MERITEV TEMPERATURE S SISTEMOM myDAQ · 2017. 11. 28. · IV MERITEV TEMPERATURE S SISTEMOM myDAQ Klju čne besede: temperatura, meritev temperature, merilni sistem UDK: 536.5(043.2)

MERITEV TEMPERATURE S SISTEMOM myDAQ

Študent(ka): Dejan Slemenšek

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1.

Mentor(ica): doc. dr. Peter Virti

Lektor(ica): Jasmina Šalamon

I


diplomsko delo

Dejan Slemenšek

Univerzitetni študijski program 1. stopnje Energetika

oc. dr. Peter Virtič

Jasmina Šalamon

Krško, junij 2013


Energetika

II

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Petru

Virtiču za pomoč in vodenje pri opravljanju

diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi

univ. dipl inž. Janu Šlambergerju za

pomoč pri opravljanju meritev.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi

omogočili študij.

IV


Klju čne besede: temperatura, meritev temperature, merilni sistem

UDK: 536.5(043.2)

Povzetek

Danes je najpogosteje merjena fizikalna veličina najverjetneje temperatura. Skozi

zgodovino se je razvilo veliko načinov in naprav za merjenje temperature. Od

enostavnih tekočinskih termometrov do naprednih digitalnih merilnih sistemov, ki

se uporabljajo danes. Ena takšnih naprav, ki omogoča meritev in analizo

temperature, je myDAQ, ki se primarno uporablja v izobraževalne namene. V tej

diplomski nalogi je predstavljena uporaba naprave v povezavi s programskim

paketom LabVIEW in njena uporabna vrednost pri meritvah v industriji.

V

TEMPERATURE MEASUREMENT WITH myDAQ SYSTEM

Key words: temperature, temperature measurement, measurement system

UDK: 536.5(043.2)

Abstract

Temperature is probably the most commonly measured physical quantity today.

Throughout history many different methods and devices for temperature

measurement were developed. From simple fluid thermometers to advanced

digital measurement systems used today. One of those devices which allow

temperature measurement and analysis is myDAQ, which is primarily used for

educational purposes. This thesis shows the application of this device combined

with LabVIEW software and its useful value in industrial measurements.

VI

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ............................................................................................................................................. 1

2 ZGODOVINA MERJENJA TEMPERATURE ................. ............................................................... 3

2.1 TEMPERATURNE LESTVICE ................................................................................................ 6

2.1.1 Kelvin ................................................................................................................................ 7

2.1.2 Celzij ................................................................................................................................. 7

2.1.3 Fahrenheit ......................................................................................................................... 8

2.1.4 Rankin ............................................................................................................................... 8

2.1.5 Delisle ............................................................................................................................... 9

2.1.6 Newton ............................................................................................................................ 10

2.1.7 Réaumur ......................................................................................................................... 10

2.1.8 Rømer ............................................................................................................................. 11

3 TEMPERATURNI SENZORJI .......................... ............................................................................ 12

3.1 MEHANSKI MERILNIKI ......................................................................................................... 12

3.1.1 Paličasti termometer ....................................................................................................... 12

3.1.2 Bimetalni termometer...................................................................................................... 13

3.1.3 Tekočinski stekleni termometri ....................................................................................... 14

3.1.4 Kovinski tekočinski termometri ....................................................................................... 15

3.1.5 Plinski termometri ........................................................................................................... 16

3.1.6 Segerjevi stožci ............................................................................................................... 16

3.1.7 Temperaturne barve, krede in folije ................................................................................ 17

3.2 ELEKTRIČNI MERILNIKI ...................................................................................................... 17

3.2.1 Seebeckov pojav ............................................................................................................ 17

3.2.2 Peltierjev pojav ............................................................................................................... 18

3.2.3 Termočlen ....................................................................................................................... 19

3.2.3.1 Termočleni iz neplemenitih kovin ........................................................................................... 20 3.2.3.2 Termočleni iz plemenitih kovin ............................................................................................... 21 3.2.3.3 Posebni termočleni ................................................................................................................ 21

3.2.4 Kovinski uporovni termometri ......................................................................................... 22

3.2.5 Polprevodniški termometri .............................................................................................. 23

3.2.6 Sevalni termometri – pirometri ........................................................................................ 26

4 NI MYDAQ .................................................................................................................................... 29

5 MERITVE ...................................................................................................................................... 32

5.1 LABVIEW ............................................................................................................................... 32

5.2 TESTNA MERITEV ............................................................................................................... 37

VII

5.3 INDUSTRIJSKA MERITEV .................................................................................................... 40

6 SKLEP .......................................... ................................................................................................ 44

7 VIRI IN LITERATURA ............................. ..................................................................................... 45

PRILOGE ......................................................................................................................................... 47

PRILOGA A: PODATKOVNA TABELA ZA SENZOR PT1000 ...................................................... 47

PRILOGA B: NAZIVNI PODATKI NAPAJALNE ČRPALKE.......................................................... 49

PRILOGA C: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE

ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV AVTORJA ....................................... 50

PRILOGA D: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA .................................................... 51

VIII

KAZALO SLIK

Slika 1: Skica Galileovega termoskopa ....................................................................... 4

Slika 2: Delovanje bimetalnega termometra .............................................................. 14

Slika 3: Kovinski tekočinski termometer .................................................................... 15

Slika 4: Segerjevi stožci ............................................................................................ 16

Slika 5: Seebeckov pojav .......................................................................................... 18

Slika 6: Peltierjev pojav ............................................................................................. 19

Slika 7: Karakteristike različnih vrst termočlenov ....................................................... 22

Slika 8: Karakteristike kovinskih uporovnih tipal ........................................................ 23

Slika 9: Karakteristika PTC tipala .............................................................................. 24

Slika 10: Karakteristika NTC tipala ............................................................................ 26

Slika 11: National Instruments myDAQ ..................................................................... 30

Slika 12: Prednja plošča virtualnega instrumenta ...................................................... 36

Slika 13: Blokovni diagram ki pretvori upornost v temperaturo .................................. 36

Slika 14: Vezalna shema PV modula in merilnika temperature ................................. 38

Slika 15: Testna meritev na PV modulu .................................................................... 38

Slika 16: Potek temperature na PV modulu ............................................................... 39

Slika 17: Merilno mesto na črpalki ............................................................................. 41

Slika 18: Merilni center Bloka 5 ................................................................................. 41

Slika 19: Nadzorna soba Bloka 5 .............................................................................. 42

Slika 20: Primerjava izmerjenih vrednosti .................................................................. 43

IX

KAZALO TABEL

Tabela 1: Primerjava temperaturnih lestvic ................................................................ 6

Tabela 2: Pretvorba Kelvinove temperaturne lestvice ................................................ 7

Tabela 3: Pretvorba Celzijeve temperaturne lestvice ................................................. 8

Tabela 4: Pretvorba Fahrenheitove temperaturne lestvice ......................................... 8

Tabela 5: Pretvorba Rankinove temperaturne lestvice ............................................... 9

Tabela 6: Pretvorba Delislove temperaturne lestvice ................................................. 9

Tabela 7: Pretvorba Newtonove temperaturne lestvice ............................................ 10

Tabela 8: Pretvorba Réaumurjeve temperaturne lestvice ........................................ 11

Tabela 9: Pretvorba Rømerjeve temperaturne lestvice ............................................ 11

Tabela 10: Standardizirani termočleni ....................................................................... 20

Tabela 11: Povezava med barvo in temperaturo telesa ............................................ 27

Tabela 12: Vrednosti koeficientov A, B in C .............................................................. 35

X

UPORABLJENI SIMBOLI

°F – stopinja Fahrenheita

K – stopinja Kelvina

°R – stopinja Rankina

°C – stopinja Celzija

°D – stopinja Delisla

°N – stopinja Newtona

°Re – stopinja Réaumurja

°Rø – stopinja Rømerja

Ω – Ohm

R – ohmska upornost

T – temperatura

MHz – mega Hertz

mV – mili Volt

ms – milisekunda

mW – mili Watt

Hz – Hertz

kHz – kilo Hertz

25 CR ° - upornost pri 25 °C

minR - minimalna upornost

bT - preklopna temperatura

V – Volt

A – Amper

W – Watt

s – sekunda

l/s – litrov na sekundo

XI

UPORABLJENE KRATICE

NI – National Instruments

SI – Mednarodni sistem enot

PTC – pozitivni temperaturni koeficient

NTC – negativni temperaturni koeficient

USB – Universal Serial Bus

ITS-90 – International Temperature Scale Of 1990

DC – Enosmerni tok

min - minuta

PV – fotovoltaični modul

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

1

1 UVOD

Temperatura je fizikalna veličina, ki nam podaja termično stanje snovi oziroma

teles. Merimo jo s termometrom. Podaja nam količino toplote, ki jo poseduje

opazovani objekt. Temperatura kot merska enota ne more prehajati iz enega

telesa na drugega, ampak je to funkcija toplote. Toplota vedno prehaja iz telesa z

višjo temperaturo na telo z nižjo temperaturo.

Toplota lahko med telesi prehaja na 3 različne načine:

- prevajanje toplote (kondukcija),

- konvekcija,

- sevanje.

Toplota povzroča mnogo fizikalnih sprememb na telesih, ki jih lahko izkoristimo za

merjenje temperature.

Najpomembnejše so:

- sprememba geometrije,

- sprememba električne upornosti,

- sprememba električnega potenciala,

- sprememba sevanja.

Merjenje temperature se je začelo že v srednjem veku z enostavnimi napravami, ki

so skozi zgodovino postajale vedno bolj natančne in kompleksne, vse do danes,

ko lahko temperaturo analiziramo z različnimi računalniškimi orodji.

Temperatura je ena izmed najpogosteje merjenih veličin, saj jo potrebujemo

skorajda vsepovsod - od temperature zraka in voda, ki se uporablja za vremenska

poročila, telesne temperature za ugotavljanje bolezni, pa vse do meritev v


2

industriji, kjer je zelo pomembno, pri kakšnih temperaturah potekajo določeni

procesi, da je končni proizvod pravilno izdelan.

Namen diplomske naloge je analiza merilnega sistema NI myDAQ, ki omogoča

zajem in napredno računalniško obdelavo podatkov s pomočjo programskega

paketa LabVIEW.


3

2 ZGODOVINA MERJENJA TEMPERATURE

V daljni zgodovini so se ljudje pri zaznavanju temperature zanašali na lastna čutila

in tako le ocenjevali toploto predmetov s primerjavo po spominu.

Primer: Led je hladen, voda je toplejša od ledu in ogenj je toplejši od vode. Vendar

pa je bilo to zelo nenatančno in tudi občutki nas lahko kdaj varajo, prav zaradi tega

so ljudje začeli raziskovati, kako bi lahko natančneje merili temperaturo.

Eden izmed prvih znanstvenikov, ki so začeli izdelovati naprave in opravljati

meritve, je bil Galileo Galilei. Okoli leta 1592 je izdelal termoskop, ki je bil

sestavljen iz steklene posode z ozko cevko, potopljeno v vodo. Temperatura zraka

v posodi je povzročala dvigovanje in spuščanje vode v cevki in na tak način je bilo

možno primerjati temperaturo dveh različnih teles na principu spremembe

prostornine zraka ob spremembi temperature, vendar pa mora biti ob tem zunanji

zračni tlak konstanten, česar se Galileo najverjetneje ni zavedal [1].


4

Slika 1: Skica Galileovega termoskopa [13]

Njegove raziskave so nadaljevali njegovi učenci in člani Akademije poskusov v

Firencah. Namesto zraka so uporabili alkohol. Termometer je bi sestavljen iz

steklene bučke in cevi. Nato so alkohol segreli, da se je dvignil čim višje v cevko in

jo zatesnili, da v njej ni bilo več zraka. Ob ohladitvi se je alkohol spustil na začetno

raven, v praznem prostoru pa so ostali alkoholni hlapi. Ta naprava je postala

znana kot florentinski termometer in v 17. stoletju se je razširila po celotni Evropi.

Problem teh termometrov je bilo nizko vrelišče alkohola in neenakomerno

raztezanje [1].

Zaradi tega je Daniel Fahrenheit alkohol zamenjal z živim srebrom. Leta 1714 je

namreč razvil postopek čiščenja živega srebra, saj se je neprečiščeno prijemalo

na stene cevke. Lestvico je sestavil tako, da je za 0 stopinj določil temperaturo, pri

kateri sta led in raztopina kuhinjske soli v ravnovesju. Za drugo točko pa je izbral


5

normalno telesno temperaturo in ji dodelil vrednost 96. Kasneje so lestvico

popravili, tako da je telesna temperatura pri 98,6°F. Ta lestvica je postala zelo

široko uporabljana, danes pa jo uporabljajo v ZDA [1].

Anders Celsius je leta 1742 določil temperaturo 0 stopinj za vrelišče vode, 100

stopinj pa za ledišče, vendar se je leto kasneje odločil vrednosti zamenjati in tako

je ostalo vse do danes. Leta 1948 je Mednarodni odbor za uteži in mere potrdil

stopinjo Celzija kot enoto za temperaturo in tako je postala najširše uporabljana

merska enota [1].

Guillame Amontons je razvil napravo, ki je delovala obratno kot Galilejev

termoskop in je temperaturo določala preko tlaka. Ta naprava je bila predhodnica

plinskih termometrov s konstantnim volumnom. Kot prvi je ugotovil odvisnost

vrelišča kapljevin od zračnega tlaka. Prav tako je ugotovil, da sta temperatura in

volumen plinov povezana. Leta 1696 je objavil izsledke o tem in predstavil pojem

'absolutni mraz', kjer se plin ne more več krčiti [1].

Sto let kasneje je Jacques Alexandre Charles prišel do podobnih ugotovitev in

trdil, da je pri dovolj nizki temperaturi prostornina plina enaka nič, vendar izsledkov

ni objavil. Leta 1802 je Joseph Louis Gay-Lussac dognal, da imajo vsi plini

prostornino nič pri enaki temperaturi [1].

Te izsledke je leta 1848 začel preučevati William Thomson (lord Kelvin) in

ugotovil, da prostornina plina ne postane enaka nič, ampak se molekule prenehajo

gibati. Zaradi tega je predlagal Kelvinovo lestvico, kot jo poznamo še danes [1].


6

2.1 TEMPERATURNE LESTVICE

V prej predstavljeni zgodovini je omenjenih več različnih temperaturnih lestvic, ki

so jih razvili raziskovalci takratnega časa. Informacije so potovale nekoč precej

počasneje in zaradi tega se je pojavilo toliko različnih enot; nekatere se

uporabljajo še dandanes, nekatere so ostale v zgodovini.

V spodnji tabeli so podane nekatere vrednosti v različnih lestvicah.

Tabela 1: Primerjava temperaturnih lestvic [2]


7

2.1.1 Kelvin

Kelvin je enota za merjenje temperature in je ena izmed sedmih osnovnih enot

mednarodnega merskega sistema (SI) in ima simbol K.

Primerjava vrednosti stopinje K

1 K =1 °C = 9/5 °F = 9/5 °R

Tabela 2: Pretvorba Kelvinove temperaturne lestvice [3]

K -> -> K

Celzij [°C]=[K]-273,15 [K]=[°C]+273,15

Fahrenheit [°F]=[K]×9/5-459,67 [K]=([°F]+459,67)×5/9

Rankin [°R]=[K]×9/5 [K]=[°R]×5/9

2.1.2 Celzij

Enota Celzij je poimenovana po švedskem astronomu Andersu Celsiusu, ki jo je

razvil leta 1744. Simbol je °C. 0 °C je temperatura , pri kateri voda zmrzne, 100 °C

pa je vrelišče vode.

Primerjava vrednosti °C

1 °C = 1 K =9/5 °F =9/5 °R


8

Tabela 3: Pretvorba Celzijeve temperaturne lestvice [4]

°C -> -> °C

Fahrenheit [°F]=[°C]×9/5+32 [°C]=([°F]-32)×5/9

Kelvin [K]=[°C]+273,15 [°C]=[K]-273,15

Rankin [°R]=([°C+273,15)×9/5 [°C]=([°R]-491,67)×5/9

2.1.3 Fahrenheit

Fahrenheitova lestvica je poimenovana po Danielu Gabrielu Fahrenheitu, ki je

lestvico zasnoval leta 1724. Simbol je °F. Danes je uradna temperaturna lestvica

ZDA, Kajmanskih otokov, Palaua, Bahamov in Belizeja.

Primerjava vrednosti °F

1 °F = 1 °R = 5/9 °C = 5/9 K

Tabela 4: Pretvorba Fahrenheitove temperaturne lestvice [5]

°F -> -> °F

Celzij [°C]=([°F]-32)×5/9 [°F]=[°C]×9/5+32

Kelvin [K]=([°F]+459,67)×5/9 [°F]=[K]×9/5-459,67

Rankin [°R]=[°F]+459,67 [°F]=[°R]-459,67

2.1.4 Rankin

Rankinova lestvica je poimenovana po Williamu Johnu Macquornu Rankinu, ki je

lestvico predstavil leta 1859. Poleg Kelvinove je edina absolutna lestvica. Simbol

je R.


9

Primerjava vrednosti R

1 R = 1 °F = 5/9 °C = 5/9 K

Tabela 5: Pretvorba Rankinove temperaturne lestvice [6]

R -> -> R

Celzij [°C]=([R]-491,67×5/9 [R]=([°C]+273,15)×9/5

Fahrenheit [°F]=[R]-459,67 [R]=[°F]+459,67

Kelvin [K]=[R]×5/9 [R]=[K]×9/5

2.1.5 Delisle

Delislova lestvica je poimenovana po francoskem astronomu Josephu-Nicolasu

Delislu, ki je lestvico izumil leta 1732. Simbol je °D.

Primerjava vrednosti °D

1 °D = 2/3 °C = 1,2 °F

Tabela 6: Pretvorba Delislove temperaturne lestvice [7]

°D -> -> °D

Celzij [°C]=100-[°D]×2/3 [°D]=(100-[°C])×3/2

Fahrenheit [°F]=212-[°D]×6/5 [°D]=(212-[°F])×5/6

Kelvin [K]=373,15-[°D]×2/3 [°D]=(373,15-[K])×3/2

Rankin [°R]=671,67-[°D]×6/5 [°D]=(671,67-[°R])×5/6


10

2.1.6 Newton

Isaac Newton je najbolj znan po svojem delu na področju mehanike, po njem je

poimenovana enota za silo, ukvarjal pa se je tudi z drugimi področji znanosti. Eno

od teh je področje temperature. Razvil je tudi svojo temperaturno lestvico okoli leta

1700, simbol katere je °N.

Primerjava vrednosti °N

1 °N = 100/33 °C = 60/11 °F

Tabela 7: Pretvorba Newtonove temperaturne lestvice [8]

°N -> -> °N

Celzij [°C]=[°N]×100/33 [°N]=[°C]×33/100

Fahrenheit [°F]=[°N]×60/11+32 [°N]=([°F]-32)×11/60

Kelvin [K]=[°N]×100/33+273,15 [°N]=([K]-273,15)×33/100

Rankin [°R]=[°N]×60/11+491,67 [°N]=([°R]-491,67)×11/60

2.1.7 Réaumur

Lestvica je poimenovana po Renéju Antoinu Ferchaultu de Réaumurju, ki je

lestvico, ki je razdeljena na 80 delcev med lediščem in vreliščem vode, predlagal

leta 1730. Simbol je °Re.

Primerjava vrednosti °R

1 °Re = 1,25 °C = 2,25 °F


11

Tabela 8: Pretvorba Réaumurjeve temperaturne lestvice [9]

°Re -> -> °Re

Celzij [°C]=[°Re]×5/4 [°Re]=[°C]×4/5

Fahrenheit [°F]=[°Re]×9/4+32 [°Re]=([°F]-32)×4/9

Kelvin [K]=[°Re]×5/4+273,15 [°Re]=([K]-273,15)×4/5

Rankin [°R]=[°Re]×9/4+491,67 [°Re]=([°R]-491,67)×4/9

2.1.8 Rømer

Temperaturna lestvica je poimenovana po danskem astronomu Oleju

Christensenu Rømerju, ki je lestvico razvil leta 1701. Nič stopinj predstavlja

ledišče mešanice soli in vode, vrelišče vode pa je določeno pri šestdesetih

stopinjah. Simbol je °Rø.

Primerjava vrednosti °Rø:

1 °Rø = 40/21 °C =24/7 °F

Tabela 9: Pretvorba Rømerjeve temperaturne lestvice [10]

°Rø -> -> °Rø

Celzij [°C]=([°Rø]-7,5)×40/21 [°Rø]=[°C]×21/40+7,5

Fahrenheit [°F]=([°Rø]-7,5)×24/7+32 [°Rø]=([°F]-32=×7/24+7,5

Kelvin [K]=([°Rø]-7,5)×40/21+273,15 [°Rø]=([K]-273,15)×21/40+7,5

Rankin [°R]=([°Rø]-7,5)×24/7+491,67 [°Rø]=([°R]-491,67)×7/24+7,5


12

3 TEMPERATURNI SENZORJI

Zaradi vedno večjega pomena temperature v industriji je bilo treba le-to meriti.

Vendar v takšnih primerih kapljevinski termometri, kljub izboljšavam in različnim

izvedbam, niso najbolj uporabni. Zaradi tega so bili razviti mehanski in električni

merilniki temperatur.

Mehanski merilniki se delijo na takšne na osnovi raztezanja trdnih teles, tekočin in

plinov.

Med električne merilnike pa štejemo:

- termočlene,

- uporovne termometre,

- polprevodniške termometre,

- sevalne termometre,

- posebne izvedbe.

3.1 MEHANSKI MERILNIKI

3.1.1 Paličasti termometer

Princip paličastega termometra je različen raztezek dveh trdnih teles. Izdelan je v

obliki cevi s palico na sredini. Cev je izdelana iz materiala z visokim razteznostnim

koeficientom, palica pa iz materiala z nizkim koeficientom. Ob spremembi

temperature se palica in cev različno raztezata in iz spremembe dolžine je možno

razbrati temperaturo. Uporabljajo se v temperaturnem razponu od 0 °C DO 1000

°C in pogreški se gibljejo med 1-3 % [11].


13

Prednosti:

- enostavnost,

- velike sile na izhodu tipala (možnost samostojne regulacijske naprave).

Slabosti:

- dolga tipala,

- nezmožnost točkovnega merjenja temperature.

Posebna izvedba je optični paličasti termometer, ki je sestavljen iz dveh koščkov

optičnega vlakna, ki imata različen temperaturni raztezek, kar ob spremembi

temperature pomeni večjo ali manjšo režo med vlaknoma, ki se izmeri z optično

interferenčno metodo in to omogoča nanometersko ločljivost [11].

3.1.2 Bimetalni termometer

Bimetalni termometri so sestavljeni iz dveh ali več plasti različnih materialov v

obliki podolgovate ploščice, ki imajo ob spremembi temperature različen raztezek

in zaradi tega pride do odklona ploščice. Merilno območje je med -50 °C in 500 °C,

pogreški pa znašajo med 1-3 %. Prednost je enostavnost in nizka cena. Danes jih

najpogosteje najdemo v termostatih [11].


14

Slika 2: Delovanje bimetalnega termometra [14]

3.1.3 Tekočinski stekleni termometri

Ta vrsta termometrov je najstarejša, saj so takšne termometre razvili in jih

uporabljali že v srednjem veku. Sestavljen je iz bučke in tanke cevi, po kateri se ob

spremembah temperatur dviga ali spušča merilna tekočina. Poznamo več tekočin,

ki se uporabljajo za merjenje, vendar najpogosteje srečamo merilnike z živim

srebrom in alkoholom. Od merilne tekočine je odvisen tudi merilni razpon, ki znaša

od - 200 °C pa vse do 1000 °C. Pri visokih temperat urah pride do uparjanja

tekočin in zaradi tega je v merilnem sistemu nadtlak, ki sega vse do 20 barov za

temperature višje od 600 °C. Stekleni termometri im ajo zelo široko področje

uporabe. Najpogosteje se uporabljajo kot hišni termometri in v laboratorijih,

medtem ko je njihova uporaba v industriji precej upadla zaradi modernejših

merilnih postopkov [11].


15

3.1.4 Kovinski teko činski termometri

Sestavljeni so iz posode, kjer se nahaja merilna tekočina, kapilare, po kateri se

dviga in spušča tekočina, in razteznega elementa. Ob spremembi temperature se

spreminja prostornina merilne tekočine, kar posledično pomeni spremembo tlaka v

termometru. Sprememba tlaka vpliva na raztezanje ali krčenje elastičnega

elementa, ki se z uporabo ustreznega prenosa pretvori v silo ali najpogosteje

zasuk kazalca [11].

Slika 3: Kovinski tekočinski termometer [15]


16

3.1.5 Plinski termometri

Princip plinskih termometrov je enak kot tisti pri tekočinskih, edina razlika je, da se

namesto tekočine uporablja plin. Najpogosteje se kot polnilo uporablja dušik ali

helij s tlakom do 50 barov pri sobni temperaturi, s čimer se zmanjšajo zunanji vplivi

in dobimo linearno skalo. Ti termometri se najpogosteje uporabljajo pri

temperaturah med – 200 °C in 500 °C [11].

3.1.6 Segerjevi stožci

Segerjevi stožci so trikotne piramide, izdelane iz keramike in za določeno

temperaturno območje. Z višanjem temperature se stožec zmehča in se začne

povešati. Ko se vrh stožca dotakne podlage, je dosežena temperatura, za katero

je stožec izdelan. Zaradi tega lahko stožce uporabimo le enkrat. Druga slabost je

odvisnost od časa vpliva temperature in hitrosti spremembe temperature, kar

vpliva na točnost meritev. Različna sestava materialov omogoča meritve med 600

°C in 2000 °C s to čnostjo ± 20 °C. Najpogosteje se ti stožci uporablja jo v pečeh za

obdelavo keramike [11].

Slika 4: Segerjevi stožci [16]


17

3.1.7 Temperaturne barve, krede in folije

Temperaturne barve in krede vsebujejo snovi, ki spreminjajo barvo v odvisnosti od

temperature. Uporabljajo se od – 40 °C do 1350 °C, pri čemer je pogrešek ± 5 K.

Odzivni čas je do 30 sekund.

Natančnejše so merilne folije, izdelane iz umetnih materialov, kot samolepilne

ploščice z naneseno plastjo, ki je občutljiva na temperaturo. Nanesena plast pri

določeni temperaturi potemni, kar pomeni, da je dosežena želena temperatura.

Temperaturno področje se običajno giblje med 600 °C in 2000 °C z relativnim

pogreškom 1-2 %. Uporabljajo se kot kontrolni elementi pri skladiščenju in

transportu živil in naprav, testiranju v zračnih tunelih in kot indikatorji temperature v

kuhinjskih posodah [11].

3.2 ELEKTRIČNI MERILNIKI

3.2.1 Seebeckov pojav

Leta 1821 je Thomas Johann Seebeck odkril, da krog, sestavljen iz dveh različnih

kovin, s konci pri različnih temperaturah, odkloni kompas. Najprej je predvideval,

da se zaradi razlike temperatur pojavi magnetna sila. Kmalu je ugotovil, da je to

zmotno mišljenje; na vezje je namreč priključil galvanometer in uvidel, da se zaradi

razlike temperatur pojavi električni potencial. Velikost napetosti je premo

sorazmerna z razliko temperatur na vročem in hladnem koncu.

Pojav nastane zaradi premikanja elektronov v kovinah. Če palico segrejemo na

enem koncu, to povzroči večjo kinetično energijo pri elektronih, kar pomeni več

trkov in večje razdalje med njimi. To povzroči manjšo gostoto elektronov na toplem

delu, saj se pomikajo proti hladnemu delu. Ker je zaradi tega več elektronov v


18

hladnem delu kot v toplem, se pojavi razlika potencialov. Na podlagi tega principa

je možno meriti razliko temperatur [11].

Slika 5: Seebeckov pojav [17]

3.2.2 Peltierjev pojav

Leta 1834 je Jean Charles Athanase Peltier odkril, da se na stičnem mestu dveh

polprevodnikov, skozi katera teče električni tok, pojavi sprememba temperature. V

odvisnosti od toka se mesto lahko hladi ali greje.

Kinetična energija elektronov je odvisna od strukture polprevodnika. Pri prehodu

elektronov iz snovi z večjo kinetično energijo v snov z nižjo kinetično energijo se

stično mesto segreje, ker elektroni višek energije oddajo v okolico. Pri prehodu

elektronov z nižjo kinetično energijo v material z elektroni ki imajo višjo kinetično

energijo, jo le-ti oddajo šibkejšim elektronom, kar povzroči hlajenje spoja. V

kovinah je ta pojav zelo majhen v primerjavi s pojavom v polprevodnikih, kjer je

možno doseči bolj opazen efekt, ki je uporaben za hlajenje in regulacijo

temperature [11].


19

Slika 6: Peltierjev pojav [18]

3.2.3 Termočlen

Termočlen je eden izmed najbolj razširjenih temperaturnih senzorjev. Deluje na

podlagi Seebeckovega pojava. Uporabljati se je začel že v 19. stoletju. Leta 1885

je Henry Louis Le Chatelier izdelal termočlen platina-rodij-platina, ki je še danes v

zelo široki uporabi.

Izdelan je tako, da se na merilnem koncu stikata dva vodnika iz različnih kovin ali

zlitin, na drugi konec pa je priključen merilnik. Ob razliki temperatur se pojavi

električni potencial. Ker meri le razliko temperatur, moramo poznati temperaturo

na hladnem koncu, da se lahko določi temperatura na merilnem koncu.


20

Termočleni so lahko izdelani iz različnih materialov, ki določajo merilno področje in

občutljivost merilnika. Materiale, ki se uporabljajo za termočlene, je možno zložiti v

termopotencialno vrsto [11]:

Bi-Ni-Co-Pd-Pt-U-Cu-Mn-Ti-Hg-Pb-Sn-Cr-Mo-Rh-Ir-Au-Ag-Zn-W-Cd-Fe-As-Sb-Te

Dlje narazen kot sta materiala v vrsti, večja bo občutljivost termočlena. V

preteklosti so izvajali eksperimente z različnimi materiali, da bi dobili termočlene z

najboljšimi možnimi lastnostmi, in tako so nastali standardizirani tipi termočlenov,

kot so prikazani v tabeli 10.

Tabela 10: Standardizirani termočleni

Oznaka Kovina 1 Kovina 2

Merilno področje

(°C)

T Baker Konstantan -270 - 400

J Železo Konstantan -210 - 1200

E Nikelj-Krom Konstantan -270 - 1000

K Nikelj-Krom Nikelj -270 - 1370

S Platina-Rodij Platina -50 - 1760

R Platina-Rodij Platina -50 - 1760

B Platina-Rodij Platina 0 - 1820

G Volfram Volfram-Renij 0 - 2800

C Volfram-Renij Volfram-Renij 0 - 2800

3.2.3.1 Termočleni iz neplemenitih kovin

V to skupino spadajo tipi T, J in K.

Tip T se uporablja za merjenje nižjih temperatur, predvsem meritve temperatur

utekočinjenih plinov. Pri višjih temperaturah se ne uporablja zaradi bakra, ki ni


21

stabilen pri višjih temperaturah. Ima dobro občutljivost in nizko ceno, vendar pa

karakteristika ni najbolj linearna [11].

Tip J ima širše področje uporabe, vendar pa je zelo koroziven in zaradi tega se ga

lahko uporablja le v določenih okoljih. Je zelo linearen, zato ga ni potrebno

linearizirati za uporabo v širšem območju merjenja, slaba lastnost pa je časovna

nestabilnost [11].

Tip K ima najširše merilno področje v tej skupini termočlenov. Je stabilen in točen,

temperaturna občutljivost pa je nižja kot pri ostalih neplemenitih termočlenih.

Karakteristika je dokaj linearna in v določenih območjih ne potrebuje linearizacije.

Nad 600 °C se pojavlja oksidacija in zaradi tega je meritev višjih temperatur

časovno omejena. Ta tip je najpogostejši v industrijski uporabi [11].

3.2.3.2 Termočleni iz plemenitih kovin

V to skupino spadajo tipi S, R in B, ki so izdelani iz platine in rodija. Omogočajo

točne in stabilne meritve in so bolj odporni na korozijo in oksidacijo. To omogoča

meritve pri višjih temperatur kot pri termočlenih iz neplemenitih kovin.

Najpogosteje se uporablja termočlen tipa S. Slaba stran teh tipov je visoka cena,

ne najboljša linearnost in slabši temperaturni količnik [11].

3.2.3.3 Posebni termo členi

Sem spadata tipa C in G, ki sta izdelana iz volframa in renija. Ta tipa se redkeje

uporabljata. Največkrat jih srečamo tam, kjer je potrebno meriti širok razpon

temperature, saj imata ta tipa zelo široko merilno področje. Slaba stran pa je

precejšnja nelinearnost [11].


22

Slika 7: Karakteristike različnih vrst termočlenov [19]

3.2.4 Kovinski uporovni termometri

Kovine imajo pozitivni temperaturni količnik, kar pomeni da se upornost z

naraščanjem temperature viša. Najpogosteje so termometri izdelani iz čistih kovin,

redkeje se uporabljajo zlitine. Najpomembnejši kriteriji za izbiro materiala so

dolgoročna stabilnost, čim boljša linearnost, široko temperaturno področje in

visoka specifična upornost [11].

Po teh kriterijih je najprimernejša kovina platina, ker je stabilna kovina, je visoko

odporna na korozijo, ima visoko tališče in je linearna. Slaba lastnost je visoka

cena, vendar pozitivne lastnosti odtehtajo to pomanjkljivost. Poleg platine se

redkeje uporabljata še baker in nikelj [11].

Kot prvi je platino za merjenje temperature uporabil Werner von Siemens že leta

1871. Poznamo več izvedb platinastih termometrov. Standard določa, da ima

termometer pri 0 °C upornost 100, 200, 500 in 1000 Ω in tako so termometri


23

poimenovani Pt100, Pt200, Pt500 in Pt1000. Najpogosteje se senzorji iz platine

uporabljajo med temperaturami -200 °C in 850 °C, po dročje uporabe pa obsega

predvsem precizna merjenja, ker je mogoče doseči natančnost ± 0,001 K. V

industrijski uporabi se najpogosteje uporablja Pt100 [11].

Drugi najpogostejši merilnik je nikljev termometer, ki pa je v precej manjši uporabi

kot platinast. Standardiziran je Ni 100, ki ima upornost 100 Ω pri 0 °C, uporablja pa

se za meritve temperatur med -60 °C in 180 °C [11].

Slika 8: Karakteristike kovinskih uporovnih tipal [20]

3.2.5 Polprevodniški termometri

Polprevodniški termometri so praviloma izdelani iz keramike ali različnih

polimerov. Odlikujeta jih nizka cena in visoka občutljivost, slabosti pa so slaba

linearnost in spremembe karakteristike po določenem času. Uporabljajo se kot

omejevalniki električnega toka, temperaturni senzorji, samo-regulacijski grelni

elementi in kot podpora drugim termometrom v zahtevnih merilnih postopkih, saj


24

sami zase niso dovolj natančni. Pogosto se uporabljajo v aplikacijah široke rabe

kot je avtomobilska industrija in domača raba [11].

Polprevodniški termometri se delijo v tri skupine:

- tipala s pozitivnim temperaturnim koeficientom (PTC),

- tipala z negativnim temperaturnim koeficientom (NTC),

- tipala s PN spojem.

PTC tipalo je izdelano iz poli-kristalne keramike, ki vsebuje barijev titanat.

Uporablja se pri temperaturah od 40 °C do 180 °C. P ri nizkih temperaturah

karakteristika rahlo pada, pri določeni temperaturi pa se tvorijo zaporne plasti med

kristali in karakteristika strmo naraste. Za karakteristiko so pomembne tri točke:

- 25 CR ° - upornost pri 25 °C,

- minR - minimalna upornost,

- bT - preklopna temperatura.

Slika 9: Karakteristika PTC tipala [21]


25

Preklopna temperatura je vrednost, pri kateri upornost doseže dvakrat višjo

upornost kot pri 25 °C. Po tej vrednosti za čne upornost strmo naraščati in senzor v

tem območju ni uporaben. Karakteristika je odvisna tudi od priključene napetosti in

frekvence. Višja kot je napetost nižja bo upornost, frekvence pa morajo biti nizke,

saj pri frekvencah, višjih od 1 MHz PTC, pojav izgine. Zaradi teh pomanjkljivosti se

PTC senzorji ne uporabljajo za meritve, kjer je potrebna preciznost. Dobra stran

pa je tokovna samoomejitev, kar pomeni da senzorja ni mogoče uničiti zaradi

prevelikega električnega toka. Zaradi slabe preciznosti se senzorji uporabljajo v

enostavnih merilnih sistemih kot stikalo zaradi nelinearne karakteristike ali samo-

regulacijske elemente, ker se tok samodejno omeji, ko je dosežena določena

temperatura [11].

NTC tipalo je sestavljeno iz oksidne keramike, težkih kovin ali spojin redkih zemelj

z dodanim stabilizacijskim oksidom za izboljšanje linearnosti in stabilnosti. Zaradi

boljše časovne stabilizacije jih je potrebno umetno starati. To omogoča

zamenljivost tipal brez potrebe po kalibraciji. Zaradi tega se uporabljajo v

enostavnejših sistemih kot so sobni termometri, pogosti pa so tudi v avtomobilski

industriji. Temperaturno območje se giblje med -100 °C in 400 °C, v posebnih

izvedbah tudi do 1000 °C. V obmo čju -40 °C do 100 °C je mogo če doseči

natančnost ± 0,1 %, v območju -80 °C do 150 °C pa ± 0,2 % [11].


26

Slika 10: Karakteristika NTC tipala [22]

PN dioda je element, sestavljen iz P in N tipa polprevodnika. Je najstarejši

polprevodniški element. V teoriji električni tok prevaja le v eno smer, vendar v

realnosti ni tako. Če je dioda priključena v obratni smeri, prepušča zelo majhno

vrednost toka, ki pa se spreminja s temperaturo. Namreč z naraščanjem

temperature se tok eksponentno veča, kar pa v določeni meri omogoča meritve

temperature. Termometri s PN spojem so grajeni tako, da se dioda polarizira s

pomočjo tranzistorja v vezju, kar nam da približno linearno negativno

karakteristiko padca napetosti ki znaša -2,2 mV/K. To nam da dobro

natančnost meritve glede na enostavnost vezja [11].

3.2.6 Sevalni termometri – pirometri

Pirometri so merilniki, ki merijo temperaturo brez kontakta z merjeno površino.

Vsa telesa, ki imajo višjo temperaturo kot 0 K, namreč oddajajo

elektromagnetno valovanje. Le-to nastane zaradi prehajanja atomov med

različnimi energijskimi stanji, razlika pa se izseva v obliki fotonov. Ta pojav


27

izkoriščajo sevalni termometri, ki tako merijo temperaturo brez kontakta. Do

določene mere pa je možno približno določiti temperaturo kovinskega telesa s

prostim očesom z opazovanjem barve telesa [11].

Tabela 11: Povezava med barvo in temperaturo telesa

Temperatura

(°C) Barva

555-580 Črno-škrlatna

580-650 Rjavo-škrlatna

650-750 Škrlatna

750-780 Temno rdeča

780-800 Rdeča

800-830 Oranžno-rdeča

830-880 Temno oranžna

880-1050 Oranžna

1050-1150 Rumeno-oranžna

1150-1250 Rumena

1250-1350 Belo-rumena

Glavna prednost pirometrov je meritev brez kontakta s površino, vendar pa to

ni edina prednost. Ostale prednosti so meritve brez povratnega vpliva, meritve

zelo visokih temperatur, meritve na nedostopnih mestih in kratek odzivni čas.

Piromeri se delijo na subjektivne, kamor spadata pirometer z izginjajočo žarilno

nitko in dvobarvni pirometer, ter na objektivne, kamor uvrščamo pirometre

celotnega sevanja, fotometrične, dvobarvne pirometre z uporabo dveh

spektralnih pasov in večbarvne pirometre [11].

Pirometer z izginjajočo žarilno nitko ima okular, skozi katerega opazujemo

merjeni objekt, v napravi pa je žarilna nitka, kateri nastavljamo električni tok, ki

teče skoznjo. Ko nitka izgine, to pomeni, da je temperatura enaka kot na


28

objektu. Uporaben je pri temperaturah nad 700 °C, s aj človeško oko ni

sposobno zaznati nižjih sprememb temperature [11].

Dvobarvni pirometer ima podoben princip delovanja, le da je namesto nitke v

napravi rdeče-zelen filter. Tega z opazovanjem nastavljamo, dokler opazovani

objekt ni sive barve. To pomeni, da ima vpadni spekter svetlobe enak delež

rdečega in zelenega spektra in iz položaja je mogoče določiti temperaturo

opazovanega objekta [11].

Pirometer celotnega sevanja je objektivni pirometer, ki deluje tako, da sevanje

opazovanega objekta usmerimo na termični detektor v napravi. Detektor je

lahko izveden s termopolji, ki vsebujejo termočlene in ti primerjajo temperaturo

na vpadni strani s stalno temperaturo na drugi strani detektorja. Druga možnost

so termistorji in kovinski bolometri. To so temperaturno občutljivi upori, ki so

naneseni na substrat v obliki tanke plasti. Preko mostičnega vezja se meri

sprememba upornosti, ki nam podaja temperaturo. Merilno področje je od -50

°C do 2500 °C. Majhne dimenzije pa omogo čajo odzivni čas do 100 ms [11].

Fotometrični pirometer je objektivni priometer, ki deluje podobno kot pirometer

celotnega sevanja, le da je namesto termičnega detektorja vstavljen fotonski.

To omogoča merjenje temperatur v ožjem spektru in prednost le-tega je hiter

odzivni čas, ki znaša manj kot milisekundo, enostavnejša konstrukcija, nižja

cena in enostavnejša uporaba [11].

Dvobarvni pirometer je podoben subjektivnemu pirometru, le da vsebuje dva

filtra, ki prepuščata dve valovni dolžini, s pomočjo katerih se izračuna

temperatura objekta. To pomeni, da je manj občutljiv na spremembe

emisivnosti telesa in na manjšo osvetljenost detektorja, slabost pa je ožje

območje meritev temperatur.

Večbarvni pirometer deluje enako kot objektivni dvobarvni, le da vsebuje več

kot dva filtra, kar omogoča širše območje meritev. Razpon znaša več kot 2000

°C, z natan čnostjo manj kot 1 °C [11].


29

4 NI MYDAQ

NI myDAQ je naprava za zajem podatkov nizkega cenovnega razreda, ki v navezi

s programsko opremo LabView omogoča meritev in analizo različnih signalov.

Primarno je namenjen predvsem za učne namene, vse od osnovne šole pa do

dela na univerzitetni ravni, saj z njegovo pomočjo študentje spoznavajo merjene

veličine in merilne postopke, ki se v bolj zapleteni obliki uporabljajo v industriji.

NI myDAQ ima dva analogna vhoda. Uporabljamo jih lahko za splošen diferenčni

visoko-impedančni napetostni ali kot avdio vhod. Brez posegov je mogoče meriti

napetosti do ±10 V, v avdio načinu pa vhoda predstavljata levi in desni stereo.

Dva analogna izhoda je mogoče konfigurirati kot splošna avdio ali napetostna

izhoda. Izhoda lahko generirata ±10 V ali služita kot stereo izhod. Enota ima tudi

osem digitalnih vhodov/izhodov, ki jih je mogoče programirati po želji.

Univerza v Mariboru

Slika

Služi lahko tudi kot napajalnik, saj ima tri napetostne izhode. +15 V in

napajanje analognih komponent in +5 V za napajanje

priključenih naprav je omejena na 500 mW.

NI myDAQ se poveže z ra

dodatnega napajanja. Nanj lahko priklju

kot so električna napetost, elektri

pospeški, zvok in tudi kot merilnik položaja. Za enostavnejše meritve se uporablja

programska oprema NI ELVISmx, ki ima že vgrajene digitalne instrumente, s

katerimi opravljamo meritve. Za zahtevnejše aplikacij

programskega paketa NI LabVIEW sestaviti posebne merilnike, ki niso na voljo v

knjižnici elementov.

Osnovni nabor merilnikov obsega digitalni multimeter, ki omogo

napetosti, toka, upornosti in testiranje diode. Osciloskop om

analizo napetosti s podobnimi funkcijami kot namizni osciloskopi v laboratorijih.


30

Slika 11: National Instruments myDAQ [23]

Služi lahko tudi kot napajalnik, saj ima tri napetostne izhode. +15 V in

napajanje analognih komponent in +5 V za napajanje logičnih enot. Skupna mo

enih naprav je omejena na 500 mW.

NI myDAQ se poveže z računalnikom preko USB vhoda in ne potrebuje

dodatnega napajanja. Nanj lahko priključimo različne senzorje in merimo veli

na napetost, električni tok, upornost, temperatura, frekvenca, sila,



katerimi opravljamo meritve. Za zahtevnejše aplikacije je možno s pomo


Osnovni nabor merilnikov obsega digitalni multimeter, ki omogo

napetosti, toka, upornosti in testiranje diode. Osciloskop omogo


Služi lahko tudi kot napajalnik, saj ima tri napetostne izhode. +15 V in -15 V za

čnih enot. Skupna moč

unalnikom preko USB vhoda in ne potrebuje

ne senzorje in merimo veličine

tok, upornost, temperatura, frekvenca, sila,



e je možno s pomočjo


Osnovni nabor merilnikov obsega digitalni multimeter, ki omogoča meritve

ogoča meritve in



31

Funkcijski generator proizvaja različne valovne oblike kot so sinusni, trikotni ali

pravokotni signal, s frekvencami med 0,2 Hz in 20 kHz.

Bode analizator omogoča meritve podatkov v odvisnosti od frekvence med

vrednostmi 1Hz in 20 kHz.

Dinamični analizator signalov omogoča meritve zvoka preko frekvenčne

transformacije z možnostjo enkratne ali neprekinjene meritve.

Generator poljubnih signalov omogoča ustvarjanje poljubnih napetostnih signalov,

ki jih lahko ustvarimo z urejevalnikom signalov ali pa uporabimo katerega v

knjižnici. Ustvarjanje signalov s pomočjo tega orodja je skorajda neomejeno,

ustvarimo lahko točno takšen signal, kot ga potrebujemo.

Digitalni bralnik bere podatke iz osmih digitalnih linij, na katere so priključeni

različni elementi. Možno je branje ene linije naenkrat kot enkratno ali neprekinjeno

branje.

Digitalni zapisovalnik omogoča kontroliranje osmih digitalnih linij na napravi.

Možen je zapis 4 ali 8 bitnega poljubnega vzorca, ki ga potrebujemo na izhodu

digitalnih linij [12].


32

5 MERITVE

Cilj naloge je opraviti meritve sprememb temperature na nazivno obremenjenem

fotovoltaičnem modulu s pomočjo merilnega sistema MyDAQ in programske

opreme LabVIEW. Kot temperaturni senzor bo uporabljen uporovni senzor Pt1000.

Za določitev natančnosti sistema se bo kot kontrolnik uporabljala termovizijska

kamera, ki zaznava infrardeče temperaturno sevanje.

5.1 LABVIEW

Ker je senzor Pt1000 uporovni merilnik, ki s spremembo temperature spreminja

upornost, je v programu LabVIEW potrebno izdelati program, ki pretvori upornost v

temperaturo in shranjuje podatke v obliki tabele v program Microsoft Office Excel

za lažjo obdelavo izmerjenih podatkov.

Seznam potrebnih elementov:

- Waveform Chart,

- Numeric Indicator,

- Stop Button,

- String Constant,

- Enum Constant,

- File Dialog,

- Open/Create/Replace File,

- True Constant,

- Get Date/Time String,

- Tab Constant,

- End Of Line Constant,

- Format Into File,


33

- Or,

- Unbundle By Name,

- Close File,

- Ring Constant,

- Simple Error Handler,

- DAQ Assistant,

- From DDT,

- Numeric Constant,

- DBL Numeric Constant,

- Formula Node,

- Wait (ms),

- While Loop.

1. Najprej na sprednjo ploščo povlečemo Waveform Chart, ki grafično

prikazuje časovni potek temperature.

2. Na sprednjo ploščo povlečemo Numeric Indicator, ki numerično prikazuje

temperaturo.

3. Na to ploščo povlečemo še Stop Button, ki ustavi meritev.

4. Nato z dvoklikom na Waveform Chart vstopimo v blokovni diagram.

5. Na ploščo povlečemo File dialog in nanj dvakrat povlečemo String

Constant.

6. Iz tega elementa povlečemo dve liniji na Open/Create/Replace File.

7. Na vhodno stran elementa dodamo še Enum Constant.

8. Ustvarimo While Loop in dve liniji iz Open/Create/Replace File povežemo z

robom zanke.

9. Vsi naslednji elementi in povezave se izvajajo v zanki.

10. Ustvarimo Format Into File z osmimi dodatnimi vhodi.

11. Liniji, ki vstopata v zanko, povežemo na vhoda, ki javljata napako in

ustvarjanje datoteke.

12. Na izhodni strani ti dve liniji povežemo z robom zanke na drugi strani.

13. Na rumeno linijo povežemo Unbundle By Name.


34

14. Izhod iz Unbundle By Name povežemo na vhod Or.

15. Na drugi Or vhod povežemo Stop Button.

16. Izhod Or povežemo na Loop Condition, ki se pojavi v spodnjem desnem

kotu, ko ustvarimo While Loop.

17. Dodamo element Get Date/Time Constant in na vhod povežemo True

Constant.

18. Prvi izhodi iz Get Date/Time Constant povežemo na prvi vhod Format Into

File, drugi izhod pa peljemo na tretji vhod.

19. Tab Constant povežemo z drugim, četrtim in šestim vhodom na Format Into

File.

20. Na osmi vhod pripeljemo End Of Line Constant.

21. Dodamo element DAQ Assistant, ki zaznava podatke iz fizične naprave,

priključene na računalnik preko USB vhoda, in ga povežemo z elementom

From DDT.

22. Ustvarimo Formula Node zanko, kamor se vpisujejo različne formule.

23. V Formula Node vpišemo Callendar-Van Dussenovo enačbo (5.1), ki

pretvori upornost iz senzorja Pt1000 v Temperaturo [24].

2 2

0 0 0 0

0

4 ( )

2TR A R A R B R R

TR B

− + − −= (5.1)

24. Na levem robu ustvarimo pet vhodov, poimenovanih A, B, C, RT in R0. Na

R0 priključimo Numeric Constant in vnesemo vrednost 1000, kar

predstavlja nazivno vrednost temperaturnega senzorja v Ω.

25. Vhod RT povežemo z izhodom From DDT in petim vhodom Format Into

File.

26. Na vhode A, B in C priključimo DBL Numeric Constant in vanje vnesemo

vrednosti koeficientov določene po tabeli ITS-90.


35

Tabela 12: Vrednosti koeficientov A, B in C

A 3,91E-03

B -5,78E-07

C -4,18E-12

27. Na desnem robu Formula Node ustvarimo izhod poimenovan T. Povežemo

ga s prikazovalnikoma Waveform Chart in Numeric Indicator, ki na sprednji

plošči prikazujeta temperaturo. Izhod povežemo še z osmim vhodom na

Format Into File.

28. Kjerkoli v While zanki postavimo element Wait (ms) in na vhod povežemo

Numeric Constant. V to polje vnesemo želeni čas vzorčenja v milisekundah.

29. S tem je končano delo v While zanki.

30. Izven zanke dodamo element Close File in nanj povežemo obe liniji, ki smo

ju na začetku pripeljali do roba zanke.

31. Izhod peljemo na Simple Error Handler, ki javlja napake, nanj pa

priključimo še Ring Constant.


36

Slika 12: Prednja plošča virtualnega instrumenta

Slika 13: Blokovni diagram ki pretvori upornost v temperaturo


37

5.2 TESTNA MERITEV

Po izdelavi programa je bilo potrebno preizkusiti celotni merilni sistem, če deluje

pravilno. Meritve so bile izvedene na modulu proizvajalca Bisol, kot breme pa je bil

uporabljen drsni upor z maksimalno upornostjo 10 Ω. Za meritev toka in napetosti

sta bila uporabljena dva digitalna večnamenska merilnika, ki sta merila enosmerno

napetost in tok. Senzor Pt1000 je bil nameščen približno na sredino zadnje plošče

modula, vse potrebne povezave so bile izvedene s pomočjo povezovalnih kablov

banana-banana.

Podatki sončnega modula Bisol:

- nazivna napetost: 29,3 V DC,

- nazivni tok: 8 A DC,

- nazivna moč: 233 W.

Podatki drsnega upora:

- maksimalna upornost: 10 Ω,

- maksimalni trajni tok: 6 A.

S pomočjo teh podatkov lahko po Ohmovem zakonu (5.2) precej enostavno

izračunamo upornost, ki jo moramo nastaviti, da bo modul nazivno obremenjen.

29,33,66

8

U VR

I A= = = Ω (5.2)

Ker pa je maksimalni trajni tok, ki lahko teče skozi drsni upor, 6 A, se je za izračun

uporabila vrednost 5,5 A, kar pomeni, da mora upornost znašati 5,33 Ω.

Vse elemente, ki so bili potrebni za izvedbo meritve, je bilo potrebno pravilno

povezati na način, prikazan na naslednji shemi.


38

Slika 14: Vezalna shema PV modula in merilnika temperature

Slika 15: Testna meritev na PV modulu


39

Slika 16: Potek temperature na PV modulu

Iz grafa s potekom temperature je razvidno spreminjanje temperature na

fotovoltaičnem modulu na dan 11. 4. 2013, s pričetkom ob 10:24 in koncem ob

11:28. Prvi del meritve je potekal v sončnem vremenu, v drugi polovici pa se je

pojavila visoka oblačnost, ki je občasno manjšala intenzivnost sončnih žarkov.

Hitrost vzorčenja je bila nastavljena na 60 sekund. Iz grafa je razvidno, da

temperatura s časom delovanja narašča, le občasno je bilo treba prilagoditi

upornost, da se tok ni dvignil nad dovoljeno raven. V drugi polovici meritve je

temperatura občutno padla zaradi oblačnosti. Med 40 in 60 minuto je bila

temperatura celo nižja od začetne, v zadnjih petih minutah je ponovno narasla

zaradi razjasnitve. Minimalna temperatura je znašala 30,57 °C, najvišja pa

36,65 °C. Temperatura ni dosegla kriti čnih vrednosti, saj je bila okolica precej

hladna zaradi zgodnje spomladanskega časa, tako da je modul deloval v

območju dobrega izkoristka.

Sistem myDAQ se je pri tej meritvi izkazal z enostavnim načinom vezave in

samodejnim opravljanjem meritve brez človeških posegov, potrebno je bilo le

začeti in končati meritev.

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Čas (min)

Temperatura (°C)


40

5.3 INDUSTRIJSKA MERITEV

V procesu priprav na opravljanje natančnejše meritve temperature na PV modulu

se mi je ponudila priložnost opravljanja meritev v Termoelektrarni Šoštanj. Takšne

priložnosti seveda ne gre izpustiti in zato sem se odločil, da namesto meritev na

PV modulu opravim meritve na eni od treh napajalnih črpalk na Bloku 5.

Napajalne črpalke se uporabljajo za dovod vode v kotel, kjer se le-ta upari in žene

turbino. Blok 5 ima tri napajalne črpalke, vsaka deluje s pretokom 182,6 l/s, dve

delujeta ves čas, tretja je v rezervi. Seveda ne delujeta ves čas le dve enaki,

ampak se v delovanju izmenjujejo vse tri. Na tak način se zmanjša obremenjenost

posameznih črpalk in olajša vzdrževanje [25].

Sam sem dobil možnost opraviti meritev spremembe temperature na črpalki ob

zagonu in segrevanju črpalke v prvih dveh urah delovanja. Meritev je potekala od

6:20 zjutraj do 8:20 na ohišju črpalke. Kot temperaturni senzor sem uporabil

Pt1000 v kombinaciji z merilnikom myDAQ in prenosnim računalnikom z

nameščenim programskim paketom LabVIEW. Čas vzorčenja je znašal 60 s. Za

analizo natančnosti mojega merilnega sistema sem dobljene rezultate primerjal z

rezultati integriranega merilnega sistema, natančneje z merilnikom na ohišju. To je

eno redkih merilnih mest, ki omogoča takšno primerjavo z zunanjim merilnikom,

saj je večina ostalih senzorjev v notranjosti naprav. Integrirani merilni sistem je

sestavljen iz senzorjev Pt100, ki podatke posredujejo daljinskemu merilnemu

centru s programsko opremo Siemens, ki na enem mestu združuje vse meritve, ki

se opravljajo v procesu proizvodnje električne energije.


41

Slika 17: Merilno mesto na črpalki

Slika 18: Merilni center Bloka 5


42

Na sliki 17 je prikazano merilno mesto, kjer so se izvajale meritve. Sama meritev

je potekala brez zapletov in takšen način se je izkazal kot zelo uporaben prenosni

merilnik, saj ne potrebuje veliko elementov za izvedbo meritve.

Na sliki 18 je prikazan merilni center, kamor se stekajo vsi podatki o meritvah.

Seveda se meritve tudi shranjujejo in tako omogočajo kasnejši izvoz podatkov, kar

je prišlo prav pri pridobitvi podatkov o temperaturi pri zagonu, ki sem jih uporabil

pri analizi sistema myDAQ.

Slika 19: Nadzorna soba Bloka 5

Slika 19 prikazuje nadzorni prostor bloka 5, kjer se izvaja nadzor nad proizvodnjo

električne energije in kjer se opravlja regulacija celotnega sistema, tudi zagon

črpalke, na kateri sem opravljal meritve.


43

Slika 20: Primerjava izmerjenih vrednosti

Na sliki 20 je prikazana temperatura na ohišju črpalke, izmerjena s sistemom

myDAQ in z integriranim sistemom.

Iz grafa je razvidno, da meritev s sistemom myDAQ ne odstopa preveč od privzete

meritve Bloka 5. Vseskozi je temperatura na myDAQ-u nižja od primerjane

vrednosti. To je najverjetneje posledica postavitve senzorja Pt1000 na ohišju.

Privzeti senzor Pt100 na črpalki je bil namreč nameščen v utoru in približno meter

od moje postavitve senzorja. Pri privzeti meritvi je minimalna temperatura znašala

37,17 °C, maksimalna pa 163,305 °C, medtem ko je my DAQ izmeril vrednosti

31,432 °C in 159,382. Minimalna razlika v izmerjeni h temperaturah ob istem času

je znašala 2,245 °C, maksimalna pa 6,879 °C. V odst otkih je minimalna razlika

znašala le 1,96 %, maksimalna pa 19,17 %. V povprečju je odstopanje 4,4 °C

oziroma 6 %. Po izjavah zaposlenih so odstopanja sprejemljiva za tako enostaven

merilni sistem. Na črpalki so namreč merilni rezultati ovrednoteni s toleranco +- 10

°C.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

myDAQ

Industrijska meritev

Čas (min)

Temperatura (°C)


44

6 SKLEP

Naprava myDAQ spada med moderne analogno digitalne pretvornike, ki pretvorijo

analogni vhodni signal iz merilnika v digitalno obliko, ki je uporabna za obdelavo

na računalniku. Direktno, brez dodatnega programiranja v Programu LabVIEW, je

možno meriti enosmerni in izmenični tok in napetost, upornost ter frekvenco s

pomočjo programa ELVISmx. Za meritve ostalih veličin je potrebno izdelati

blokovni diagram v programu LabView. Prednost je enostavna povezava, saj se

myDAQ poveže z računalnikom preko USB vhoda, senzorje pa lahko enostavno

priključimo na digitalne ali analogne vhode. Dobra lastnost je tudi, da ni potrebe po

dodatnem napajanju. Ta lastnost pomeni, da je myDAQ idealna rešitev za meritve

na terenu.

Meritev temperature s tem sistemom je precej enostavna, edina težava je lahko

izdelava blokovnega diagrama, za kar je potrebno poznati program LabVIEW. Ko

je program izdelan, je treba le še povezati elemente in pritisniti start za začetek

meritve in stop za konec meritve. V primeru uporabe senzorja iz platine je

potrebno uporabiti Callendar-Van Dussenovo enačbo, ki pretvori upornost v

temperaturo, natančnost pa je odvisna od senzorja. V mojem primeru je bila v

dovoljenih mejah, tako da se lahko uporablja tudi za natančnejše meritve

temperatur. Na splošno je myDAQ odličen učni pripomoček, ki ima ogromno

možnosti uporabe in študente na zanimiv in interaktiven način seznani z blokovnim

programiranjem v programu LabVIEW


45

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Janez Strnad: O merjenju temperature in termometrih: Iz zgodovine fizike,

Presek, 2009, DMFA

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature_conversion_formulas [ 9.2. 2013]

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Kelvin [11.2. 2013]

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Celsius [11.2. 2013]

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Fahrenheit [11.2. 2013]

[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Rankine_scale [11.2. 2013]

[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Delisle_scale [11.2. 2013]

[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Newton_scale [12.2. 2013]

[9] http://en.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9aumur_scale [12.2. 2013]

[10] http://en.wikipedia.org/wiki/R%C3%B8mer_scale [12.2. 2013]

[11] Denis Đonlagić: Zapiski predavanj pri predmetu Senzorji v energetiki

[12] http://www.ni.com/pdf/manuals/373060e.pdf [18.3. 2013]

[13] http://sourceofstuff.blogspot.com/2012/01/thermometers.html [23.5.2013]

[14] http://www.electrical-forensics.com/BiMetal/Bimetal.html [23.5.2013]

[15] http://www.ernstflow.com/products-page/thermometer/thermometer-bi-

metal-dial-type-3-bottom-connection/ [23.5.2013]

[16] http://en.wikipedia.org/wiki/Pyrometric_cone [23.5.2013]

[17] http://www.daviddarling.info/encyclopedia/S/AE_Seebeck_effect.html

[23.5.2013]

[18] http://www.peltier-info.com/info.html [23.5.2013]

[19] http://about-thermocouples.com/thermocouple-working-principle/

[23.5.2013]

[20] http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/control-

hardware-el-pn-actuation/controllers-and-sensors.asp [23.5.2013]


46

[21] http://akb.lenze.de/akb-englisch/infopool.nsf/HTML/200511092 [23.5.2013]

[22] http://www.powerguru.org/integration-of-peripheral-functions-in-power-

modules/ [23.5.2013]

[23] http://blog.han.nl/studeertechniek/2011/06/20/stagenieuws-van-henry/

[23.5.2013]

[24] http://zone.ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6412 [15.6.2013]

[25] Sulzer Innotec: Šoštanj, HPTpok 28-20 8-stopenjska analiza dušene

upogibne lastne fekvence, 1993


47

PRILOGE

PRILOGA A: PODATKOVNA TABELA ZA SENZOR Pt1000


48


49

PRILOGA B: NAZIVNI PODATKI NAPAJALNE ČRPALKE


50

PRILOGA C: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRO NSKE

VERZIJE ZAKLJU ČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV AVTORJA


51

PRILOGA D: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJU ČNEGA DELA

Documents

MERITEV TEMPERATURE S SISTEMOM myDAQ · 2017. 11. 28. · IV MERITEV TEMPERATURE S SISTEMOM myDAQ Klju čne besede: temperatura, meritev temperature, merilni sistem UDK: 536.5(043.2)