Politechnika Częstochowska
Wydział Elektryczny
Instytut Elektroniki i Systemów Sterowania
Badanie systemu pomiarowo-regulacyjnego
SPR1 firmy „Metrol”
1 Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest poznanie działania przemysłowych regulatorów temperatury i wilgotności na przykładzie systemu pomiarowo regulacyjnego SPR1 firmy Metrol. Dodatkowym celem jest obserwacja i komputerowa rejestracja przebiegu procesów regulacji warunków w zamkniętej komorze klimatycznej.
2 Wstęp teoretyczny.
2.1 Pomiar temperatury
Temperatura jest jedną z podstawowych w termodynamice wielkości fizycznych będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ. Definicję temperatury podał J. C. Maxwell:
Temperatura ciała jest jego stanem cieplnym rozpatrywanym w odniesieniu do jego zdolności przekazywania ciepła innym ciałom.
Pomiar temperatury odbywa się w oparciu o tzw. zerową zasadę termodynamiki, która brzmi:
Jeżeli ciało A jest w równowadze termicznej z ciałem C i ciało B jest w równowadze termicznej z ciałem C to oba ciała A i B są w równowadze termicznej.
2.2 Przyrządy do pomiarów temperatury
a)
Właściwości przyrządów do pomiaru temperatury
Tabela 2.1 Właściwości przyrządów do pomiaru temperatury Zasada pomiaru Zakres
i niepewność Zastosowanie Ograniczenia Termometry cieczowe
rtęć w szkle -38 do 550°C ±0,
03 do ±2 K
-temperatura stykającego się gazu lub
cieczy w gazie zakłócenia od promieniowania ciecz organiczna w
szkle
-200 do 200°C
±0,03 do ±2 K temperatura stykającego się gazu lub cieczy w gazie zakłócenia od promieniowania
Termometry rezystancyjne
platynowe - z uzwojeniem rezystancyjnym
-259 do 1000°C
±0,15do±6,0K do dokładnych i/lub zdalnych pomiarów temperatury otoczenia do dokładnych i/lub zdalnych pomiarów temperatury otoczenia; stała czasowa nawet 10 ms; niewrażliwe na wibracje
wyższy koszt; zakłócenia od promieniowania; bezwładność ciepła platynowe - miniaturowe z rezystorem wykonanym techniką cienkowarstwową -50do600°C ≥±0,05K •krzemowe półprzewodnikowe produkowane wg technologii planarnej -50 do 300°C
≥±0,5% do zdalnych pomiarów temperatury otoczenia; duży sygnał pomiarowy 15/K charakterystyka linearyzowana w układzie pomiarowym Termistory -100do200°C ≥±0,005K
do zdalnych pomiarów; punktowe pomiary; mała stała czasowa,
nieliniowe różne charakterystyki; ulegają starzeniu
Termoelementy
Au/Pt -50dol000°C
±0,05do±lK bardzo dokładne jako termometry odniesienia typu laboratoryjnego; wysoki koszt Typ K (Ni-Cr/Ni-Al.)
oraz Typ N (Ni-Cr-Si/Ni-Si)
do 1200°C ±1,5 do ±10 K
do rutynowych pomiarów raczej w wyższych temperaturach; do zdalnych pomiarów
najmniej dokładne z wymienionych termoelementów narażone na utlenienie Typ J (Fe/konstantan) do750°C
±1,5 do ±6 K jw. Typ T (Cu/konstantan) do 350°C
± 0,5 do ±9 K jw; przystosowane specjalnie do niższych temperatur Typ E (Ni-Cr/konstantan) do900°C
±l,5do±7K jw; przystosowane specjalnie do niższych temperatur
Termometr bimetalowy -20 do 660°C ±1 K; zwykle większa
do zgrubnych pomiarów opóźnienie czasowe; nie nadaje się do zdalnych pomiarów
Termometr manometryczny
•napełniony cieczą (zmiana
objętości) -50dol50°C±2K do zdalnych pomiarów błędy z wadliwej instalacji napełniony gazem (zmiana
ciśnienia) -75do660°C±2K do zdalnych pomiarów błędy z wadliwej instalacji ••napełniony parą (zmiana
ciśnienia) 5do250°C±2K do zdalnych pomiarów błędy z wadliwej instalacji pirometr radiacyjny
zwierciadłowy
-20 do 1000°C ±0,5K
do zdalnych pomiarów temperatury powierzchni
b)
Termometry rezystancyjne metalowe
Termometry rezystancyjne należą do grupy termometrów elektrycznych parametrycznych. Wykorzystują one zjawisko zmiany rezystancji elementu czynnego wraz ze zmianą
temperatury.. Ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań jąder atomów oraz prawdopodobieństwo zderzeń elektronów swobodnych i jonów, co powoduje wzrost rezystancji ze względu na hamowanie ruchu elektronów.
Materiał, z którego jest wykonany czujnik, powinien charakteryzować się następującymi własnościami:
• dużą zmiennością rezystancji z temperaturą • duża rezystywnością
• stabilnością i powtarzalność parametrów fizycznych • liniową charakterystyką i brakiem histerezy
W termometrach rezystancyjnych metalowych czujniki metalowe wykonuje się najczęściej z platyny, niklu lub miedzi. Charakteryzują się prawie liniową charakterystyką i dużą stałością parametrów. Zakresy zastosowań czujników metalowych podano poniżej w tabeli 2 .2 .
Tabela 2.2 Zakresy pomiarowe rezystancyjnych czujników temperatury
Rodzaj materiału czujnika Zakres pomiarowy w [oC]
Platyna -250 ÷ 1000
Nikiel -60 ÷ 180
Miedź -50 ÷ 150
Najważniejszym elementem termometru oporowego z metalu jest cienki drut, najczęściej zwinięty w spiralę i rozpięty na izolatorach. Całość mieści się w dobrze przewodzącej ciepło metalowej obudowie, którą wsuwamy do obszaru mierzonej temperatury (Rys. 2 .1). Niedokładność termometrów oporowych jest spowodowana między innymi błędem samonagrzewania wywołanym ogrzewaniem się czujnika rezystancyjnego w trakcie pomiaru. Wielkość tego błędu jest zależna od prądu płynącego przez czujnik oraz warunków oddawania ciepła w danym środowisku a więc nie jest możliwe uwzględnienie tego błędu podczas skalowania czujnika.
Rys. 2.1 budowa termometru oporowego metalowego
c)
Regulacja dwustawna
Regulacja dwustawna (dwupołożeniowa) temperatury znajduje szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach jako jeden z prostszych sposobów automatycznej regulacji temperatury. Ten sposób regulacji ciągłej może przybierać tylko dwie wartości umownie przyjęte jako 0 i 1 najlepiej można przedstawić ten algorytm w postaci charakterystyki statycznej u=φ(e) (Rys. 2 .2).
Rys. 2.2 Charakterystyka nieliniowa algorytmu regulatora dwustawnego a) z histerezą b) bez histerezy
d)
Ogniwo Peltiera jako element chłodzący
Ogniwo Peltiera jest elementem półprzewodnikowym zbudowanym z dwóch bardzo cienkich płytek, pomiędzy którymi znajdują się dzięki miedzianym ścieżkom na wewnętrznych powierzchniach płytek obudowy ceramicznej. Szeregowo ułożone półprzewodniki naprzemiennie typ p i n (termopar), których zadaniem jest transport ciepła z jednej strony elementu na przeciwną. Moduł termoelektryczny zasilany jest zazwyczaj dużym
h a) 0 1 b) 0 1 u u e e
prądem przy niskim napięciu, którego przepływ powoduje przenoszenie ciepła. Oznacza to, że jedna strona ogniwa będzie chłodzona a przeciwna podgrzewana. Zjawisko to jest w pełni odwracalne, podczas odwrotnej polaryzacji napięcia zasilającego strona wcześniej podgrzewana będzie chłodzona. W związku z tym moduł termo-ogniwa może być stosowany zarówno do podgrzewania jak i chłodzenia czy nawet zadawania żądanej temperatury z dużą dokładnością, wynikającą z łatwości sterownia jego pracą.
Rys. 2.3 Budowa ogniwa Peltiera
2.3 Pomiar wilgotności
Wilgotność jest parametrem fizycznym mieszaniny gazu i pary wodnej. Miarą wilgotności jest udział pary wodnej zawartej w tej mieszaninie. Wilgotność bezwzględna jest to ilość gramów pary wodnej zawarta w jednostce objętości wilgotnego gazu.( 2 .1) W praktyce wilgotność bezwzględną określamy z reguły na drodze pomiaru aktualnego ciśnienia pary wodnej (e), który jest dużo łatwiejszy od pomiarów wagowych.
] [g m3 V m H w (2.1) gdzie:
mw – masa pary wodnej zawartej w wilgotnym powietrzu,
Maksymalna ilość pary wodnej w określonej ilości powietrza silnie zależy od temperatury powietrza. Im wyższa temperatura powietrza, tym więcej pary wodnej może się w nim znajdować. Przekroczenie maksymalnej wilgotności (np. w wyniku obniżenia temperatury powietrza) powoduje skraplanie się pary wodnej. Zależność maksymalnej ilości pary wodnej od temperatury pokazuje Rys. 2 .4. Stosunek prężności pary wodnej znajdującej się aktualnie w powietrzu do prężności pary wodnej nasyconej w tej samej temperaturze nazywamy wilgotnością względną powietrza i definiujemy wzorem ( 2 .2).
%
100
%
100
,
,
"
T
p
T
p
w
w
E
e
N
N
(2.2)gdzie: Nw – ułamek molowy pary wodnej w danej objętości wilgotnego powietrza,
N”w – ułamek molowy pary wodnej nasyconej w tej samej objętości wilgotnego
powietrza,
e – ciśnienie pary wodnej w wilgotnym powietrzu (hPa), E – ciśnienie nasyconej pary wodnej w wilgotnym powietrzu,
p, T – indeksy wskazujące, że każdy parametr występuje w identycznych warunkach ciśnienia i temperatury.
Temperatura punktu rosy oznacza temperaturę, do jakiej należy ochłodzić powietrze przy stałej prężności pary wodnej, aby prężność aktualna pary wodnej stała się równa prężności maksymalnej. Po obniżeniu temperatury poniżej temperatury punktu rosy część wody ulega skropleniu.
Tabela 2.3 Właściwości przyrządów do pomiaru wilgotności Typ czujnika Kategoria
czujnika Zasada działania Przybliżony zakresi niepewność pomiaru
Zastosowanie
psychrometr chłodzenie z
odparowania pomiar temperatury mokrego termometru (wyznaczanie wilgotności względnej)
0 do 80°C
φ (±3 do ±7%) pomiar,regulacja meteorologia
chłodzone lustro punkt rosy
pomiar temperatury w
momencie powstawania rosy na lustrze -detekcja optyczna
-75 do 95°C TR lub TO
(±0,2do±2K)
pomiar, regulacja meteorologia detekcja czujnikiem SAW -75 do +60°C
TR lub TO
(±0,ldo±0s2K) ogrzewany roztwór
LiCl punkt rosy pomiar temperatury czujnika ogrzewanego do stanu równowagi roztworu LiCl w punkcie potrójnym -30 do 70°C TR lub TO (±l,5do±4K) pomiar, regulacja meteorologia
włosowy mechaniczny zmiana wymiaru 5 do 100% φ (±5%) pomiar, regulacja tworzywo mechaniczny zmiana wymiaru 5 do 100%
φ (±5 do 7%) pomiar,regulacja typ Dummore elektryczny zmiana impedancji 7 do 98%;
-5 do 60°C φ (±1,5%)
pomiar, regulacja
żywica
jonowymienna elektryczny zmiana impedancji lub pojemności elektrycznej 10 do 100% w temp.-40 do 90° C; φ (±5%)
pomiar, regulacja
porowata ceramika elektryczny zmiana impedancji lub
pojemności elektrycznej <200°C, 20 do 97% φ (±2do±3%)
pomiar, regulacja
tlenek glinu elektryczny zmiana pojemności elektrycznej 5 do 100% φ (±3%) pomiar, regulacja fala
powierzchniowa akustyczna
elektryczny zmiana stopnia wzmocnienia
SAW 85 do 98% φ (±l%) pomiar, regulacja absorpcja
promieniowania absorbujeparę wodną, punkt rosy
zmiana widma absorpcyjnego w
zakresie podczerwieni i UV -20 do 80°C TR lub TO (±2K)
pomiar, regulacja meteorologia piezoelektryczny
efekt zmiana drgań z obciążeniem zmiana masy kwarcu od absorpcji wilgoci -75 do -20°C pomiar niskich φ meteorologia wskaźnik barwny Zjawisko
fizyczne Zmiana koloru 10 do 80% φ (±10%) Systemy alarmowe
a)
Higrometry pojemnościowe
Higrometry pojemnościowe wyposażone w polimerowy czujnik pojemnościowy np.
z dielektrykiem organicznym wykorzystują zjawisko wzrostu pojemności elektrycznej dielektryka wraz ze wzrostem wilgotności względnej powietrza. Czujnik pojemnościowy jest
kondensatorem, w którym pomiędzy okładkami może być umieszczona porowata pianka z polimeru. Jeśli para wodna dostanie się do porów, pojemność elektryczna C kondensatora zwiększa się, dzięki dużej wartości przenikalności elektrycznej wody. Im większa wilgotność powietrza, tym większe jest C. Ponieważ polimer nie wchłania wody na stałe, przy małej wilgotności powietrza woda wyparowuje z pianki. Zmiany pojemności rejestruje elektroniczny miernik, wykorzystujący prądy wysokiej częstości. Innym materiałem wykorzystanym do budowy czujników pojemnościowych jest tlenek glinu z naniesioną elektrolitycznie warstwą tlenku glinu o dużej higroskopijności (Rys. 2 .5). Tlenek ten pokrywa przepuszczalna dla wilgoci cienka warstwa chromu lub złota wraz z nie wytrawioną płytką aluminiową tworzą okładki kondensatora złożonego z warstwy tlenku glinu.
Rys. 2.5 Czujnik z warstwą tlenku glinu a) model struktury czujnika b) układ zastępczy
R0, C0 – pojemności i rezystancja zastępcza porowatej warstwy tlenku
Ra, Ca – pojemności i rezystancja zastępcza litej warstwy tlenku
R – Oporność czynna warstwy porowatej
3 Obsługa stanowiska
3.1 Obsługa komory stanowiska do pomiaru i regulacji
temperatury i wilgotności
OSTRZEŻENIE
Upewnij się, że wtyczka i przewód zasilania nie są uszkodzone przed rozpoczęciem używania. Jeżeli pojawi się przyczyna dla usunięcia zniszczonej wtyczki, natychmiast wykręć bezpiecznik i zdemontuj wtyczkę. Nie podłączaj wtyczki do gniazda zasilania, jeżeli występuje jakiekolwiek okoliczności powodujące ryzyko.
Załączenie napięcia na transformatory Tr1 i Tr2 odbywa się za pomocą przełącznika S znajdującego się z lewej strony komory. Jest on oddalony od reszty przełączników ze względu na separację napięcia sieci od napięcia zasilającego elementy komory.
Uwaga: do tego przełącznika i do gniazda bezpiecznika (B) doprowadzone jest napięcie sieciowe o wartości 230V zabrania się jakichkolwiek manipulacji przy tych elementach bez odłączenia urządzenia od zasilania.
Gdy wyłącznik S znajduje się w pozycji „1” możliwe jest załączenie pozostałych elementów za pomocą przełączników kołyskowych S1-S5. gdzie:
S1 - załączenie wentylatora wewnętrznego (W1, przyspieszającego ruch powietrza wewnątrz
komory,
S2 – załączenie elementu grzejnego – żarówki (Ż)
S3 – załączenie układu chłodzącego - ogniwa Peltiera (Pl) wraz z wentylatorem (W3) S4 – załączenie generatora pary (Gn)
S5 – załączenie wentylatora (W2) umożliwiającego wyrównanie warunków z otoczeniem,
Załączeniem wentylatora (W4), umożliwiającego wyrównanie warunków z otoczeniem, steruje sterownik SPR1.
Ze względu na ograniczenie mocy transformatora Tw1 nie należy jednocześnie włączać układu nagrzewania i układu chłodzenia.
3.2 Obsługa systemu SPR1
a) Opis ogólny systemu
Mikroprocesorowy system pomiarowo-regulacyjny SPR1 jest przeznaczony do pomiaru, regulacji i rejestracji temperatury oraz wilgotności. Umożliwia regulację programową lub stałowartościową. Na płycie czołowej systemu SPR1 widzimy cztery pola odczytowe, dziewięć przycisków oraz osiem diod sygnalizacyjnych (Rys. 3 .6)
Rys. 3.6 Widok płyty czołowej systemu SPR1
Pole nr 1 wyświetla wartość temperatury zmierzonej czujnikiem PT1000. Pole 2 wyświetla wilgotność mierzoną przez czujnik pojemnościowy sondy STW3. W polu 3 wyświetlana jest wartość zadana temperatury, czyli wartość po przekroczeniu której nastąpi załączenie chłodnicy (ogniwo Peltiera na tylnej ścianie komory). W polu 4 wyświetla się numer aktualnie używanego programu pracy.
Zaświecenie się diody oznacza odpowiednio: D1 – System jest w stanie programowania
D3 – Styki układu odpowiadające za pracę chłodnicy są załączone
D4 – Stan alarmowy dla temperatury (została przekroczona górna lub dolna granica temperatury, zwarcie styków 3 i 4
D8 - Stan alarmowy dla wilgotności (została przekroczona górna lub dolna granica dopuszczalnej wilgotności), zwarcie styków 5 i 6. Programowanie parametrów SPR1
Aby wejść w tryb przeglądania i programowania należy wcisnąć na obudowie przycisk PROG w tym momencie zaświeci się dioda D1 a w polu 3 (Rys. 3 .6) pojawi się grupa parametrów systemowych AL. (inne opcje w tym modelu są niedostępne). Wciskamy przycisk ENTER. Na lewym wyświetlaczu (pole 3) wyświetlany jest symbol parametru, a na prawym(pole 4) jego wartość. Klawiszami ▲▼ można wybrać żądany parametr. W ten sposób można też przeglądać wartości parametrów. Aby zmienić wartość wybranego parametru należy wcisnąć przycisk ENTER.
Pole nr 1
Pole nr 3
Pole nr 2
Tabela 3.4 Parametry systemu SPR1 i ich oznaczenia
Alt¯ - dopuszczalna górna temperatura (°C),
nr - numer systemu (do współpracy z komputerem)
Alt_ - dopuszczalna dolna temperatura (°C),
SPt - wartość zadana temperatury ALH¯ - dopuszczalna górna wilgotność
(%),
HiSt - histereza załączenia chłodnicy ALH_ - dopuszczalna dolna wilgotność
(%),
I Od - kod dostępu
dELt - poprawka temperatury (##.# °C), StAt - parametr niewykorzystywany - ustaw.- 0 dELH - poprawka wilgotności (##.# %),
W tym momencie zaczyna migać wartość parametru, którą można zmienić za pomocą przycisków ▲▼. Powrót do fazy poprzedniej (miganie nazwy parametru) może być dokonany przez wciśnięcie ENTER lub ESC.
W przypadku wciśnięcia ENTER nowa wartość parametru zostaje zapisana, natomiast wciśnięcie ESC powoduje zaniechanie korekty parametru i powrót do poprzedniej wartości. Następne wciśnięcie klawisza ESC powoduje wyjście z trybu programowania
System SPR1 daje możliwość zabezpieczenia przed zmianami ustawień parametrów za pomocą czterocyfrowego kodu (parametr i0D), którego wartość trzeba podać, aby wejść w tryb zmiany parametru. Jeżeli kod jest ustawiony na 0000 to działanie zabezpieczające jest wyłączone. Nie wolno używać tej opcji!
4 Przykładowy przebieg ćwiczenia
Na początku ustawiamy parametry sterownika SPR1.
dopuszczalna górna temperatura (Alt¯) z przedziału (40-60)°C dopuszczalna dolna temperatura (Alt_) z przedziału (15-20)°C dopuszczalna górna wilgotność (ALH¯) z przedziału (75-90)% dopuszczalna dolna wilgotność (ALH_) z przedziału (20-30)% temperatura załączenia chłodnicy (SPt) z przedziału (40-50)°C wartość histerezy chłodzenia (HiSt) z przedziału (2-5)°C nr systemu – 2 lub 3.
Proces programowania sterownika jest szerzej opisany w rozdziale 2 . Wartości parametrów zanotować w protokole realizacji ćwiczenia.
Zdjąć pokrywę komory. Zapoznać się z jej wyposażeniem. Sprawdzić poziom i ewentualnie uzupełnić wodę w pojemniku z generatorem pary.
Skrótem na pulpicie uruchamiamy program KSWT 1.0 Wybieramy numer portu, do którego podłączony jest SPR1 (COM2) i częstotliwość transmisji (9600 bd). Pomiar rozpoczynamy wciskając przycisk Start. W tym momencie powinno się rozpocząć rysowanie wykresu, Jeśli to nie nastąpiło należy sprawdzić czy SPR1 jest prawidłowo podłączony do komputera i czy parametry transmisji są prawidłowe. Otrzymanie komunikat o błędzie transmisji I/O wskazuje na niezgodność numeru systemu z przyjętym na stałe w programie KSWT. W SPR1 zmienić parametr „nr” na 1.
Na początku włączamy wentylator W1 włącznikiem S1. Czekamy około trzech minut, aby na wykresie zarejestrował się stan początkowy. Po tym czasie załączamy układ chłodzenia Pl+W3 włącznikiem S3. Obserwujemy spadek temperatury. Następnie wyłączamy ogniwo Peltiera i włączamy wentylator W2 włącznikiem S5, za pomocą którego warunki wewnątrz komory zbliżają się do warunków otoczenia. Po ich wyrównaniu wentylator W2.
Następną fazą jest zwiększenie wilgotności. Generator pary uruchamiamy włącznikiem S4 i wyłączamy go po przekroczeniu zadanej dopuszczalnej górnej wartości ALH¯ (zapalenie się diody D4 sygnalizującej stan alarmowy dla wilgotności – przekroczenie zakresu).
Po chwili włączamy żarówkę Ż za pomocą wyłącznika S2 i rozpoczynamy proces nagrzewania komory. Temperatura wzrasta. Po przekroczeniu przez mierzoną temperaturę wartości SPt regulator SPR1 załącza wentylator W4 (świeci dioda D3), który obniża temperaturę wewnątrz komory. Warunki zbliżają się do warunków otoczenia. Gdy temperatura spadnie poniżej SPt-HiSt proces chłodzenia zostaje przerwany. Czekamy, aby aż cykl powtórzył się kilkakrotnie. W tym czasie zmieniamy parametr Alt_ tak, aby zaobserwować naprzemienne włączanie i wyłączanie diody sygnalizacyjnej D4. Po zaobserwowaniu kilku cykli automatycznej regulacji temperatury wyłączamy układ nagrzewania - S2 i włączamy generator pary Gp włącznikiem S4. Po przekroczeniu przez wilgotność wskazywaną w polu 2 regulatora (Rys. 3 .6) parametru ALH¯ wyłączamy generator pary – S4. Załączamy wentylator W2 włącznikiem S5, który wyrównuje warunki wewnątrz komory z warunkami otoczenia. Obserwujemy fakt, że wilgotność względna wewnątrz komory spada poniżej wilgotności otoczenia, gdyż temperatura spada wolniej niż wilgotność bezwzględna.
Zapisać uzyskane dane przebiegów temperatury i wilgotności. Wykresy przygotowane w dowolnym programie biurowym, np. Excel, Surfer załączyć do sprawozdania z naniesionymi wartościami parametrów temperatury i wilgotności oraz legendą. Na przebiegu ćwiczenia oraz wykresów z legendą opisać poszczególne stany pracy komory i sterownika SPR1.
Uzyskane wykresy powinny być podobne do poniższych:
Rys. 4.7 Przebieg temperatury w czasie różnych stanów pracy komory uzyskany za pomocą programu KSWT T[°C]=f(t)[s].
Rys. 4.8 Przebieg wilgotności w czasie różnych stanów pracy komory uzyskany za pomocą programu KSWT H[%]=f(t)[s].
