Systém pre automatizované meranie tlaku

Transkript

1 Systém pre automatizované meranie tlaku Vedúci diplomovej práce: Konzultant: Autor/Študent: prof. Ing. Stanislav Slosarčík, CSc. Ing. Michal Jurčišin, PhD. Bc. Miloš Mačinga 2015 Košice 1

2 Ciele diplomovej práce 1. Vypracujte prehľad o súčasnom stave v danej problematike. 2. Navrhnite a vytvorte program umožňujúci zber údajov nameraných z kapacitného tlakového senzora do počítača. Program má umožňovať grafickú reprezentáciu nameraných údajov, archiváciu údajov a poskytovať štatistické informácie počas merania. 3. Overte funkčnosť zostavy na praktickom meraní. 2

3 Tlak, tlakomer Definícia Tlak je definovaný ako podiel sily pôsobiacej na objekt a plochy na ktorú pôsobí [Pa]. Tlakomer senzor elektrické zariadenie, ktorým môžeme merať neelektrické veličiny ako je tlak. Typy tlakových senzorov odporové, kapacitné, indukčné, indukčnostné, piezoelektrické, optické, magnetické,... 3

4 Tlakové senzory Odporové tlakové senzory v takýchto senzoroch je využitý princíp zmeny elektrickej vodivosti kovov pri ich deformácií. Indukčné tlakové senzory využíva spojenie cievky a magnetického obvodu. Indukčnostné tlakové senzory spojenie cievky a feromagnetického materiálu. Optické vláknové senzory meraná fyzikálna veličina upravuje, resp. mení optický signál prechádzajúci optickým vláknom senzora. Piezorezistívne tlakové senzory predstavuje zmenu elektrickej vodivosti polovodiča pri pôsobení mechanického namáhania kryštalografickej osi monokryštálu kremíka. Piezoelektrické tlakové senzory pôsobením tlaku vzniká v dielektriku elektrická polarizácia, čím na jeho povrchu vznikajú zdanlivé elektrické náboje. 4

5 Kapacitné senzory Kapacitné tlakové senzory základ tvorí kondenzátorový systém, ktorého parametre sa menia vplyvom meranej veličiny. Podľa meniacich parametrov rozlišujeme senzory: So zmenou vzdialenosti elektród So zmenou plochy elektród So zmenou dielektrika Kap. Senzor so zmenou vzdialenosti elektród Kap. Senzor so zmenou plochy elektród Kap. Senzor so zmenou dielektrika 5

6 Meracie pracovisko Pozostáva z počítačového systému prepojeného sériovou linkou s RLC mostíkom ktorý je cez vodiče spojený s kapacitným tlakovým senzorom na meranie výšky hladiny Kapacitný senzor so zmenou výšky hladiny dielektrika Mení sa hodnota kapacity RLC mostík Na základe užívateľskej požiadavky odosiela namerané hodnoty Meracia zostava Počítačový systém Spracúva prijaté dáta v textovej a grafickej podobe 6

7 Kapacitný tlakový senzor so zmenou výšky hladiny dielektrika Tento senzor patrí do kategórie senzorov so zmenou dielektrika. Na stenách sklenenej nádoby sú z vonkajšej strany nanesené 2 tenkovrstvové elektródy, z ktorých sú vyvedené vodiče tak ako je to vidieť na obrázku. Pôsobením vonkajšej meranej veličiny sa mení výška dielektrika v nádobe a tým aj výsledná kapacita senzora. Kap. senzor so zmenou výšky hladiny dielektrika 7

8 Meracie zariadenie Ako meracie zariadenie je použitý RLC mostík, ktorý umožňuje okrem bežného merania aj dátovú komunikáciu s počítačom pripojeným cez sériovú linku RS232. Na základe odoslanej požiadavky vopred stanovených príkazov dokáže vrátiť spať požadované dáta RLC mostík Príklad: Požiadavka: DCR? Odpoveď:

9 Počítačový systém 1.vstupné parametre 2.výstupné data 3.Grafická prezentácia Ukážka počítačového systému vytvoreného v programe LabWindows/CVI 9

10 Počítačový systém Prostredie počítačového systému je naprogramované pomocou vývojového prostredia LabWindows/CVI. Program komunikuje s meracím zariadením cez sériové rozhranie RS232. Dokáže odoslať konkrétny príkaz, na základe ktorého prijíma odpovede v podobe požadovaných nameraných veličín. 1.vstupné parametre Primárne je tento systém určený na meranie kapacity, ale umožňuje takisto meranie ďalších fyzikálnych veličín ako sú: napätie, prúd, odpor či impedancia. Pre ktorúkoľvek veličinu sa sprístupní možnosť výberu jednotiek. 10

11 Počítačový systém 2.výstupné dáta Program taktiež poskytuje prehľad o: aktuálnych meraných hodnotách štatistických údajoch z posledných 20 nameraných hodnôt [1]: Priemerná hodnota x = 1 n (x 0 + x 1 + x 2 + x x n 1 ) Odchýlka Rozptyl s = s 2 S 2 = n 1 i=0 (x i x ) 2 Stredná kvadratická chyba n v rms = v p 2 V prípade časovo a aj dátovo náročných meraní je tu možnosť zmeniť časový interval čo spôsobí lepšiu čitateľnosť grafu. 11

12 Počítačový systém 3.grafická prezentácia Systém automaticky vykresľuje namerané hodnoty priamo do grafu. Hodnoty je možné uložiť do textového súboru, ktorý sa potom môže znova otvoriť na vykreslenie grafu. Z dôvodu lepšej čitateľnosti grafu je možné nastaviť minimálnu a maximálnu hodnotu na osi Y. Automaticky je prepočítavaná kapacita na tlak (v jednotkách [cmh2o] a [Pa]). V prípade požiadavky merania inej veličiny ako je kapacita sa automaticky upraví aj os Y. 12

13 Praktické meranie Do dutiny senzora kondenzátora je zo spodnej strany natlačené dielektrikum pod vplyvom vonkajšieho tlaku. Zmena kapacity je nameraná RLC mostíkom, ktorý dáta spracuje a na základe požiadavky ich odošle po sériovej linke do počítača v ktorom sa nachádza systém na ich ďalšie spracovanie. Kap. senzor so zmenou výšky hladiny dielektrika Meracia zostava 13

14 Praktické meranie Cieľom merania bolo overiť funkčnosť počítačového systému. Na nasledujúcom obrázku je znázornený príklad merania. Graf zobrazuje zmenu kapacity v prípade zmeny vonkajšieho tlaku na použité dielektrikum, čím sa zmenila výška v senzore. Program zobrazuje aktuálne namerané a vypočítané štatistické hodnoty. Ukážka merania počítačového systému Počítačový systém komunikuje teda meria, vypisuje, počíta, vykresľuje, načítava aj ukladá údaje, ktoré sú prijaté z pripojeného meracieho zariadenia 14

15 Zdroje: [1] BUŠA, J. PIRČ, V. SCHRÖTTER, Š.: Numerické metódy, pravdepodobnosť a matematická štatistika, 2006, ISBN [2] SLOSARČÍK, S JURČIŠIN, M. Meranie tlaku vybraných lokalít ľudského tela. Košice : TU_FEI, ISBN [3] ŠKOVRÁNEK, T. FALTUS, Z. CHYTIL, M.: Metrológia tlaku, SMS Bratislava v spolupráci s FÚNM Praha, Bratislava, 1992 [4] LÍŠKA, O. FEJERČÁK, V.: Snímače fyzikálnych veličín, Edičné stredisko VŠT v Košiciach, Košice, 1987, s.243 [5] CHUDÝ, V. PALENČÁR, R., KUREKOVÁ E., HALAJ, M.: Meranie technických veličín, STUBA, Bratislava, 1999, ISBN , s [6] ZEHNULA, K.: Snímače neelektrických veličín, Automatizace a regulace, Zväzok 21, SNTL Praha, 1983, , s.372 [7] HORÁK, Z. KROUPA, F.: Fyzika, Příručka pro vysoké školy technického směru, Zväzok 2, STNL Praha, ALFA Bratislava, 1981, , s