1
WAT – WYDZIAŁ ELEKTRONIKI
INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH
Przedmiot: WSPÓŁCZESNE SENSORY
Ćwiczenie nr 1
INSTRUKCJA WYKONAWCZA / SPRAWOZDANIE
Temat: Pomiary przepływu
/BADANIE PRZETWORNIKA ELEKTROMAGNETYCZNEGO/
Grupa: ............................................................
1. .............................................................
2. .............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
Data wykonania ćwiczenia:
........................................................................
Data oddania sprawozdania:
.........................................................................
Ocena:
........................................................................
Prowadzący:
.........................................................................
Uwagi prowadzącego ćwiczenie:
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z oprzyrządowaniem oraz specyfiką wykonywania
pomiarów parametrów przepływu cieczy w kanale otwartym z wykorzystaniem przetwornika
elektromagnetycznego.
2
Warunki bezpieczeństwa
Wykonanie ćwiczenia powinna cechować szczególna ostrożność z uwagi na
jednoczesną obecność na stanowisku pomiarowym kanału i zbiornika z wodą oraz
układów ZNAJDUJĄCYCH SIĘ POD NAPIĘCIEM
Zabrania się wkładania rąk w sposób bezpośredni lub za pomocą przewodzących
przedmiotów do wody w kanale lub zbiorniku
Zabrania się dokonywania samodzielnych zmian w układzie lub jego włączania bez
zgody i obecności prowadzącego
Zabrania się regulacji napięcia ustalającego obroty pompy zasilającej kanał; czynność tą
wykonuje wyłącznie prowadzący zajęcia
Zabrania się dotykania elektrod pomiarowych, cewki wzbudzającej pole magnetyczne
oraz innych nieizolowanych elementów układu pomiarowego
Zabrania się dotykania pompy zasilającej kanał w wodę
W przypadku pojawienia się wody na podłodze nakazuje się natychmiastowe odsunięcie
się od stanowiska pomiarowego i powiadomienie prowadzącego
Przebieg
ćwiczenia
Wykonanie ćwiczenia obejmuje 2 etapy. W etapie pierwszym Studenci zapoznają się z
własnościami wyróżnionych bloków przetwornika:
układ zasilania kanału i regulacji parametrów przepływu,
układ kondycjonowania sygnału elektrod,
blok algorytmu pomiarowego.
Wykonanie tego etapu warunkowane jest podziałem podgrupy na 3 zespoły, które realizują
ćwiczenie w sposób równoległy metodą zmiany grup. Etap drugi jest wykonywany przez całą
podgrupę równocześnie i polega na rejestracji wyników pomiarów za pomocą systemu
komputerowego. Wyniki te podlegają opracowaniu przez każdy zespół w ramach
sprawozdania z ćwiczenia.
3
ETAP 1
1.
Badanie własności układu zasilania kanału i regulacji parametrów przepływu
Zadania do realizacji w trakcie zajęć:
a) Pod kierunkiem prowadzącego zmierzyć metodą objętościową wartość średnią
przepływu objętościowego P wyrażonego w dm
3
/s. Pomiary wykonać z
wykorzystaniem stopera oraz pojemnika z wodą z naniesioną skalą. Wyniki zapisać w
Tabeli 1.1. Przyjąć przybliżony czasy napełniania zbiornika (czasy pomiaru) t
p
podany
w tabeli.
Tabela 1.1. Wyniki pomiarów przepływu
objętościowego dla ustalonego napięcia zasilania
pompy.
t
p
[s]
15
L.p.
O [dm
3
]
t [s]
P [dm
3
/s]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
średnia P [dm
3
/s]
b) pod kierunkiem prowadzącego dokonać przymiarem liniowym pomiaru wysokości
napełnienia kanału h
rzecz
[cm] dla ustalonego przepływu i dla zadanych w Tabeli 1.2
zastawek regulujących. Wyniki wpisać do Tabeli 1.2.
Tabela 1.2. Wyniki pomiarów rzeczywistej wysokości napełnienia kanału w zależności od
wysokości zastawek regulujących.
Oznaczenia zastawek regulujących wysokość
0 (brak)
I
H
G
F
D
A
h
rzecz
[cm]
oznacz.
pomiaru
P0
PI
PH
PG
PF
PD
PA
4
2.
Badanie układu kondycjonowania sygnału elektrod
Schemat modelu laboratoryjnego układu kondycjonowania przedstawiony jest na rys. 2.1.
Należy w nim wyróżnić:
przedwzmacniacz pomiarowy A1 o płynnie regulowanym wzmocnieniu w
zakresie G1 = 5
501 (na bazie AD8221),
układ integratora A2 (na bazie ½ OPA2132),
dolnoprzepustowy filtr aktywny 4-go rzędu A3 według aproksymacji Bessela,
również o płynnie regulowanym wzmocnieniu w zakresie G2 = 1
400 (na bazie ½
OPA2132 i MAX275).
Wejścia i wyjścia poszczególnych bloków dostępne są za pomocą wyprowadzonych
gniazd radiowych zgodnie z przedstawionym schematem. Połączenie całości jest możliwe
po zastosowaniu zworek. Uwaga: wszystkie układy są zasilane ze wspólnej szyny
zasilania symetrycznego
5V. Jakiekolwiek zmiany w układzie mogą być
wykonywane wyłącznie przy wyłączonym napięciu zasilającym Do dyspozycji
wykonujących badania jest generator cyfrowy, oscyloskop oraz zasilacz.
Rys. 2.1. Schemat ideowy układu kondycjonowania sygnału elektrod.
Zadania do realizacji w trakcie zajęć:
Wykorzystując przedstawiony powyżej model laboratoryjny układu kondycjonowania
sygnału elektrod oraz dostępne przyrządy pomiarowe należy:
a) Dokonać pomiaru wartości średniej odpowiedzi wzmacniacza A1 przy
minimalnym wzmocnieniu na pobudzenie przebiegiem sinusoidalnym o
parametrach:
częstotliwość f = 100Hz
napięcie międzyszczytowe U = 1V
pp
składowa stała (ang. offset) zmieniana zgodnie z wartościami
podanymi w tabeli 2.1.
Do pomiarów wykorzystać pomiary automatyczne oscyloskopu. Wyniki
pomiarów zapisać w części Tabeli 2.1. Powtórzyć pomiary dla konfiguracji:
wzmacniacz A1 z układem A2 w pętli sprzężenia zwrotnego. Uwaga: celem
pobudzenia wzmacniacza A1 napięciem z generatora o wyjściu niesymetrycznym,
należy jedno z jego wejść zewrzeć do masy.
+
-
l
+
-
l
+
-
l
Fdp
A1
A2
A3
B
A
C
D
E
F
M
M
M
WY
WE
5
Tabela 2.2. Wyniki pomiarów charakterystyki
amplitudowej układu A1 z układem A2 w
pętli sprzężenia zwrotnego.
Tabela 2.3. Wyniki pomiarów
charakterystyki amplitudowej układu A3.
Tabela 2.1. Pomiary tłumienia różnicowej składowej stałej dla dwu konfiguracji
układu kondycjonowania.
L.p.
Input offset [mVDC]
Output offset [mVDC]
tylko A1
Output offset [mVDC]
A1 + A2
1
100
2
50
3
0
4
-50
5
-100
b) Dokonać pomiaru modułu transmitancji napięciowej układu A1 pracującego z
układem A2 w pętli sprzężenia zwrotnego dla częstotliwości zawartych w Tabeli
2.2. Przyjąć stały poziom napięcia wejściowego odpowiadający uzyskaniu na
wyjściu napięcia o wartości 1V
pp
przy częstotliwości 100Hz (regulacja
wzmocnienia A1). Wyniki pomiarów wpisać do Tabeli 2.2.
Uwaga: Pomiary napięcia wyjściowego o małych częstotliwościach wykonać z
wykorzystaniem trybu przewijanej podstawy czasu „Roll”.
U
we
= const
L.p.
f [Hz]
U
wy
[V
pp
]
1
100
2
20
3
15
4
10
5
5
6
3
7
1
8
0.9
9
0.8
10
0.7
11
0.6
12
0.5
13
0.4
14
0.3
15
0.2
16
0.1
U
we
= const
L.p.
f [Hz]
U
wy
[V
pp
]
1
20
2
100
3
500
4
1000
5
1500
6
2000
7
2100
8
2200
9
2300
10
2400
11
2500
12
2600
13
2700
14
2800
15
2900
16
3000
6
e) Dokonać pomiaru modułu transmitancji napięciowej układu A3 przy wzmocnieniu
zapewniającym uzyskanie na wyjściu napięcia o wartości 1V
pp
przy częstotliwości
20Hz. Wyniki zapisać do Tabeli 2.3.
3. Badanie algorytmu pomiarowego
Ta część ćwiczenia wykonywana jest na stanowisku komputerowym w środowisku Matlab i
ma charakter badań metody przetwarzania sygnału z elektrod. Badania te wykonywane są z
wykorzystaniem sygnałów symulowanych i rzeczywistych.
Zadania do realizacji w trakcie zajęć:
a) wykorzystując procedurę skladowe_sygnalu.m (p. help) wytworzyć w
przestrzeni roboczej Matlaba dwie składowe wykorzystywane do symulacji zjawiska
powstawania sygnału na elektrodach przy pobudzaniu wzmacniacza mocy cewki
napięciem trapezowym. Są to: prąd cewki oraz jego pochodna.
[i,didt]=skladowe_sygnalu(1);
plot([i didt])
b) wytworzyć dwa symulowane sygnały użyteczne o zadanych zestawach amplitud
składowych odpowiadających względnym parametrom przepływu v = 0.3 i h = 0.8 oraz
v = 0.1 i h = 0.6 i naszkicować na rys. 3.1 ich postaci czasowe:
v=0.3; h=0.8; u=v*i+h*didt; plot(u)
Rys. 3.1. Przebiegi czasowe niezakłóconego sygnału użytecznego przepływomierza.
c) wykorzystując metodę najmniejszych kwadratów LS (Least Squares) – wzory 6 i 7
opracowania teoretycznego do ćwiczenia, zapisać sekwencję poleceń Matlaba
umożliwiających wyznaczenie parametrów przepływu na podst. sygnału.
% parametry zadane oraz sygnał napięcia:
v=0.3; h=0.8; u=v*i+h*didt;
% parametry obliczone:
. . . . . . . . . . . .
7
d) dodać do sygnału napięcia kolejno dwa wolnozmienne zakłócenia:
figure(1)
z1=linspace(-1,2,256)’; uz1=u+z1; subplot(211), plot([u z1 uz1])
z2=(linspace(-1,2,256)’).^2; uz2=u+z2; subplot(212), plot([u z2 uz2])
i wyznaczyć parametry przepływu zgodnie z metodą najmniejszych kwadratów. Wyniki
wpisać do pierwszej części Tabeli 3.1 – baza A=[i didt].
Tabela 3.1. Wyniki działania algorytmów pomiarowych przy obecności wolnozmiennego
zakłócenia.
Parametry przepływu
rzeczywiste
uz=u+z1
uz=u+z2
baza A=[i didt]
v
0.3
h
0.8
baza Az=[i didt Z], Z - wielomiany
v
0.3
h
0.8
e) Wykorzystując procedurę czebyszewy.m zaobserwować postaci wielomianów
Czebyszewa do rzędu n=5.
figure(2), Z=czebyszewy(5,256);plot(Z)
Dokonać rozszerzenia bazy z metody najmniejszych kwadratów o wielomiany Czebyszewa i
powtórzyć operację szacowania parametrów przepływu na podstawie sygnałów zakłóconych z
punktu d). Wyniki zapisać do tabeli 3.1 (p. wzory 8, 9 i 10 opracowania teoretycznego do
ćwiczenia). Zapisać poniżej wykorzystane operacje:
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
8
ETAP 2
Bazując na laboratoryjnym systemie generacji pola magnetycznego oraz akwizycji i
przetwarzania sygnałów pomiarowych zarejestrować pod kierunkiem prowadzącego wyniki
estymacji LS amplitud składowych napięcia odpowiadających rzeczywistej prędkości
przepływu cieczy oraz wysokości napełnienia kanału. Wykorzystywany system umożliwia ich
zapis do pliku tekstowego – w kolumnie pierwszej zawarte są kolejne wyniki pomiaru
parametru proporcjonalnego do prędkości U
V
(i), a w kolumnie drugiej wyniki pomiaru
parametru proporcjonalnego do wysokości napełnienia kanału U
H
(i).
Zarejestrować 9 plików zawierających wyniki pomiarów prędkości i wysokości napełnienia
kanału zgodnie z oznaczeniami zawartymi w Tabeli 1.2. i zabrać je ze sobą na nośniku
danych.
OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA
A. Ocena układu kondycjonowania sygnału z elektrod
1. Wykreślić we wspólnym układzie charakterystyki amplitudowe zawarte w Tabelach
2.2 i 2.3.
2. Na podstawie uzyskanych wyników opisać rolę, jaką pełni układ A2 dla
wzmacniacza pomiarowego A1.
3. Na podstawie uzyskanych wyników scharakteryzować wypadkowy układ
kondycjonowania sygnału z elektrod (tzn. A1+A2+A3).
B. Charakterystyka algorytmu pomiarowego
Na podstawie wyników badań z punktu 3 protokołu pomiarów dokonaj zwięzłej
charakterystyki metody najmniejszych kwadratów w algorytmie pomiarowym
przepływomierza elektromagnetycznego.
C. Charakterystyka przetwarzania przetwornika dla parametru: prędkość
1. Korzystając z zależności na rzeczywistą prędkość przepływu wody w kanale o
szerokości 12cm:
]
cm
[
12cm
/
cm
1000
s]
/
[cm
3
rzecz
rzecz
h
s
P
V
,
gdzie: P jest wartością liczbową przepływu wyrażonego w [dm
3
/s], dokonać obliczeń
rzeczywistych prędkości przepływów występujących w pomiarach, których oznaczenia
zawarte są w Tabeli 1.2 i uszeregować je w kolejności od najmniejszej do największej.
Uszeregowane wyniki obliczeń wraz z przypisanymi do nich oznaczeniami pomiarów
zapisać do tabeli S.1.
9
Tabela S.1. Wyniki pomiarów charakterystyki przetwarzania przepływomierza dla
parametru: prędkość przepływu.
oznacz.
pomiaru
V
rzecz
[cm/s]
V
U [V]
std(U
V
) [V]
1. Dla każdego z plików danych pomiarowych wytworzonych przez przetwornik i
zarejestrowanych w etapie 2 ćwiczenia wyznaczyć średnią arytmetyczną z wektora
napięcia U
V
oraz odchylenie standardowe std(U
V
)
(
dane do obliczeń zawiera pierwsza
kolumna w każdym z plików
). W
skazane jest wczytanie danych do komputera i
skorzystanie z programu do obliczeń, np. arkusza kalkulacyjnego, Matlaba itp. Wyniki
obliczeń umieścić w tabeli S.1. Uwaga: oznaczenie pomiaru jest tożsame z nazwą
pliku zawierającego dane pomiarowe.
2. Na podstawie danych w tabeli S.1 sporządzić wykres zależności U
V
od V
rzecz
z
naniesionymi odchyleniami standardowymi i dokonać jego aproksymacji za pomocą
linii prostej.