TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY Katedra technológií v elektronike

Študent: Bc. Jakub Ondrejkovič

Vedúci práce: prof. Ing. Stanislav Slosarčík, CSc.

Konzultant práce: Ing. Michal Jurčišin, PhD.

SYSTÉM PRE AUTOMATIZOVANÉ

MERANIE TEPLOTY Diplomová práca

CIEĽ PRÁCE

• Zadaním tejto práce bolo vypracovať prehľad o teórii merania

teploty, navrhnúť a skonštruovať systém pre automatizované

meranie teploty v aspoň šiestich bodoch súčasne použitím

termoelektrických článkov ako senzorov teploty a neskôr

uskutočniť na danom systéme meranie a spracovať jeho

výsledky.

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 2

Teplo je vnútorná energia, ktorú teleso môže prijať, alebo odovzdať

inému telesu (označenie Q, zákl. jednotka J – Joul).

Teplota je stavová veličina opisujúca kinetickú energiu častíc

(označenie T, zákl. jednotka K – Kelvin) [1].

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 3

1. TEORETICKÝ ÚVOD

n TEPLO A TEPLOTA

Obr. 1 Zmena tepelného stavu látky

Teplejšia

látka

Chladnejšia

látka

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 4

1. TEORETICKÝ ÚVOD

n TEPLOTNÁ STUPNICA

Množina bodov prezentujúcich stav látky vzhľadom na zmenu jej

tepelnej energie s vyznačenými bodmi(napr. bod varu, tuhnutia) [2].

Stupnice:

Celziova,

Kelvinova,

Fahrenheitova,

Réaumorova

A iné...[3]

Obr. 2 Porovnanie teplotných stupníc, www.abyss.uoregon.edu

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 5

1. TEORETICKÝ ÚVOD

n PRINCÍP NAVRHOVANÉHO SYSTÉMU

Vstupom do systému je senzor z ktorého výstup je zosilnený,

zdigitalizovaný pomocou prevodníka a v riadiacom obvode

spracovaný pre odoslanie do počítača.

Spôsoby merania:

Dotykové

Bezdotykové

Priame

Nepriame[4]

Obr. 3 Systém pre meranie teploty

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 6

1. TEORETICKÝ ÚVOD

n ROZDELENIE TEPLOTNÝCH SENZOROV

Platinové (Pt) Niklové (Ni) Medené (Cu)

NTC a PTC Termistory: Polovodičové

odporové senzory teploty s pozitívnym(PTC)

teplotným súčiniteľom teploty, alebo

negatívnym(NTC) [5].

Obr. 5 Senzor Pt 100, quancom.com Obr. 6 Ni senzor, directindustry.com Obr. 7 Cu senzor, directindustry.com

Obr. 8 NTC senzor, thermal-sensor.com

KOVOVÉ ODPOROVÉ:

POLOVODIČOVÉ ODPOROVÉ:

Termočlánky: Seebeckov jav – nosiče náboja v teplejšej časti vodiča

majú väčšie množstvo energie, než v chladnej a preto difundujú do

chladnejších miest, pričom vzniká jednostranná prevaha kladných, alebo

záporných nábojov [6].

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 7

1. TEORETICKÝ ÚVOD

n ROZDELENIE TEPLOTNÝCH SENZOROV

Označenie Rozsah[°C] Zloženie[A-B] Farba

K 0 – 1100 NiCr - NiAl

J 20 – 700 Fe - CuNi

N 0 - 1100 NiCrSi - NiSiMg

B 100 - 1000 PtRh30 – PtRh6

Obr. 9 Značka termočlánku

Tab. 1 Porovnanie termočlánkov, http://www.rrutc.msm.cam.ac.uk/

Obr. 10 Porovnanie termočlánkov, wikipedia.org

A

B

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 8

2. NÁVRH SYSTÉMU

n PROTOTYP SYSTÉMU

Spracovávanie informácie zo senzorov(K#) pomocou SPI

komunikačného protokolu za pomoci dosky Arduino.

Sériový multiplex, ktorý využíva pripojenie pomocou USB k počítaču.

S12,45A255,69A112,65A45,78A899,99A556,03AE

Reťazec sériovo multiplexovaných hodnôt teplôt(USB):

Obr. 11 Bloková schéma systému

Arduino UNO3:

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 9

2. NÁVRH SYSTÉMU

n DETAILNÝ POHĽAD NA SYSTÉM

AVR ATMega328P

USB, SPI

Programovacie GUI

PWM modulácia

Podporuje moduly

16 MHz oscilátor [7]

Navrhnutý modul:

Je navrhovaný ako

pevne prípojný modul

pre dosku Arduino

Obvod MAX6675:

A/D obvod

Maxim Integrated

K termočlánky

SPI

SMD puzdro

Vcc 5 V [8]

Obr. 12 Arduino UNO doska, www.arduino.cc Obr. 13 DPS modulu, navrhnutá v Altimu Designer Obr. 14 MAX6675, maximintegrated.com

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 10

2. NÁVRH SYSTÉMU

n KOMUNIKÁCIA V SYSTÉME

SPI protokol umožňuje využívať viacnásobné zapojenie

podradených(slave) zariadení za pomoci selekcie aktívneho obvodu [9].

Informácie o teplote sa tak odosielajú v jednom časovom okamihu

z práve jedného senzora do Arduino dosky.

Do počítača sa dáta odosielajú

súčasne v rámci jedného reťazca

v približne 250 ms intervaloch.

Softvérová časť práce potom dáta

spracováva rozložením rámca do

jednotlivých polí tak, že sníma

prítomnosť písmen S, E a A.

S12,45A255,69A112,65A...E Obr. 15 SPI, wikipedia.org

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 11

2. NÁVRH SYSTÉMU

n SOFTVÉROVÁ ČASŤ

Obr. 16 Softvérové vybavenie systému - GUI

A

B

C

D

E F

G

H

A – výber COM portu

B – nastavenie intervalu a spustenie merania

C – číselné hodnoty senzorov

D – stav senzorov(ak nesvietia, senzory sú odpojené)

E – legenda, farebne rozlišujúca krivky

F – reset celého programu, ukladanie dát do súboru

G – nastavenia pre Y os

H – počet vzoriek merania

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 12

3. MERANIE SYSTÉMOM

n AUTOMOBIL FABIA 1,4 MPI

Experimentálne meranie na vozidle za účelom porovnania nameraných

dát navrhnutým systémom s diagnostickým systémom.

Senzory: A – olej, B – chladiaca kvapalina, C – nas. vzduch, D – okolie.

Obr. 17 Diagnostika vozidla Obr. 18 Rozloženie senzorov

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 13

3. MERANIE SYSTÉMOM

n NAMERANÉ HODNOTY

Senzory: A – olej, B – chladiaca kvapalina, C – nas. vzduch, D – okolie.

Obr. 17 Testovacie namerané krivky teplôt

Systém automatizovaného merania teploty je navrhnutý s cieľom

merať teplotu v maximálne šiestich bodoch súčasne pomocou

termoelektrických článkov typu K.

Informácie o teplotách sú užívateľovi poskytované v grafickom

užívateľskom prostredí s možnosťou uloženia nameraných dát do

textovej formy, ktorá umožňuje ďalšie spracovanie.

Hodnoty nameranej teploty boli porovnávané nie len so sériovo

vyrábaným teplomerom pre meranie teploty, ale aj v rámci

automobilového diagnostického nástroja od firmy Bosch značky ESI

Tronic.

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 14

4. ZÁVER

n Zhodnotenie práce

POUŽITÁ LITERATÚRA

Bc. Jakub Ondrejkovič, PMaTvAE 15

[1] KREIDL. Měření teploty. Senzory a měříci obvody. 1. vydání. Praha 2005: BEN – technická literatura. ISBN 80-7300-145-4 [2] BUCHDAHL. 2.Zeroth law. The concepts of classical thermodynamics. Cambridge U.P.1966. ISBN 978-0-521-04359-5. [3] MORANDI; NAPOLI; ERCOLESSI. Statistical mechanics : an intermediate course. Singapore ; River Edge, N.J. : World Scientific, ©2001. pp. 6~7. ISBN 978-981-02-4477-4 [4] KREIDL. Měření teploty. Senzory a měříci obvody. 1. vydání. Praha 2005: BEN – technická literatura. ISBN 80-7300-145-4 [5] CHUDÝ, PALENČÁR, KUREKOVÁ, HALAJ.: Meranie technických veličín. Bratislava, Vydavateľstvo STU 1999, ISBN 80-227-1275-2 [6] KERLIN, T.W. & JOHNSON, M.P. (2012). Practical Thermocouple Thermometry (2nd Ed.). Research Triangle Park: ISA. pp. 110–112. ISBN 978-1-937560-27-0. [7] NEZNÁMY AUTOR.: Arduino dokumentácia. www.arduino.cc, 2004, [ cit. 30.2 2015 ]. Dostupné na webe: http://www.arduino.cc [8] MAXIM INTEGRATED: Dokumentácia MAX 6675. www.maximintegrated.com, [cit. 30.2 2015]. Dostupné na webe: http://www.maximintegrated.com/ [9] MOTOROLA, INC.: SPI Block Guide. www.ee.nmt.edu, [cit. 30.2 2015]. Dostupné na webe: http://www.ee.nmt.edu/~teare/ee308l/datasheets/S12SPIV3.pdf