Przyk³adowe Pomiary - Politechnika Rzeszowska
advertisement
POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza PROJEKT Przedmiot: Systemy akwizycji i przesyłania informacji Temat: Pomiary za pomocą multimetru LV measurements manual ch.4 Wykonał: Krzysztof Futyma ZUMFL II Prowadzący: dr inż. Adam Stadler National Instruments Corporation 4-1 LabVIEW Measurements Manual 4 4. Przykładowe Pomiary Rozdział ten opisuje wykonywanie pomiarów z użyciem LabVIEW. Wiele z przytoczonych tutaj przykładów pokazują sposoby pomiarów z użyciem MIO – Multifunction Input Output, urządzenia typu DAQ. Przykłady wykorzystują DAQ VIs. Inne przykłady wyjaśniają w jaki sposób dokonać pomiarów wykorzystując przyrząd. Przyrząd może urządzeniem dołączonym do magistrali GPIB, poru szeregowego lub dedykowanej karty rozszerzeń. Przykłady przyrządów pomiarowych używają sterowników IVI klasy ale VIs jest klasą bardzo podobną tak więc można tworzyć aplikacje z różnymi typami sterowników. Przykłady pomiarów DMM W tym podrozdziale opisane zostaną sposoby pomiarów z wykorzystaniem typowego multimetru cyfrowego. W celu konfiguracji cyfrowych i analogowych kanałów w urządzeniu DAQ można wykorzystać Kreatora Kanałów DAQ . Użycie kreatora opisane jest w rozdziale 3 „Instalacja i Konfiguracja Sprzętu pomiarowego”. Pomiary napięcia stałego (DC VOLTAGE) Przebiegi prądu stałego (DC) są analogowymi sygnałami wolnozmiennymi w czasie. Sygnały DC obejmują pomiary napięcia, temperatury, ciśnienia i obciążenia. Od kiedy urządzenia DAQ odczytują napięcie, wiele wyżej wymienionych wielkości jest mierzalnych ale pomiary wymagają zastosowania transduktora (ang. Transducer). Transduktor jest urządzeniem, które konwertuje wielkości fizyczne na sygnał elektryczny. Sygnały prądu stałego pozwalają na dokładne pomiary amplitudy sygnału w momencie czasu. Aby poprawić dokładność większości pomiarów należy używać niezakłócone sygnały DC o dobrych parametrach. Jakość sygnału pomiarowego wymaga koordynacji sygnału zarówno sprzętowo jak i programowo. Sygnały DC przed pomiarem podlegają programowemu uśrednianiu, filtracji i linearyzacji a sprzętowo wzmocnieniu, dla termopary kompensacji cold=junction (spoina odniesienia), wzbudzeniu i filtracji. W tym dokumencie w pierwszym rzędzie zostanie rozpatrzona tylko programowa strona poprawiania jakości sygnału. Rozdział 9 SCXI – Signal Conditioning opisuje programowe sposoby poprawiania jakości sygnału. National Instruments Corporation 4-1 LabVIEW Measurements Manual Sprzętowe rozwiązania przedstawione są w sieci Internet na stronie www.ni.com/appnotes.nsf/, w dokumentach dotyczących uwag aplikacyjnych 048 pod nazwą : Signal Conditioning Fundamentals for C-Based Data Acquisition Systems. Przedstawione niżej przykłady ukazują system akwizycji danych, pozyskiwanie typowego sygnału, schemat fizycznych połączeń transductora, i diagramy pozyskiwania z wykorzystaniem programu LabVIEW. Przykład: Pomiar Single - Point Rysunek 4-1 przedstawia prosty system akwizycji danych z wykorzystaniem sygnałów prądu stałego do pomiaru prędkości wiatru z użyciem anemometru. Transducer Konwersja analog - cyfra Anemometr Karta DAQ Pomiar DC Prędkość wiatru Rysunek 4-1 Prosty system akwizycji danych Przykład opisuje zasadę pomiaru prędkości wiatru. W sekcji Averaging a scan Example zawarte jest oprogramowanie poprawiające jakość pomiaru. Rysunek 4-2 przedstawia aktualną wartość prędkości wiatru. Rysunek 4-2 Prędkość wiatru National Instruments Corporation 4-1 LabVIEW Measurements Manual Na rysunku 4-3 przedstawiono układ połączeń anemometru z wyjściem o zakresie 0 - 10 V, które odpowiada prędkości wiatru z zakresu 0 – 200 mph. Oznacza to, że w oprogramowaniu, które dokonuje skalowania danych użyto następującej formuły: Wartość odczytana z anemometru (V) x 20 (mph/V) 0 prędkość wiatru (mph) (4-1) Należy zauważyć, że w układzie połączeń pomiarowych został użyty rezystor R, ponieważ anemometr jest zwykle źródłem sygnału DC nie mołączonym z masą pomiarową. W przypadku jeżeli anemometr jest już połączony z masą pomiarową, użycie rezystora R może spowodować błędne odczyty pomiaru. Rozdział 6 Analog Input opisuje uziemione i zmienne źródła sygnałów. Rysunek 4-3 Układ połączeń pomiarowych anemometru Rysunek 4-4 przedstawia diagram blokowy do pomiaru prędkości wiatru. W tym diagramie, urządzenie (device) jest numerem przydzielonym do plug-in urządzenia DAQ podczas konfiguracji. Kanał (channel) jest analogowym kanałem wejściowym do którego jest dołączony anemometr. Wartość maksymalna (high limit) i wartość minimalna (low limit) odzwierciedlają zakres pomiarowy. Zakres pomiarowy zdeterminowany jest dozwolonym przedziałem wartości urządzenia DAQ. AI Sample Channel jest kanałem DAQ, który odczytuje wartości w zadanym zakresie napięcia. Przyjęta wartość 20 mph/V użyta jest do wyskalowania wejścia pomiarowego 0 – 10 V do zakresu pomiarowego prędkości wiatru 0 – 200 mph zgodnie z równaniem 4-1. Rysunek 4-4 Pomiar napięcia i skalowanie do prędkości wiatru National Instruments Corporation 4-1 LabVIEW Measurements Manual Diagram 4-3 może zostać uproszczony poprzez użycie DAQ Named Channels. W rozdziale 3 Installing and Configuring Your Measurement Hardware został y sposób wykorzystania DAQ Named Channels. Rysunek 4-5 pokazuje użycie DAQ Named Channels do pomiaru prędkości wiatru, upraszcza to diagram blokowy ponieważ DAQ Named Channel pamięta informacje o urządzeniu, zysku i skalowaniu pomiaru. Tak więc AI Sample Channel dokonuje pomiaru pojedynczej wartości i zwraca prędkość wiatru. Rysunek 4-5 Pomiar prędkości wiatru z użyciem DAQ Named Channels Przykład: Uśrednianie wyników pomiaru Jednym z najbardziej użytecznych i łatwych w użyciu form sygnału jest uśrednienie danych poprzez oprogramowanie. Wykorzystując uśrednianie można uzyskać bardziej czytelny odczyt w przypadku gdy sygnał ulega gwałtownym zmianom lub jeśli na przebieg pomiarowy nałożone są zakłócenia. Więcej wiadomości o uśrednianiu wyników pomiarów zawartych jest w rozdziale 12, DC/RMS Measurement. Rysunek 4-6 przedstawia system akwizycji danych do pomiaru prędkości wiatru z wykorzystaniem programowego uśredniania pomiaru. Rysunek 4-6 System DAQ dla pomiaru prędkości wiatru z uśrednianiem wyniku Rysunek 4-7 pokazuje jak aktualny pomiar prędkości wiatru może wyglądać w czasie. Podczas podmuchów wiatru wartości przebiegu prędkości mogą wydawać się zakłócone. Należy zauważyć, że wcześniejszy pomiar 29 mph jest wartością szczytową przez co można odnieść wrażenie iż wiatr wieje ze stałą prędkością 29 mph. National Instruments Corporation 4-1 LabVIEW Measurements Manual Lepszą reprezentacją pomiaru może być uśrednienie wyniku pomiaru w krótkim okresie czasu. Rysunek 4-7 Przebieg prędkości wiatru Ze względu na to, że uśrednianie pomiarów jest programowe, układ połączeń urządzeń pozostaje bez zmian i jest taki sam jak na rysunku 4-3. Diagram blokowy na rysunku 4-8 pokazuje programowe uśrednienie pomiaru z wykorzystaniem DAQ Named Channels. Jak wspomniano powyżej DAQ Named Channel pamięta informacje o urządzeniu, zysku i skalowaniu pomiaru. Należy zauważyć, że DAQ sub VI tego przykładu różni się od przykładu jednopunktowej akwizycji , pobierany jest cały przebieg zamiast pojedynczej wartości. Ilość próbek sygnału i ich częstotliwość wyznaczają kształt przebiegu pomiarowego. Dla przkładu, jeżeli ilość próbek równa jest 1000 a częstotliwość próbkowania 500 (próbek/sek), to czas wyznaczenia 1000 punktów pomiarowych zajmuje 2 sekundy. Przebieg pomiarowy z AI Acquire Waveforms jest dołączony do Mean sub VI. Mean sub VI zwraca wynik pomiaru prędkości wiatru w dwie sekundy. Rysunek 4-8 Uśredniony pomiar prędkości wiatru z wykorzystaniem DAQ Named Channels Jedynym wspólnym powodem uśredniania pomiaru jest eliminacja zakłóceń 50, 60 Hz pochodzących z sieci energetycznej. Pole magnetyczne powstałe wokół przewodów energetycznych może powodować indukowanie się napięć niepożądanych w przewodach pomiarowych. Ze względu na to, że zakłócenia National Instruments Corporation 4-1 LabVIEW Measurements Manual energetyczne są na ogół sinusoidalnie zmienne, wartość średnia jednego okresu pomiaru jest zero. Jeżeli zostanie użyta prędkość pomiaru, która jest wielokrotnością zakłóceń a średnia wartość danych będzie wielokrotnością okresu to zakłócenia zostaną wyeliminowane. Jednym z przykładów jest wykorzystanie zarówno dla 50 Hz jak i 60 Hz skanowanie 300 razy/sek a później uśrednienie co 30 punktów pomiarowych. Należałoby zauważyć, że 300 jest wielokrotnością zarówno 50 jak i 60 Hz. Jeden okres 50 Hz trwa 30/50 = 6 punktów. Jeden okres 60 Hz wynosi 300/60 = 5 punktów. Uśrednianie trzydziestu punktów jest wielokrotnością obu okresów, więc można mieć pewność, że uśredniony jest cały okres. Pomiary napięcia przemiennego (AC Voltage) Na początku ery elektryczności dominowały linie przesyłowe prądu stałego. Natura prądu stałego czyni pomiary wartości prądu, napięcia i pomocy łatwymi do wykonania. Wzór wyznaczający wartość mocy prądu stałego wygląda następująco: P = I2 ⋅R i U2 R gdzie P jest mocą mierzoną w Watach (W), I prądem mierzonym w Amperach (A), R rezystancją mierzoną w Omach (Ω) a U wartością napięcia mierzoną w Woltach (V). P= Obecnie większość linii elektrycznych zasilających odbiorców przemysłowych i indywidualnych jest liniami dostarczającymi napięcia (prądu) przemiennego (alternating current - AC). Przebieg prądu przemiennego jest falą, która zmienia swoją wartość i polaryzację. Znaczy to, że wartości mocy, prądu i napięcia nie są wartościami stałymi. Dla napięcia przemiennego przyjmujemy do pomiarów wartość skuteczną Vrms . Dla napięcia sinusoidalnie zmiennego multimetry odczytują wartość napięcia według wzoru: Vrms = V peak 2 Gdzie Vrms – wartość skuteczna (root mean square), Vpeak – wartość szczytowa. W USA typową wartością napicia skutecznego w sieci zasilającej jest 120 Vrms podczas gdy wartość szczytowa napięcia wynosi około 170 Vpeak. W Polsce wartością skuteczną napięcia sinusoidalnego zasilającego odbiorców wynosi 230 V. National Instruments Corporation 4-1 LabVIEW Measurements Manual Aplikacja LabView sprawia, że pomiary wartości skutecznej napięcia przemiennego są czynnością łatwą. Rysunek 4-9 system akwizycji danych dla pomiaru Vrms. Rysunek 4-9 System akwizycji danych dla pomiarów Vrms R ysunek 4-10 pokazuje jak może wyglądać aktualny przebieg sygnału sinusoidalnie zmiennego. Rysunek 4-10 Przebieg sinusoidalnie zmienny Diagram blokowy z rysunku 4-11 przedstawia programowy sposób pomiaru Vrms przy użyciu DAQ Named Channels. Rysunek 4-11 Pomiar Vrms z użyciem DAQ Named Channels DAQ Acquire sub VI Acquire Waveform dokonuje pomiaru fali sinusoidalnej. Number of samples i rate of samles definiują jej przebieg. Basic Averaged DC-RMS VI odczytuje przebieg, szacuje przybliżenie (uśrednia) RMS I componenty DC. Dla fali sinusoidalnej symetrycznej względem osi X sub VI zwraca Vrms. Dla przesuniętej fali DC value zwraca zmianę DC a RMS value National Instruments Corporation 4-1 LabVIEW Measurements Manual zwraca Vrms tak jakby fala była symetryczna względem osi X. Korzyścią wynikającą z użycia Basic Averaged DC-RMS jest uzyskanie dobrego przybliżenia dla małej ilości informacji wejściowej. Zgodnie z twierdzeniem Nyquista dane pomiarowe powinny być pobierane do pomiaru (próbkowane) z częstotliwością dwa razy większą niż częstotliwość sygnału mierzonego. Jednakże Vrms nie jest powiązany z częstotliwością przebiegu, jest zależny od kształtu fali. Typowo aby uzyskać odpowiednio dobry kształt fali, sygnał pomiarowy musi być próbkowany z częstotliwością 5 do 10 razy większą od częstotliwości przebiegu mierzonego. Dużą korzyścią jest użycie bloku Basic Averaged DC-RMS, który pozwala na uzyskanie dobrych wyników już przy 3 krotnie większej częstotliwości próbkowania sygnału mierzonego. Taki sam zestaw pomiarowy prądu przemiennego może być zestawiony przy wykorzystaniu przyrządu pomiarowego. Rysunek 4-12 przedstawia system akwizycji danych przystosowany do takiego pomiaru. Oprócz wykonywania pomiaru samym tylko przyrządem pomiarowym, można zrobić to wykorzystując odpowiednią kartę zainstalowaną bezpośrednio w komputerze PC. Rysunek 4-14-1 Pomiar z wykorzystaniem przyrządu pomiarowego Rysunek 4-13 pokazuje diagram blokowy układu pomiarowego Vrms z sterownika użyciem IVI. W tym przykładzie przyrząd pomiarowy jest najpierw zainicjalizowany z użyciem nazwy logicznej w celu otwarcia sesji. Następnie przyrząd pomiarowy konfigurowany jest do pomiaru żądanej wielkości, w tym wypadku napięcia AC. Po zakończeniu konfiguracji, następuje rozpoczęcie pomiaru, i zakończenie sesji. Rysunek 4-14-2 Pomiar Vrms z użyciem multimetru National Instruments Corporation 4-1 LabVIEW Measurements Manual Pomiary Wartości Prądu Pętla prądowa 4-20 mA jest standardem przemysłowym przyjętym od wielu lat. Swoją popularność zawdzięcza połączeniu dużej dynamiki zakresu pomiarowego z zerem dla 4 mA dla detekcji obwodu otwartego w systemach nie wytwarzających zakłóceń. Inne zalety to różnorodność kompatybilnych urządzeń, długa pętla pomiarowa do 2000 stóp i niski koszt eksploatacji i w wykonania. Pętla 4-20 mA posiada wiele różnych zastosowań : komunikacja cyfrowa, aplikacje sterujące, i odczyt czujników. Sekcja to opisuje sposób pomiaru prądu wyniesionego czujnika. W przykładzie, dokonywany jest pomiar prądu pętli odczytującej poziom paliwa w zbiorniku. Rysunek 4-14 pokazuje system akwizycji, który może zostać użyty do takiego zastosowania. Rysunek 4-14-3 Zestaw akwizycji danych do pomiaru prądu Ponieważ urządzenia DAQ typu MIO nie potrafią bezpośrednio mierzyć prądu, wartością mierzoną jest wartość napięcia na precyzyjnym rezystorze umieszczonym szeregowo w pętli prądowej jak na rysunku 4-15. Rysunek 4-14-4 Schemat pętli prądowej National Instruments Corporation 4-1 LabVIEW Measurements Manual Zadaniem pętli 4-20 mA jest transmisja sygnału prądowego w odpowiedniej formie pochodzącego od czujnika. Na schemacie czujnik poziomu i elektroniczny czujnik są zabudowane w jednym urządzeniu elektronicznym. Zewnętrzny zasilacz 24 VDC zapewnia zasilanie czujnika. Prąd obwodu zmienia się w zależności od stanu czujnika, który zależy od poziomu paliwa w zbiorniku. Urządzenie DAQ odczytuje spadek napięcia na oporności 249 Ω (opornik Rp) i następnie z Prawa Ohma wyliczana jest wartość prądu: I ( mA ) = U Rp Ponieważ wartość prądu jest z zakresu 4-20 mA, a Rp wynosi 249 Ω, zakres napięcia dla urządzenia DAQ ustawiony jest od 0,996 V to 4,98V. Podczas gdy powyższe równanie użyteczne jest do obliczenia prądu, typowa wartość prądu jest niewiadomą wielkością fizyczną , którą należy zmierzyć. W tym przykładzie długość pętli wynosi 50 stóp, co oznacza że 4 mA odpowiada 0 stóp a 20 mA odpowiada 50 stopom. Zakładając zależność liniową, można przedstawić zależność graficzną długości pętli i prądu (rysunek 4-16). Rysunek 4-14-5 Liniowa zależność pomiędzy poziomem paliwa w zbiorniku i prądem Używając Prawa Ohma i podstawiając 0,249 dla wartości Rp możemy obliczyć: L= National Instruments Corporation 25 *V 25 − 8 * 0,249 2 4-1 LabVIEW Measurements Manual Powyższe równanie może zostać zaimplementowane w diagramie blokowym jak na rysunku 4-17. Rysunek 4-14-6 Pomiar poziomu paliwa bez wykorzystania DAQ Named Channels Ewentualnie można by DAQ Named Channels konfigurować z użyciem Kreatora, który upraszcza diagram do następującego: Rysunek 4-14-7 Pomiar poziomu paliwa z wykorzystaniem DAQ Named Channels Pomiar Rezystancji Prostym rozwiązaniem pomiaru rezystancji jest użycie przyrządu NI 4050 lub NI 4060 DMM. Rysunek 4-19 przedstawia układ do pomiaru rezystancji. Rysunek 4-14-8 Układ do pomiaru rezystancji National Instruments Corporation 4-1 LabVIEW Measurements Manual Rysunek 4-20 pokazuje diagram programu LabVIEW służący do pomiaru rezystancji z wykorzystaniem IVI class driver VIs. Należy zauważyć podobieństwo do rysunku 4-13. Różnicą jest tylko wykorzystanie funkcji pomiarowej na 2 przewodowy pomiar rezystancji. Rysunek 4-9 Pomiar rezystancji z wykorzystaniem przyrządu Pomiar temperatury Termopara powstaje gdy dwa różne metale stykają się ze sobą. Pod wpływem temperatury indukuje się napięcie. Ponieważ termopara jest elementem niedrogim, łatwym w użyciu i łatwym do kupienia znalazła wiele zastosowań w przemyśle i nauce. Sekcja ta analizuje proste podejście do pomiaru temperatury z wykorzystaniem termopary. Dokładny opis pomiaru temperatury znajduje się w: Note 043, Measuring Temperature with Thermocouples – a Tutorial. Aplickacja jest dostępna w sieci pod adresem: zone.ni.com/appnotes.nsf/ Rysunek 4-21 Prosty system pomiaru temperatury National Instruments Corporation 4-1 LabVIEW Measurements Manual Rysunek 4-22 przedstawia typowy schemat dla pomiaru z termoparą. Rezystor R, jest używany tylko wtedy gdy termopara nie jest połączona z masą. Dla przykładu, jeżeli końcówka termopary jest połączona z masą, użycie opornika R spowoduje zamknięcie pętli i w rezultacie błędne odczyty pomiarowe. Rysunek 4-10 Połączenia termopary Rysunek 4-23 przedstawia schemat blokowy do pomiaru temperatury z użyciem DAQ Named Channels. Z tego powodu DAQ Named Channels przechwytuje przyrost sygnału, linearyzację i kompensację cold-junction. Rysunek 4-11 Pomiar temperatury z użyciem DAQ Named Channels Jeżeli do pomiaru temperatury nie jest używany DAQ Named channels należy zapisać VI, które determinuje przyrost sygnału w celu określenia zakresu pomiarowego temperatury, odczyt napięcia z termopary, odczyt napięcia z cold-junction (spoina zimna elementu, spoina odniesienia), i konwertuje wszystkie te informacje na wynik pomiaru. Cały przykład opisany został w Single Point Thermocouple Measurement VI znajdującym się w : examples\daq\solution\transduc.llb. Informacje dotyczące pomiarów z użyciem RTD zostały zawarte w: Single Point RTD Measurement w examples\daq\solution\transduc.llb. National Instruments Corporation 4-1 LabVIEW Measurements Manual
