 -224 PtTI.
Strana36
Obr. 23 Schéma zapojení Model 222 -224 PtTI.
Obr. 24 Převodník Model 222 -224 PtTI v sestavě s dalšími převodníky.
Strana 37
Multifunkční ISA karta ADVANTECH PCL-818L
ISA slot Konektor: DB-37 Rozměry: (Š x D) :144 x100 mm Kanály: 16 jednoduchých nebo 8 diferenciálních Rozlišení: 12-bitový Čas konverze dat: 25 msec. Maximální prostupnost dat: 40kHz pro všechny vstupní rozsahy Vstupní přepětí: ±30 Vssmax Vstupní impedance: 10 MΩ Vstupní rozsah: (V, softwarově programovatelný) Bipolar/Přesnost (% of FSR ± 1 LSB]: ±10,±5/0,01; ±2,5, ±1,25/0,02; ±0,625/0,04 Automatické sledování kanálů/zdrojů s DMA Programovatelný časovač/čítač Softwarová podpora z Control Web, GENIE, AktiveDAQ, LabWiew, Windows 3.1/95/98/NT a výšší Napájení, spotřeba: +5 V, 210 mA typicky, 500 mA max. +12 V, 20 mA typicky, 100 mA max. -12 V, 20 mA typicky, 40 mA max. Operační teplota: 0 ~ 50 ºC Skladovací teplota: -20 ~ 65 ºC Operační vlhkost prostředí: 5 ~ 95% RH
Obr. 25 ADVANTECH PCL 818L.
Strana38
Svorkovnice ADVANTECH PCLD – 8115 pro připojení výstupu z převodníku do PCL – 818L
20-pin VSTUP 68-pin SCSI-II Konector Rozměry (Š x D): 169 x 112 mm (6.7" x 4.4" )
Obr. 26 SvorkovniceADVANTECH PCLD-8115.
Propojovací kabel PCL-10137 s konektorem DB-37
PC Procesor- Intel Pentium 2 200MHz Operační pamět – 128 MB RAM Pevný disk- 2GB Grafická karta Geforce 3 32MB Jednotka CD-ROM
Program Control Web: verze 5 od firmy Moravské přístroje a.s
Control Web pracuje v prostředí z rozhraním Win32. Koncepčně vychází ze svých předchůdců Control Panel a Control Web 2000. ControlWeb lze nasadit od jaderných elektráren, celopodnikových vizualizačních systémů až po přímé řízení strojů a jednoduché vizualizace. Je dodáván, jako většina podobných programů, ve verzi pro vývoj a spouštění hotových aplikací. Obsahuje všechny potřebné objekty pro tvorbu vizualizačních aplikací jako např. zobrazovací a ovládací prvky, alarmy a archivy, historické trendy apod. Komunikaci s automaty zprostředkovává protokol DDE nebo OPC, ale také nativní ovladače vytvořené pro konkrétní automat.
Strana 39
Obr. 27 Program Control Web 5 verze pro OS Windows Wista
4.3
Popis okolních podmínek Měření bude probíhat v laboratoři při normální pokojové teplotě. Za normální vlhkosti a atmosférického tlaku Ohřívaná kapalina bude pitná voda a na počátku měření bude mít teplotu okolí. Nádoba na ohřívanou kapalinu bude z hliníku a nebude izolovaná
4.4
Realizace modelu pracoviště
Při realizaci sestavíme jednotlivé komponenty dle nákresu schéma zapojení komponentů sestavy na obr.16 zapojíme a poté oživíme a prověříme správnou funkčnost. 4.4.1
Sestavení komponent
Použijeme nádobu s vodou. Do laboratorního stojanu upevníme pomocí svěrek lihový teploměr, ponorný ohřívač vody a odporový teploměr Pt100, tak aby konce byli ponořeny v nádobě asi 2 cm ode dna a teploměry rovnoměrně vzdáleny od ohřívače, aby byly podmínky měření co nejvíce podobné. Tímto jseme zhruba umístili potřebné součásti které, budou umístěny v nádobě s vodou. V dosahu přívodních kabelů umístíme síťový zdroj, spínací přípravek , převodník, kartu a PC.
Strana40 4.4.2
Zapojení sestavy
Při zapojování začneme připojením Odporového teploměru Pt 100 do převodníku 222-224 PtTI dle nákresu na obr. 22. Toto zapojení teploměru Pt100 je 3 vodičové tudíž bude eliminován odpor vedení, který by nám mohl zkreslovat naměřené hodnoty. Výstup z převodníku přivedeme přes odporovu smyčku 250Ω, která změní proudový signál na napěťový s kterým pracuje měřící karta do svorkovnice PCLD – 8115 na analogový vstup kanál číslo 100 – 115 a z ní do multufunkční karty PCL-818L zasunuté v ISA slotu v PC. Svorkovnice a karta jsou propojeny kabelem PCL 10137 s konektorem DB-037. Převodník 222-224 PtTi je použit pro větší názornost a přiblížení praxi. Výstup z PT 100 mohl být přímo převeden R/4 na napěťový signál s kterým pracuje karta. Multifunkční karta není schopna sepnout napětí 230V kterým je napájen ponorný ohřívač proto byl navržen spínací přípravek viz obr.20 zapojený dle schéma zapojení na obr.21 který zajistí zapínaní a vypínání ohřívače. Abychom mohli pracovat a zpracovávat data z teploměru a regulovat teplotu v nádobě musíme si vytvořit ovládací aplikaci v programu Control Web k tomu určenému. Jak takovou aplikaci vytvoříme se dozvíme v kapitole Control Web. Až budeme mít aplikaci hotovou a vyzkoušený spínací přípravek, že opravdu spíná. Můžeme nakonec zapojit i napětí 230V do sítě. Poté ještě připojíme ohřívač vody do zásuvky na spínacím přípravku. A nyní už konečně můžeme přistoupit k samotnému měření a regulaci teploty.
Obr. 28 Pohled na sestavenou laboratorní úlohy.
Strana41
5
APLIKACE V CONTROL WEB 5
5.1
Popis prostředí
Prostředí Control Webu je přehledné a velmi dobře uspořádané na pochopení. Hlavní okno je velmi podobné běžným programovacím jazykům jako je třeba Delphi. Ale u programu Control Web je přehledně řešen grafický editor který velmi ulehčuje práci při tvorbě programu. V základním okně je nabízen textový editor, který jak již bylo zmíněno se velmi podobá běžným programovacím prostředím.
Obr. 29 Textový editor. V levém dolním rohu jsou tři záložky, kde lze přepínat jednotlivá okna a možnosti zobrazení. Druhou záložkou po textovém editoru jsou datové elementy, kde definujeme lokálni globalní promenné, kanály a mnoho dalšího. Datové inspektory nám také zajištují správu jednotlivých částí tvořeného programu.
Strana42
Obr. 30 Datové inspektory. Poslední záložkou a možností zobrazení a nejvíce zajímavou je grafický editor. V grafickém editoru se odehrává největší část našeho tvoření. Jako základ máme Položku panel na který budem umísťovat všechny potřebné elementy s kterými budeme pracovat.
Obr. 31 Grafický editor.
Strana 43 Kliknutim na poslední ikonu pod nabídkou nápovědá v horní časti okna se nám spustí paleta přístrojů kde jsou všechny elementy, které můžeme při vytváření programu využít.
Obr. 32 Paleta přístrojů.
Nyní pokud chceme začít tvořit, si na panel umístíme vše potřebné z Palety přístrojů a musíme začít jednotlivé elementy propojovat. Kliknutím pravého tlačítka myši na jakýkoliv element na panelu se nám rozbalí nabídka, kde spustíme inspektor přístroje a v něm si nastavíme příslušné parametry vzhledu a funkci, kterou bude daný element vykonávat. Pro představení si uvedeme jednoduchý příklad, pokud bychom chtěli mít program na rozsvěcování žárovky, tak bychom si museli z palety přístrojů na panel umístit kontroloku v našem případě žárovku a vypínač. Dále si musíme v Datových inspektorech nadefinovat proměnou, která nám bude rozsvěcovat žárovku, v našem případě ji pojmenujeme třeba světlo a jako typ dáme real s hodnou 1. A nyní si v Inspektoru přístroje vypínače nastavíme tak, aby se výstup (output) jmenoval světlo a v inspektoru žárovky, aby vstup (expression) se jmenoval taktéž. No a nyní, když aplikaci stiskem kláves Alt+R spustíme, tak po zmáčknutí spínače se nám rozsvítí žárovka. Další možností programu Control Web je ukládání naměřenách dat do tabulek protokolů grafu. K tomuto slouží tabulkový editor InCalc, který je součástí instalačního balíčku programu. InCalc je velmi podobný Excelu. V InCalcu lze pracovat stejně jako v Excelu.
Strana44
Obr. 33 Tabulkový editor InCalc. Toto bylo jednoduché názorné seznámení se s prostředím Control Webu 5, čehož využijeme k vytvoření námi potřebného programu pro měření a regulaci teploty v soustavě.
5.2 Vlastní Program Hlavní funkcí tohoto programu bude: 1. Zpracování napětového signálu tak aby nám ukázal naměřenou hodnotu z teploměru Pt100 ve stupních Celsia a pak ji porovnal s námi zadanou hodnotu z lihového teploměru. Výsledek bude zapsán do tabulky a vyhodnocen do grafu. 2. Regulace teploty v nádobě pomocí zapínání a vypínání elektrického ponorného ohřívače v závislosti na nastavené požadované teplotě. Zde si stručně popíšeme nejdůležitější úkony a jak budeme postupovat při tvorbě námi požadovaného programu. Začneme umísťováním přístrojů, ovládacích prvků, ukazatelů a dalších objektů na panel programu. Objekty jsou jednoduše a přehledně umístěny v paletě přístrojů. Po umístění objektů si upravíme jejich vzhled a vlastnosti nastavením jejich parametrů. Vytvoříme si v programu InCalc tabulku, která se nám bude zobrazovat na panelu tak jako na obr 45. Dále si musíme v Datových inspektorech definovat všechny proměnné a kanály 300 pro vástup a 100 pro vstup, které budem potřebovat. V dalším kroku si napíšeme proceduru pro tlačítko Zápis hodnot do tabulky:
Strana 45 table.SetRealValue(1,r,3,hodnota_snimace,false,true); if r>24 then r=10 end; table.SetRealValue(1,r,4,zteplomeru,false,true); if r>24 then r=10 end; table.SetRealValue(1,r,5,(hodnota_snimace-zteplomeru),false,true); r=r+1; Tato procedura nám uloží hodnotu naměřené a námi zadané teploty to tabulky, kde s ním dále budou pracovat grafy.Jako další důležitou věc si musíme napsat program, který nám bude spínat hřev vody. Vytvoříme Program 1 v levém panelu v neviditelné. Do kterého zapíšeme proceduru if hodnota_snimace < nastaveni_teploty then spinani=true else spinani=false ta nám bude obstarávat, že pokud klesne hodnota naměřené teploty pod požadovanou tak sepne ohřívač vody. Protože vstupem do karty je unifikovaný napěťový signál, tak aby nám display naměřené hodnoty ukazoval hodnotu ve stupních Celsia, musíme vstupní signál upravit. Uprvíme ho pomocí vzorce t = (U – 1,027)/0,041 což bylo experimentálně zjištěno z několika měření. Do expressions tedy napíšeme (vstup-1,027)/0,041 Tímto jsme si stručně popsali nejdůležitější procedury potřebné ke správnému fungování programu samozřejmě, že jsme si zde neuvedli uplně všechny kroky, ale ty se dají logicky odvodit a provést bez nutnosti dlouhého vypisování.
Obr. 34 Návrh rozvržení programového okna.
Strana46
5.3 Spuštění programu Vytvořený program spustíme stiskem klaves Alt+R pokud je v programu někde chyba naskočí upozornění na dannou chybu. Program a v něm navržený protokol o měření je upraven tak, aby bylo možné doplnit základní údaje jako: Jméno a Příjmení měřícího, datum, podmínky měření. Na začátku měření tyto udáje vyplníme a začneme měřit. Odečteme toplotu vody v nádobě z lihového teploměru. Tutu hodnotu s tolerancí 0.5°C zapíšeme do kolonky k tomu určené a potvrdíme. Do tabulky se nám automaticky zapíše i hodnota naměřená teploměrem Pt100 a jejich rozdíl. Na ovladači požadované teploty nastavím teplotu např. o 5 až 10 stupnů vyšší než je naměřená podle toho kolik měření budeme chtít provest. Maximální možná hodnota požadované teploty je omezena na 90°C, aby nedošlo k varu vody. Vyčkáme až ohřívač ohřeje vodu na požadovanou teplotu a počkáme dokud se naměřená teplota z Pt100 neustálí pak opět odečteme teplotu z lihového teploměru a zapíšeme do tabulky. Toto opakujeme dokud nedosáhneme teploty 90°C. Výsledky měření si prohlédneme v tabulce a v grafech rozdílů naměřenách hodnot. Tyto výsledky můžeme vytisknout nebo uložit jako protokol o měření v programu InCalc a lze s nimi dále pracovat.
Strana47
6
ZÁVĚR
Cílem práce je návrh a realizace jednoduché laboratorní úlohy pro měření teploty s podporou počítače a její regulace. V bakalářské práci jsem se pokusil přiblížit tvorbu aplikace tak, aby si svou aplikaci, její modifikaci či variantu pro jinou veličinu mohli studenti vyších ročníku Bakalářského studia sestrojit sámi a nemuseli sáhodlouze nastudovávat manuály popřípadě programovou nápovědu. Vytvořená aplikace může sloužit dík až primitivní obsluze k měření teploty s podporou počítače i pro studenty, kteří nejsou ještě dostatečně vybaveni znalostmi teorie. V neposlední řadě je možné vzorovou laboratorní úlohu chápat jako seznámení studentů s teplotou, metodami a prostředky jejího měření, jednoduchého řízení, seznámení se softwarem Control Web, příklady jeho použití v praxi a automatizovaným zpracováním naměřených hodnot.
Strana49
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] CHUDÝ, Vladimír; Palenčár, Rudolf; Kureková, Eva; Halaj, Martin. Meranie technických veličín : 1.vydání Bratislava : Vydavatelstvo STU, 1999. 688s. ISBN 80-227-1275-2. [2] JENČÍK, Josef; Volf, Jaromír. Technická měření : 1.vydání Praha : Vydavatelství ČVUT, 2000. 212 s. ISBN 80-01-02138-6. [3] SLÁDEK, Zdeněk; Vdoleček, František. Technická měření : 1.vydání Brno : Nakladatelství VUT, 1992. 220 s. ISBN 80-214-0414-0. [4] Bílý Radek; Cagoš Pavel; Cagoš Roman: Control Web 2000:Computer press Praha 1999 [5] Hybrid Integrated Technology: Katalog výrobku Uherské Hradiště s.r.o (CZ): HIT,1996 [6] Solution Guide vol.51: Advantech ltd.(UK): Advantech 2001 [7] Users Manual for PCL 818L: Advantech ltd.(UK):Advantech 2003
[8] Seznam. (online) Dostupné z: www.seznam.cz [9] Google. (online) Dostupné z: www.google.cz [10] Automa. (online) Dostupné z: www.automa.cz [11] TEDIA. (online) Dostupné z: www.tedia.cz [12] Wikipedie. (online) Dostupné z: http://cs.wikipedia.org [13] National Instruments. (online) Dostupné z: www.ni.com [14] Procon-Cl a.s. (online) Dostupné z: http://procon.clnet.cz/informace/infmer2.htm [15] JSP. (online) Dostupné z: www.jsp.cz
