Úloha č. 3: Měření napětí, proudu a teploty pomocí multimetru Metex Úvod Laboratorní úloha se zabývá měřením napětí, proudu a teploty pomocí multimetru Metex a měřicí karty NI USB-6009, která je přes USB port připojena k počítači a řízena (ovládána) pomocí programu vytvořeném v prostředí LabVIEW. Úloha ke koncipována jako seznámení studentů s principem měření prostřednictvím programovacího prostředí LabVIEW ve spojení s běžným multimetrem a měřicí kartou. 1. LabVIEW Grafické programovací prostředí LabVIEW (z angl. Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench čili laboratorní pracoviště virtuálních přístrojů ) je produktem americké firmy National Instruments. Prostředí LabVIEW je vhodné nejen k programování systémů pro měření a analýzu signálů, řízení a vizualizaci technologických procesů různé složitosti, ale také k programování velmi složitých systémů, jakým je třeba robot. Jedná se o grafické vývojové prostředí, někdy nazývané též G-jazyk (tedy grafický jazyk), které dovoluje technikům používat při tvorbě měřicích, řídicích a automatizačních systémů ikony namísto řádků textu. Na rozdíl od textových jazyků, které využívají posloupnost instrukcí, se v prostředí LabVIEW využívá programování na principu datového toku (data flow model), kde je způsob toku dat procházejících uzly v blokovém diagramu určován propojením funkcí vodiči. Virtuální měřicí přístroj je tvořen třemi základními složkami (symbolicky je ukazuje Obr. 1). První je uživatelské rozhraní nazývané Přední panel (angl. Front panel), které slouží k obsluze přístroje a ukazuje výstupní hodnoty. Srdcem přístroje je grafický zdrojový kód - tzv. Blokový diagram (angl. Block diagram) pro ovládání objektů na předním panelu a provádění požadovaných operací se vstupními daty. Poslední složkou je Panel ikony a konektorů (angl. Icon and connector pane), neboli okno pro vytváření a zobrazení ikony identifikující daný přístroj. Obr. 1. Grafické programovací prostředí LabVIEW Přední panel Přední panel měřicího přístroje je tvořen ovládacími prvky a indikátory, které reprezentují interaktivní terminály, umožňující vstup signálů do programu a zobrazení
výsledků měření prostřednictvím indikátorů. Mezi ovládací prvky patří tlačítka, spínače, otočné prvky, číselníky a další nástroje, které simulují vstupní přístrojová zařízení a dodávají data do blokového diagramu. Indikátory jsou grafy, LED diody a jiné prvky zobrazující data, která blokový diagram vygeneruje nebo získá transformací dat vstupních. Blokový diagram Poté co jsou na přední panel umístěny všechny vstupní a výstupní prvky, pokračuje programátor vytvářením blokového diagramu (schématu), který je samotným jádrem ovládacího programu měřicího přístroje. Objekty předního panelu jsou v blokovém diagramu zastoupeny terminály, které jsou propojovány s funkcemi analogickými prováděcím instrukcím textových programovacích jazyků. Diagram je dále tvořen datovými vodiči, uzly (neboli funkcemi), které provádí požadované úpravy signálů a strukturami (smyčkami), které ovlivňují průběh programu. 2. Digitální multimetr Metex- ME31 Obr. 4: Digitální multimetr Metex- ME31 Digitální multimetr Metex ME 31 měří stejnosměrná a střídavá napětí, proudy, odpory do 40 MΩ, má akustický test spojitosti elektrického obvodu a možnost měření diod. Je vybaven sběrnicí RS 232C. Naměřené hodnoty se zobrazuje na LCD displeji, napájení zajišťuje 9 V baterie. V základním příslušenství je pouzdro na přístroj a měřící vodiče. Parametry měřicího přístroje popisují tabulky č. 1 a 2. Tab. 1: Parametry přístroje METEX ME 31 DC napětí rozlišení přesnost ±(%rdg+dig) 400 mv 100 uv 0.5 % + 3 dg 4 V 1 mv 0.5 % + 3 dg 40 V 10 mv 0.5 % + 3 dg 400 V 100 mv 0.5 % + 3 dg 1000 V 1 V 0.5 % + 3 dg AC napětí ( 50 Hz - 400 Hz ) 400 mv 100 uv 1.0 % + 5 dg
4 V 1 mv 1.0 % + 5 dg 40 V 10 mv 1.0 % + 5 dg 400 V 100 mv 1.0 % + 5 dg 750 V 1 V 1.5 % + 5 dg Měření odporů 400 Ohm 100 mohm 0.5 % + 3 dg 4 kohm 1 Ohm 0.5 % + 3 dg 40 kohm 10 Ohm 0.5 % + 3 dg 400 kohm 100 Ohm 0.5 % + 3 dg 4 MOhm 1 kohm 0.5 % + 3 dg 40 MOhm 10 kohm 3.0 % + 5 dg Tab. 2: Parametry přístroje METEX ME 31 pokračování Tab. 1 DC proudy rozlišení přesnost ±(%rdg+dig) 4 ma 10 ua 0.8 % + 3 dg 400 ma 100 ua 1.2 % + 3 dg 20 A 10 ma 2.0 % + 3 dg AC proudy 4 ma 10 ua 1.0 % + 5 dg 400 ma 100 ua 1.5 % + 5 dg 20 A 10 ma 3.0 % + 5 dg Kapacita ( ME 32 ) 4 nf 3.0 % + 10 dg 400 nf 3.0 % + 5 dg Teplota ( ME 32 ) 0-200 C 1 C 3.0 % + 5 dg 201-1000 C 1 C 3.0 % + 5 dg Test vodivosti < 50 Ohm Test tranzistorů 2 V, 1.5 ma vstupní impedance 10 MOhm / 50 pf počet měření 2 / s napájení 9 V baterie Pro vytvoření vlastního programu v LabVIEW, který komunikuje s multimetrem METEX ME 31, je nezbytné znát komunikační parametry tohoto přístroje. Jejich přehled nabízí následující tabulka č. 3. Tab.3: Komunikační parametry přístroje METEX ME 31 Parametr Hodnota Přenosová rychlost 600 baud (Transmission rate) Kódování znaků 7 bit ASCII Parita Žádná (none) Stop bity 2 Standard RS-232 Standard RS-232 (také sériový port nebo sériová linka), který v této úloze slouží ke spojení přístroje METEX s programem vytvořeným v LabVIEW, se používá jako komunikační rozhraní osobních počítačů = umožňuje propojení a vzájemnou sériovou komunikaci dvou zařízení, tzn. že jednotlivé bity přenášených dat jsou vysílány postupně za sebou (v sérii) po jediném vodiči, podobně jako u síťové technologie Ethernet nebo rozhraní USB. V současné době bylo v oblasti osobních počítačů sériové rozhraní RS-232 nahrazeno výkonnějším Univerzálním sériovým rozhraním (USB). Nicméně v průmyslu je tento standard velice rozšířen. Na rozdíl od komplexnějšího USB, standard RS-232 pouze definuje, jak
přenést určitou sekvenci bitů a nezabývá se už vyššími vrstvami komunikace. V referenčním modelu ISO/OSI tak představuje pouze fyzickou vrstvu. Standard definuje asynchronní sériovou komunikaci pro přenos dat. Pořadí přenosu datových bitů je od nejméně významného bitu (LSB) po bit nejvýznamnější (MSB). Počet datových bitů je volitelný, obvykle se používá 8 bitů, lze se také setkat se 7 nebo 9 bity. Logický stav 0 / 1 přenášených dat je reprezentován pomocí dvou možných úrovní napětí, které jsou bipolární a dle zařízení mohou nabývat hodnot ±5 V, ±10 V, ±12 V nebo ±15 V. Nejčastěji se používá varianta při které logické hodnotě 1 odpovídá napětí 12 V a logické hodnotě 0 pak +12 V. Základní tři vodiče rozhraní (příjem RxD, vysílání TxD a společná zem GND) jsou doplněny ještě dalšími sloužícími k řízení přenosu (vstupy DCD, DSR, CTS, RI, výstupy DTR, RTS). Ty mohou a nemusí být používány (zapojeny), nebo mohou být použity pro napájení elektronických obvodů v zařízení, jako je například počítačová myš. Výstupní elektronika je vybavena ochranou proti zkratu, kdy po překročení proudu 20 ma proud již dále neroste. Funkce LabVIEW pro sériovou komunikaci Softwarové zajištění komunikace programu vytvořeného v prostředí LabVIEW s přístrojem METEX přes sériovou linku umožňuje knihovna funkcí založených na standardu VISA (Virtual Instrument System Architecture). VISA je průmyslový standard definovaný sdružením VXI plug&play Systems Alliance. Umožňuje jednotnou komunikaci mezi PC a měřicími přístroji různých výrobců, což dovoluje snížení nákladů a času nutného na realizaci měření. Funkce knihovny NI-VISA určené pro komunikaci po sériové lince ukazuje obrázek č. 5. Obr. 5: Knihovna funkcí NI-VISA Serial Pro tuto laboratorní úlohu je nezbytné znát především tři základní funkce knihovny NI-VISA. Jedná se o funkci pro nastavení sériové komunikace funkce VISA Configure serial port a dále dvě pro čtení resp. zápis dat pomocí sériové linky funkce VISA Read resp. VISA Write. První z výše zmíněných funkcí má řadu vstupů, kterými programátor zadává vlastnosti portu (mimo jiné paritu, stop bity, přenosovou rychlost, počet data bitů, timeout, ). Tomuto nastavení je třeba věnovat náležitou pozornost, neboť špatně nastavěné parametry mohou komunikaci znemožnit. Příklad programu využívající VISA knihovnu pro komunikaci přes sériovou linku ukazuje Obr. 6.
Obr. 6: Příklad programu komunikujícího pomocí NI-VISA po sériové lince 3. Termistory Termistor je elektrotechnická součástka, jejíž elektrický odpor je závislý na teplotě. Rozlišujeme dva druhy termistorů - NTC a PTC termistor. NTC (někdy označovaný jako negastor) je termistor s negativním teplotním koeficientem, což znamená, že se zahřátím součástky odpor klesá tento druh termistoru je používán v předkládaném laboratorním cvičení. U PTC termistoru (někdy označovaný jako pozistor) se zahřátím odpor roste. NTC termistor se používá jako teplotní čidlo (k měření teploty). PTC termistor lze využít například k omezení proudu obvodem, kdy průchod většího množství proudu vyvolá ohřátí součástky, které má díky tomu vyšší odpor. Obr. 5: NTC termistor včetně přívodů
Obr. 6: Závislost odporu vybraných typů termistorů na teplotě Termistory se vyrábějí z oxidu různých kovů (Mn, Co, Ni, Cu, Ti, U, aj.), jež se rozemele na prášek, přidají se další příměsi a pojidlo a poté se za vysokého tlaku slisuje na žádaný tvar a spéká při vysoké teplotě (přes 1000 C). Výrobek se nechá zestárnout, aby se jeho vlastnosti stabilizovaly. Lisuje se do tvaru tyčinek, perliček, korálků, kotoučků nebo podložek malých rozměrů (řádu 1 až 10 mm). U termistorů lze pracovat pouze s malými proudy (asi 50 µa), proto se musí použit velmi citlivých měřících přístrojů. Termistory mají velký vnitřní odpor, proto je odpor jejich přívodních vodičů zanedbatelný. Jejich velikost umožňuje téměř bodové měření teploty a spolu s vysokou citlivostí splňují tyto součástky základní nároky na miniaturizaci techniky. Jejich většímu rozšíření brání jejich časová nestabilita a za nevýhodu lze považovat značnou nelineární závislost jejich odporu na teplotě (proto zde nemůžeme použít například trojčlenku pro výpočet odporu při určité teplotě (při známém počátečním odporu při určité teplotě).
Zadání laboratorního cvičení č. 3: Úkoly: 1) připojit multimetr spolu s termistorem (resp. fotorezistorem) k počítači 2) vytvořit v prostředí LabVIEW program, který umožní komunikaci s multimetrem Metex konkrétně odečítání odporu na termistoru, připojeném k multimetru 3) naměřit deset hodnot napětí na termistoru a na základě kalibrace vypočítat měřené teploty 4) Vytvořit program pro kontinuální záznam odporu fotorezistoru v čase. Data zobrazujte do grafu. Postup práce: 1) Multimetr Metex připojte přes sériový port k počítači (resp. přes převodník RS232/USB a USB port počítače). K multimetru připojte termistor. 2) Následuje sestavení programu v prostředí LabVIEW. Pomocí vhodných funkcí program zahájí komunikaci k multimetrem Metex a čte jeho výstupní signál. Pomocí kalibračního vztahu program převádí údaj na teplotu a naměřené hodnoty zobrazuje v grafu a ukládá do souboru. 3) Po sestavení programu proměřte průběh závislosti odporu termistoru na čase při jeho zahřívání resp. chlazení. 4) K multimetru Metex připojte místo termistoru fotorezistor a měřte jeho odpor v závislosti na čase při světelných změnách v okolí senzoru. Protokol o laboratorním cvičení bude obsahovat: a. Obraz blokového diagramu vytvořeného programu b. Graf naměřených hodnot při zahřívání a chlazení termistoru a při světelných změnách v okolí fotosenzoru Obr. 7: Multimetr metex s termistorem
Příloha k laboratornímu cvičení: - Graf a rovnice závislosti napětí na teplotě pro 10K termistor 20 18 16 R = f(t), termistor 10K R = 34,411e 0,048t R (kohm) 14 12 10 8 6 4 2 0 10 15 20 25 30 35 40 45 t ( C) - Graf a rovnice závislosti napětí na teplotě pro 100K termistor 200 180 160 R = f(t), termistor 100K R = 377,8e 0,055t 140 R (kohm) 120 100 80 60 40 20 0 10 15 20 25 30 35 40 45 t ( C) - Vzorový program pojmenovaný metex.vi pro měření napětí pomocí multimetru Metex bude v případě potřeby prezentován či poskytnut asistentem během cvičení