Full Text - Politechnika Wrocławska

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 63
Politechniki Wrocławskiej
Nr 63
Studia i Materiały
Nr 29
2009
czujniki temperatury, LabVIEW
Krzysztof PODLEJSKI*
BADANIA WYBRANYCH CZUJNIKÓW TEMPERATURY
WSPÓŁPRACUJĄCYCH Z KARTAMI POMIAROWYMI
W LabVIEW
Czujniki temperatury należą do grupy przetworników często stosowanych w systemach automatyzacji procesów kontrolno-pomiarowych. Ich podstawowe parametry określane są w kartach katalogowych. Charakterystyki odpowiedzi czujników podawane są dla ogrzanego oleju i ogrzanego powietrza. Wyniki eksperymentów realizowanych w środowisku LabVIEW z wykorzystaniem kart
pomiarowych
i czujników temperatury wskazują na różnice w sygnałach wyjściowych czujników, odbiegające od
deklarowanych danych katalogowych. Różnice te są szczególnie widoczne przy stosowaniu kart pomiarowych wyższych rozdzielczości i dotyczą współczynnika przetwarzania, liniowości, dokładności i czasowej charakterystyki odpowiedzi. Przyczyny występujących różnic są spowodowane prawdopodobnie warunkami pracy czujników, odbiegającymi od badań modelowych. W wielu
zastosowaniach LabVIEW, wybór kart pomiarowych i czujników pomiarowych różnych wielkości
fizycznych wymaga kompromisu ze względu na przyjęte kryteria optymalizacji działania systemu
kontrolno-pomiarowego. Artykuł zawiera wyniki badań dwóch czujników temperatury stosowanych
w symulacji procesu kontroli produkcji pary przegranej w elektrowniach.
1. WSTĘP
Wykorzystanie środowiska LabVIEW w praktyce pomiarów, kontroli, automatyzacji procesów technologicznych, budowy przyrządów pomiarowych, akwizycji danych
i ich analizy jest powszechnie znane [2]. W wielu przypadkach, przed wprowadzeniem
rozwiązań do praktyki, jest korzystne przeprowadzenie rozszerzonych badań symulacyjnych automatyzowanego procesu z wykorzystaniem rzeczywistych czujników pracujących w warunkach odbiegających od modelowych. Przykładem takiego
_________
* Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-370 Wrocław,
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected]
538
procesu jest automatyzacja wytwarzania pary przegrzanej wykorzystywanej do produkcji energii elektrycznej w turbogeneratorze. Rysunek 1 przedstawia model
w LabVIEW omawianego procesu składający się z taśmociągów, młyna kulowego
i układu piec-kocioł wytwarzającego parę. Piec jest połączony z filtrem odprowadzającym spaliny do komina. Model zbudowano jako układ elektronicznomechaniczny [1].
Rys. 1. Proces wytwarzania pary przegrzanej
Fig. 1. Superheated steam control
Na podstawie pomiarów wartości temperatur jest realizowany zautomatyzowany
proces produkcji pary przegrzanej. W badaniach symulacyjnych zastosowano czujniki
temperatur o parametrach odpowiadających czujnikom stosowanym w warunkach
rzeczywistych z uwzględnieniem współczynnika skali. Analiza rejestrowanych wyników pomiarów wartości temperatury wskazuje na różnice danych z czujników temperatury. Niezgodność wyników spowodowała konieczność przeprowadzenia dodatkowych badań.
539
2. METODYKA I PRZEBIEG BADAŃ
Badania czujników temperatury [3, 4] zostały przeprowadzone w warunkach symulujących charakterystyczne rzeczywiste warunki pracy czujników (zmiany wartości
temperatury pieca symulowano układem sterującym mocą grzania żarówki halogenowej). W pierwszym etapie badań rejestrowano odpowiedź czujników na zmianę temperatury w przedziale 25–80 °C.
TEMPERATURA [°C]
78
68
58
48
38
LM35
LM335
28
0
.
200
400
600
800
1000
1200
1400
KOLEJNE PRÓBKI
Rys. 2. Czas rejestracji T = 1500 s
Fig. 2. Data logging T = 1500 s
Wyniki przedstawione na rys. 2 wskazują na stopniowy wzrost różnicy wskazań
wartości temperatury wskazywanych przez czujniki, nie związany z ich dokładnością.
Różnica ta w skrajnym przypadku wynosi około 7 °C.
Następnie przeprowadzono badania w warunkach stabilnych (stała wartość zadawanej temperatury). Program umożliwia zadanie wartości temperatury w dwóch trybach. Pierwszy polega na ustawienie stałej wartości mocy grzania żarówki za pomocą
odpowiedniego sygnału sterującego. Drugi tryb realizowany jest przy wykorzystaniu
regulatora PID z sygnałem sprzężenia zwrotnego z czujnika LM35. Przykładowe wyniki badań przedstawia wykres na rys. 3. obrazujący zarejestrowane wartości temperatury obu czujników przy stałej mocy grzania. Podobne rezultaty otrzymano przy
zastosowaniu regulatora PID. W obu przypadkach wartości odchyleń standardowych
są niewielkie (maksymalnie około 0,3˚C), natomiast wartości średnie różnią się
o około 7 °C.
540
80
TEMPERATURA [°C]
79
LM35
78
LM335
77
76
75
74
73
72
71
70
0
50
100
150
200
KOLEJNE PRÓBKI
Rys. 3. Czas rejestracji T = 200 s
Fig. 3. Data logging T = 200 s
W kolejnym etapie badań przeprowadzono porównanie danych z analizowanych
czujników z czujnikiem odniesienia PT100. Przykładowe wyniki przedstawiono
w tabeli 1. W odniesieniu do czujnika PT100 oba czujniki, wykorzystywane do badań
symulacyjnych, wykazują błędy podstawowe i współczynniki nieliniowości o wartościach większych niż zadeklarowane w danych katalogowych.
Tabela 1. Wartości danych z czujników temperatur
Table 1. Values of temperature sensors
PT 100
LM335
LM35
[°C]
[°C]
[°C]
1
2
3
4
5
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
32,0
41,2
49,5
59,5
66,6
32,1
42,5
52,5
64,3
72,6
6
80,0
73,7
81,4
7
90,0
82,1
91.6
Lp.
Rejestracja danych z czujników i wizualizacje wykresów (rys. 3) są fragmentem
programu [1] sterującego procesem produkcji pary przegrzanej. Komunikacja z układem symulującym (rys. 1) realizowana jest poprzez kartę pomiarową NI 6221 [5, 6].
541
Rejestrator umożliwia zapisanie danych wyjściowych z uwzględnieniem właściwości
dynamicznych czujników. Dla obu badanych czujników czas odpowiedzi wynosi
około 3 sekund.
Rys. 4. Panel czołowy rejestratora
Fig. 4. Front panel of the recorder
3. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Analiza uzyskanych wyników wskazuje na różnice charakterystyk obu czujników
temperatury w odniesieniu do danych katalogowych w badanym zakresie wartości
temperatury. Czujnik LM335 (dokładność typowa ±1–±2 °C) zachowuje deklarowane
właściwości w przedziale 30–60 °C, natomiast czujnik LM35 (dokładność typowa
±0,6 °C) nie spełnia oczekiwanych wymagań. Układem odniesienia był czujnik
PT100. W obu przypadkach współczynnik przetwarzania wynosi 10 mV/°C. Szukając
odpowiedzi na pytanie o przyczyny niespełnienia właściwości metrologicznych przez
czujniki dokonano analizy toru pomiarowego w zrealizowanym urządzeniu a w szczególności sposobu podłączenia czujników do karty pomiarowej. Zlokalizowano dwa
błędy.
542
Pierwszy polegał na nieprawidłowym połączeniu masy zewnętrznego zasilacza
z kartą pomiarową. To spowodowało powstanie dodatkowego sygnału zakłócającego
sygnał pomiarowy.
Drugi błąd polegał na umieszczeniu źródła prądowego w pobliżu żarówki
i w efekcie powstał dodatkowy błąd temperaturowy. Zauważone błędy zostały usunięte. Ponowne wyniki badań wykazały poprawność działania czujników i całego
układu (rys. 5). Uzyskane rezultaty wskazują także na możliwość wykorzystania układu do badania właściwości innych czujników temperatury.
Rys. 5. Panel obliczeń statystycznych
Fig. 5. Front panel of the mathematical statistic
LITERATURA
[1] PODLEJSKI K., RAK J., Symulacja procesu produkcji pary przegrzanej, Prace Naukowe Inst. Maszyn i pomiarów Elektrycznych PWr. Nr 54, 2007, 367–374.
[2] TŁACZAŁA W., Środowisko LabVIEW w eksperymencie wspomaganym komputerowo, Warszawa,
WNT, 2002.
[3] National Semiconductor, LM335 Precision Temperature Sensors.
543
[4] National Semiconductor, LM35 Precision Centigrade Temperature sensors.
[5] National Instruments, NI 622x Specification.
[6] National Instruments, M Series User Manual NI622x, 2004–2006.
TESTING CHOOSEN TEMPERATURE SENSORS
OPERATED WITH THE LabVIEW DAQ BOARD
The article presents a some problem of the DAQ Board to the temperature sensors. Misapplication
connection caused a ground loop-potential are added to measured signal. Second error follow from work
reference supply at elevated temperature.