Ström- och temperaturkontroll

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Ström- och temperaturkontroll

Current and Temperature Control

Robin Ryderg & Peter Swingberg

Storing kinetic energy in a flywheel allows for more efficient driving of electric vehicles. Research in this area is in progress at Uppsala University, where a flywheel with magnetic bearings encased in a vacuum chamber is being constructed. To make this possible methods for measuring the current through the electromagnets in the bearings and temperatures in the flywheel need to be developed. This has been the purpose of this report. The current measurement resulted in a resistive method, and the implementation of eight measurement circuits in the system. A circuit board for amplifying the measuring signals were constructed. The temperature measurement resulted in IR sensors for non-contact measurement and thermocouples for the fixed measuring points. Two circuit boards were constructed for amplification of the measuring signals. Programming of a test program in the graphical programming tool LabVIEW were made for the different systems. Testing of the systems showed good results for both the current and temperature measurement.

Sammanfattning

Att lagra kinetiskt energi i svänghjul möjliggör effektivare drivning för elfordon. Forskning inom detta område pågår vid Uppsala universitet, där ett magnetlagrat svänghjul inneslutet i en

vakuumkammare håller på att konstrueras. För att göra detta möjligt behöver metoder för mätning av strömmen genom elektromagneterna i lagret och temperaturer i svänghjulet tas fram. Detta har varit syftet med denna rapport.

Strömmätningen resulterade i en resistiv metod och implementering av åtta mätkretsar i systemet. Ett kretskort för förstärkning av mätsignalerna konstruerades. Temperaturmätningen resulterade i IR-sensorer för beröringsfri mätning och termoelement för de fasta mätpunkterna. Två kretskort konstruerades för förstärkning av mätsignalerna. Programmering av ett testprogram i det grafiska programmeringsverktyget LabVIEW gjordes för de olika systemen.

Innehållsförteckning

1. Introduktion...4

1.1 Inledning...4

1.2 Bakgrund...4

1.3 Syfte och problemställning...5

1.3.1 Strömmätning...5 1.3.2 Temperaturmätning...5 2. Teori...6 2.1 Strömmätningsmetoder...6 2.1.1 Resistiv...7 2.1.2 Induktiv...7

2.1.3 Optiskt isolerad resistiv...7

2.2 Magnetlager...8

2.2.1 Experimentuppställningen ...8

2.3 H-brygga...9

2.3.1 Experimentuppställningen...9

2.4 Strömmen genom en resistans och induktans i serie...10

2.5 Termoelement...12 2.6 Termistor...12 2.7 Beröringsfri temperaturmätning...13 2.8 Instrumentförstärkare PGA202KP...14 2.9 LabVIEW...14 2.10 CompactRIO...15 2.10.1 NI 9205...15 2.10.2 NI 9401...15

3. Metod och genomförande...16

3.1 Förstudie strömmätning...16

3.1.1 Val av strömmätningsmetod...16

3.2 Den resistiva strömmätningen...16

3.2.1 Placering av strömmätningsresistor...16

3.2.2 Tidigare försök...17

3.2.3 Två designer för att lösa problemet...17

3.2.4 Val av komponenter till designen...18

3.2.5 Konstruktionen...19 3.3 Konstruktion av förstärkarkrets...19 3.3.1 Komponenterna...20 3.4 LabVIEW-koden...21 3.4.1 FPGA-kod...21 3.4.2 PC-kod...22 3.5 Förstudie temperaturmätning...23

3.6 Experiment med termostapel...23

3.7 Experiment med termoelement...25

3.8 Konstruktion av kretskort för IR...26

3.9 Konstruktion av kretskort för termoelement...27

3.10 Kalibrering och linearitet ...28

3.11 LabVIEW kod...30

4.1 Mätkretsar...31

4.2 Kontakter...32

4.3 Förstärkarkretsen...33

4.4 Differentiell mätning eller mätning mot en referens?...34

4.5 Körning med LabVIEW...35

4.6 Strömkurvan...36

4.7 Termostapel...37

4.8 Termoelement...38

5. Diskussion...40

5.1 Slutsats...40

5.2 Förslag till förbättringar...40

1. Introduktion

1.1 Inledning

Denna rapport behandlar i huvudsak två delproblem i ett större projekt. Det ena delproblemet behandlar störningskänslig strömmätning och det andra temperaturmätning i besvärlig miljö. Arbetet är uppdelat så att varsin del har en ansvarig, där Robin Rydberg ansvarat för strömmätning och Peter Swingberg ansvarat för temperaturmätning.

1.2 Bakgrund

I dagens elfordon skulle det behövas batterier med både hög lagringskapacitet och låg inre resistans för att kunna hantera höga energiflöden. Detta är dock ett problem då dagens batterier inte kan ha dessa egenskaper samtidigt. En lösning kan vara att lagra energin kinetiskt, vilket t.ex. kan göras i ett svänghjul [1]. Ur ett ekologiskt perspektiv kan detta ses som positivt, genom att elbilar blir mer attraktiva för konsumenter då batterier kan göras mer effektiva. Effektivare batterier kan också leda till mindre miljöpåverkan då inte lika stor mängd behövs.

En tidig tillämpning av svänghjulet var i drejning, då pulserande kraft från foten försatte en

drejskiva i rotation. Ett senare användningsområde var då ångmaskinen uppfunnits. James Pickard modifierade år 1779 en ångmaskin. Med hjälp av en vev och ett svänghjul kunde nu den fram- och återgående rörelsen från ångmaskinens kolv omvandlas till en mjuk, roterande rörelse [1]. En illustration över en ångmaskin, som med hjälp av ett svänghjul lagrar energi för jämnare gång visas i Figur 1.1.

Figur 1.1. Ångmaskin med stort svänghjul för energilagring.

Vid Uppsala universitet pågår idag ett forskningsprojekt där en energibank i form av ett svänghjul ska implementeras i en drivlina för elfordon. Svänghjulets funktion är att snabbt kunna leverera energi vid t.ex. acceleration och lagra energi vid t.ex. inbromsning. Eftersom att svänghjulet behöver vara så lätt och litet som möjligt, krävs därför en mycket hög rotationshastighet för att energiinnehållet ska bli tillfredsställande. För att klara av en så hög rotationshastighet som möjligt kommer svänghjulet att inneslutas i vakuum och axeln kommer vara magnetlagrad. Därmed kan en stor del av friktionen försummas.

1.3 Syfte och problemställning

1.3.1 Strömmätning

Svänghjulets höga rotationshastighet samt inneslutning i vakuum gör magnetlager till en lämplig teknologi för att stabilisera rotorn med minimala lagerförluster. Aktiva magnetlager (AMB) har visat sig vara den mest lovande implementeringen av denna teknologi tack vare deras höga bärförmåga och goda dämpning.

De elektromagneter som magnetlagret använder för att generera en attraktiv kraft på rotorn består av laminerad statorplåt. Fältlindningarna som genererar den magnetiska kraften har därmed hög induktans, men mycket låg resistans. De kontrolleras av en semi-passiv H-brygga. För att

kontrollera den attraktiva kraften som genereras måste strömmen mätas med hög noggrannhet och bandbredd.

Mätsignalen ska sedan tas om hand av National Instruments programvara LabVIEW. Signalen tas in genom en CompactRIO, ett inbyggt industriellt realtidsstyrsystem. Programkod i LabVIEW ska implementeras så att mätsignalen kan användas till PID-regulatorn för styrning.

1.3.2 Temperaturmätning

Då maskinen är innesluten i vakuum är det inte bara friktionen som minskas utan även

värmeavlelningsförmågan vilket gör mätning av temperatur i stator och rotor extremt viktig. Då rotorn är magnetlagrad kyls den enbart via strålning. Rotorn i elmaskinen innehåller vidare ett stort antal permanentmagneter, som avmagnetiseras vid temperaturer högre än 80°C.

För att skydda de enskilda komponenterna i maskinen måste temperaturen mätas kontinuerligt under drift, i såväl stator som rotor. För detta ändamål måste mätsensorer köpas in och kalibreras, elektronik konstrueras och hela systemet testas. För temperaturmätningar på statorn kan

2. Teori

2.1 Strömmätningsmetoder

Strömmätning används i huvudsak för att utföra två funktioner. Den första är att mäta hur mycket ström det går i en krets, vilket t.ex. kan användas som en styrsignal till en PID-regulator. Den andra funktionen är att avgöra om strömmen är för hög och om det är något som är fel. Då strömmen överstiger en säkerhetsgräns kan programvara eller hårdvara stänga av systemet t.ex. vid en kortslutning [2].

Det finns i huvudsak tre olika metoder för strömmätning [3]. Dessa är: • Resistiv

• Induktiv

• Optiskt isolerad resistiv

I Tabell 2.1 nedan visas en jämförelse mellan de olika metoderna med avseende på de vanligaste faktorerna vid strömmätning.

Typ

Ström-storlek Isolerad Noggrann-het AC respons störandeIcke Kostnad Resistiv Väldigt Låg/ Hög Nej Hög Medium/ Hög Nej Låg Optiskt isolerad resistiv Medel/

Hög Ja MedelLåg/ MediumLåg/ Nej MediumLåg/

Induktiv Medel/

Väldigt Hög Ja Medel Medium/Hög Ja Hög

Tabell 2.1. Jämförelse mellan strömmätningsmetoder.

2.1.1 Resistiv

Genom att sätta en resistor i serie med där strömmen ska mätas, utnyttjas ohms lag (U=R*I). Den spänning som kan mätas över resistorn kommer att vara linjärt proportionell med den ström som flyter genom den [3].

Fördelar: Den resistiva strömmätningen är den enklaste, mest grundläggande och billigaste

metoden.

Nackdelar: Ett av problemen med denna metod är att den ger ett resistanstillskott i kretsen. Då

höga strömmar ska mätas kan detta ge en hög effektförlust, som ökar kvadratiskt med strömmen (P=I2_{*R) [3]. Då höga strömmar ska mätas är därför resistiv strömmätning ovanlig.}

Ett sätt att minimera detta problem kan vara att välja en resistor med resistans nära noll. Om resistansen blir för låg kan detta dock att leda till att spänningen över resistorn blir för låg för att mäta [3]. Det är dessutom svårt att tillverka resistorer med låg resistans och hög noggrannhet. En låg resistans påverkas också procentuellt mer av temperaturförändringen som uppstår då en ström flyter igenom dem, än en högre.

2.1.2 Induktiv

Vid induktiv strömmätning används oftast en strömtransformator, vilken alstrar en utspänning proportionell mot strömmen [3].

Fördelar: Induktiv strömmätning erbjuder både isolering och känner av sin egen ström utan behov

av en strömavkännande resistor. Den största fördelen med induktiv strömmätning är att den i stort sett är förlustfri. Därför kan metoden användas vid övervakning av mycket höga strömmar [2].

Nackdelar: Metoden kan dock endast användas i kretsar med AC och helst vid höga frekvenser. Vid

låga frekvenser skulle en strömtransformator bli stor och mycket dyr. Ett användningsområde skulle kunna vara strömmätning i switchade nätaggregat [3].

2.1.3 Optiskt isolerad resistiv

Vid optiskt isolerad resistiv strömmätning används vanligtvis en optiskt isolerad transistor. Metoden kan i sig inte riktigt betraktas som en egen strömmätningsmetod, då transistorn inte mäter strömmen utan endast överför den redan kända [3]. Metoden går till som den resistiva. Genom att koppla ett motstånd i serie där strömmen ska mätas, fås en spänning över motståndet proportionell mot strömmen. Denna spänning driver i sig en diod i den optiskt isolerade

transistorn, vilken alltså drivs av ljus.

Fördelar: Då mätsignalen överförs med hjälp av ljus, leder detta till att mätkretsen blir elektriskt

isolerad från den resterande kretsen. Detta kan vara effektivt då mätkretsen är känslig mot t.ex. strömspikar. Då isolering krävs är den optiskt isolerade resistiva metoden den mest

kostnadseffektiva [3].

Nackdelar: Metoden har nackdelen att en felkälla finns där spänningen som driver dioden ska

2.2 Magnetlager

Aktiva magnetlager (AMB) blir alltmer använda inom en stor mängd applikationer, då de har en förmåga att på ett nytt sätt lösa tidigare rotorbärande problem.

Ett aktivt magnetlager har den fördelen att det kan hålla en roterande axel på plats utan att med någon fysisk kontakt hålla rotorn i luften. Istället används elektro- och permanentmagneter för att genom magnetisk kraft påverka rotorn [4]. En fördel med detta är att det inte blir någon mekanisk friktion och alltså ingen förslitning på magnetlagren. En till fördel är att inget smörjmedel behövs [1], vilket kan vara nödvändigt då lagret sitter inne i en vakuum-kammare.

En nackdel med aktiva magnetlager är att det alltid behövs en aktiv kontroll för att styra dessa. De har också en relativt låg styvhet i jämförelse med t.ex. kullager. En ganska stor nackdel är att aktiva magnetlager är väldigt dyra, bland annat på grund av de positionssensorer som behövs [1].

2.2.1 Experimentuppställningen

Det aktiva magnetlagret är i experimentuppställningen uppbyggt genom att fyra elektromagneter (statorn) sitter symmetriskt runt en rotor av stål. Förskjutningssensorer mäter positionen av rotorn, och skickar signaler till en PID-regulator. Den styr i sin tur strömmen som går genom

elektromagneterna, så att rotorn hålls på plats. I magnetlagret som senare kommer att tillverkas för det slutgiltiga svänghjulet, kommer det att användas åtta elektromagneter. Nedan visas Figur

2.1 över experimentuppställningen.

2.3 H-brygga

En H-brygga är en krets konstruerad att driva en ström genom en last i två motsatta riktningar. Oftast används fyra transistorer som drivs med hjälp av en PWM (Pulse Width Modulation)-signal. Då två av transistorerna är öppna, drivs en ström åt ena hållet genom lasten. Då de andra två transistorerna är öppna, drivs en ström åt det andra hållet genom lasten. Med en H-brygga kan en DC-motor fås att gå åt olika håll.

2.3.1 Experimentuppställningen

Eftersom den digitala signalen från styrsystemet som används för att driva elektromagneterna är väldigt svag, används H-bryggor som drivkretsar. I experimentuppställningen är en drivkrets konstruerad så att endast två transistorer används. Detta eftersom strömmen endast kan driva elektromagneterna till att använda en attraherande kraft på rotorn. De två andra transistorerna är kortslutna så att endast dioderna i dem används. De transistorer som används är av typen MOSFET. Detta för att de är väldigt snabba och billiga. För att kunna driva de fyra elektromagneterna i

experimentuppställningen, används fyra "identiska" H-bryggor. För att kunna driva de åtta elektromagneterna i det senare magnetlagret finns fyra extra H-bryggor också tillverkade. I Figur

2.2 nedan realiseras en drivkrets.

Figur 2.2. Semi-passiv H-brygga med pilar vilka visar strömmens väg vid stängda och öppna

transistorer.

2.4 Strömmen genom en resistans och induktans i serie

En elektromagnet(spole) består av en induktans och en resistans i serie med varandra. Om en ström skickas igenom en elektromagnet kommer den bete sig på ett vis, som kanske inte är självklart. Strömmen kommer att begränsas av resistansen och kan beräknas från Ohms lag:

U =R⋅I → I =U

R (2.1)

Begränsningen för hur strömmen kommer att ändras beräknas enligt:

U =L⋅dI

dt ,där L är induktansen. (2.2)

Vid addition av de båda ekvationerna fås en differentialekvation:

U =I⋅R+ L⋅dI dt →I + L R⋅ dI dt= U R (2.3)

Vid lösning av differentialekvationen kan strömmen beräknas fram. Först tas en homogen lösning fram: I_H+ L R⋅ dIH dt =0 (2.4) I_H=Ce −R L⋅t , där C är en konstant. (2.5)

Sedan tas en partikulär lösning fram:

I_P+ L R⋅ dI_P dt = U R (2.6) I_P=U R (2.7)

Addering av ekvation 2.5 och 2.7 ger den fullständiga lösningen:

I =I_H+ I_P=U

R+C⋅e

−R

L⋅t _(2.8)

Därefter bestäms konstanten C: I (0)=0 →U

R+C=0 (2.9)

C=−U

R (2.10)

Med C insatt i ekvation 2.8 fås:

I (t)=U R⋅[1−e

−(R/ L)⋅t

Detta leder till att strömmen genom en elektromagnet från att strömmen slås på ser ut enligt strömkurvan i Figur 2.3 nedan [5].

Figur 2.3. Illustration över strömmens förändring i tiden.

Vid tiden t = L/R har strömmen stigit till 63% av full styrka [5]. I figuren kan också observeras hur strömmen begränsas av resistansen i elektromagneten.

Vid simulering av en drivkrets och en elektromagnet från experimentuppställningen med värden på elektromagneten som R=140 Ω och L=366 mH fås följande resultat i Figur 2.4.

Figur 2.4. Simulering i LT-spice av experimentuppställningen.

Simuleringen visar på hur strömmen beter sig genom en elektromagnet från det tillfälle att

systemet sätts igång. Då transistorerna öppnas kommer en ström gå genom elektromagneten. När transistorerna sedan stängs kommer strömmen att drivas tillbaka, från jord genom

elektromagneten. Det är detta fenomen som orsakar upphackningen i simuleringen.

2.5 Termoelement

Ett termoelement för temperaturmätning består av två olika metalltrådar där de i ena änden är sammankopplade (mätpunkten) och i den andra är kopplade till ett mätinstrument för spänning. När en metalltråd har olika temperatur i sina ändar uppstår en termoelektrisk spänning ”Seebeck-spänning” över den kalla och varma änden av tråden [6]. Olika metaller ger olika spänningar och genom att sammankoppla två metalltrådar av skilda material i mätpunkten fås där samma

potential. I de andra ändarna som kopplas till mätinstrumentet fås en potentialskillnad som beror på hur stor temperaturskillnad det är mellan ändarna. För att kunna referera den lilla spänningen som uppstår till en temperatur, behövs en referenspunkt med känd temperatur, exempelvis ett glas med isvatten som då får temperaturen 0 °C. Att använda sig av isvatten som referens är av

naturliga skäl inte så praktiskt. I detta projekt används en förstärkarkrets med inbyggd

kompensering för referenspunkt med hjälp av en termistor. Då den håller koll på temperaturen på instrumentsidan, kompenserar förstärkaren för den spänning som annars skulle alstras av en större eller mindre temperaturdifferens hos termoelementet. I Figur 2.5 illustreras hur temperatur kan mätas med hjälp av ett termoelement.

Figur 2.5. Principerna för hur ett termoelement är uppbyggt.

2.6 Termistor

En termistor är en komponent vars resistans ändras med dess temperatur. Då den kopplas som en av komponenterna i en enkel spänningsdelare, kan den användas till att mäta temperatur. Då termistorns resistansändring inte är linjär mot temperaturen, är termistorns Beta-värde och resistans vid en känd temperatur viktiga värden. Beta-värdet är en mått på lutningen av termistorns resistans mellan två temperaturer [7]. I Figur 2.6 visas en resistanskurva för en termistor med negativ temperaturkoefficient.

2.7 Beröringsfri temperaturmätning

Att mäta temperatur beröringsfritt är inte en helt trivial uppgift, speciellt inte inne i en maskin som både har trångt med utrymme och ett mycket starkt magnetfält. Att det skulle bli mätning med hjälp av infraröd strålning var självklart men inte hur.

En metod för att möjliggöra beröringsfri temperaturmätning är att använda den värmestrålning som objektet utsänder. Denna strålning kan mätas med hjälp av en termostapel (eng. thermopile). En termostapel är uppbyggd av ibland hundratals seriekopplade termoelement (se avsnitt 2.5), där ena änden är ansluten mot en kylfläns och andra änden mot en yta som värms upp av det

infraröda ljuset [8]. Se Figur 2.7 för en illustration av hur flera termoelement är sammankopplade. Då man endast vill att ett visst spektrum av ljus ska värma termoelementen, behövs det ett filter som bara släpper igenom våglängder mellan 8 till 14 mikrometer ”IR”. För att mätningen ska bli någorlunda tillförlitlig, är det viktigt att ytan som skall mätas på är så mörk och matt som möjligt. Annars kan oönskad värmestrålning från omgivningen reflekteras och blandas upp med strålningen från mätobjektets yta och påverka mätresultatet [9]. Då nästan alla ytor faktiskt reflekterar

omgivningen i viss mån, behövs oftast instrumentet justeras för just det material som ska mätas på [9]. De seriekopplade termoelementen alstrar en spänning proportionell mot den

temperaturskillnad som finns mellan det infraröda ljuset och den kalla sidan. Men då den kalla sidan också kan ändra sin temperatur beroende på omgivningen, behövs en termistor eller liknande för kompensation. För att kompensera för den spänningsskillnad som uppstår av att den kalla sidan får olika temperatur, adderar man de mätvärden som fås från termoelementen och termistorn.

2.8 Instrumentförstärkare PGA202KP

PGA202KP är en FET-baserad instumentförstärkare vilket gör den både snabb och bra anpassad till förstärkning av svaga signaler på grund av dess höga ingångsresistans. Förstärkningen på insignalen är styrd av en tvåbitars digital ingång och går att välja mellan 1, 10, 100, och 1000 gånger [10]. Att veta den exakta förstärkningen är mycket fördelaktigt då signalen ska efterbehandlas vid t.ex. mätning av låga spänningar. Det kan också vara bra då många parallella mätningar ska göras med samma förstärkning.

Instrumentförstärkaren har en CMRR (Common Mode Rejection Ratio) på 120 dB. CMRR är

tendensen som förstärkaren har att dämpa likheter mellan signaler på ingångarna. Det är viktigt att denna är hög då det är svaga signaler som ska förstärkas och 120dB kan anses som högt [10]. PGA202KP är utrustad med inbyggda lågpassfilter med brytfrekvensen 1 MHz. Den frekvensen kan lätt ändras genom att ytterligare kondensatorer parallellkopplas med de interna. Detta görs genom att ansluta en kondensator mellan Filter A och VREF och en "identisk" kondensator mellan Filter B och Sense [10]. Desto större kondensatorer, desto lägre brytfrekvens. Se Figur 2.8 nedan för instrumentförstärkarens uppbyggnad.

Figur 2.8. Instrumentförstärkaren PGA202KP i genomskärning.

2.9 LabVIEW

2.10 CompactRIO

En CompactRIO är en omkonfigurerbar enhet för datainsamling och styrning. För att möjliggöra detta innehåller dess chassi en FPGA (field-programmable gate array), plats för I/O-insticksmoduler och en styrenhet för kommunikation mellan FPGA och LabVIEW. FPGA:n består av

omprogrammerbara logikkretsar som möjliggör mätning, realtidsberäkningar och programmeras genom anpassad LabVIEW-kod [12]. Nedan visas Figur 2.9 över CompactRIO:n med

insticksmodulerna NI 9205 och NI 9401 vilka beskrivs nedan.

Figur 2.9. CompactRIO:n med insticksmoduler. NI 9205 till vänster och NI 9401 till höger.

2.10.1 NI 9205

Är en insticksmodul för datainsamling med 32 kanaler. Dessa kan användas till att mäta spänning mot en gemensam referenspunkt, eller differentiellt, men då endast med 16 kanaler. NI 9205 har ett 16 bitars upplösning där mätintervallet kan ställas in mellan +-200 mV och +-10 V, med en maximal samplingsfrekvens på 250 kHz [13].

2.10.2 NI 9401

3. Metod och genomförande

3.1 Förstudie strömmätning

För att kunna välja ut en metod för hur strömmen i kretsen skulle mätas gjordes till att börja med en förstudie. I förstudien letades information fram om vilka strömmätningsmetoder som finns och vilka som skulle kunna vara anpassningsbara till detta projekt. En utvärdering av de olika

strömmätningsmetoderna gjordes, med avseende på de krav som projektet tillhandahåller. Till slut valdes den resistiva strömmätningen som den metod som var den bäst anpassade för denna tillämpning.

3.1.1 Val av strömmätningsmetod

Valet av strömmätningsmetod gjordes med avseende på olika faktorer, så som t.ex. noggrannhet, kostnad, strömstorlek och störningsberoende.

Den första tanken var att använda den induktiva metoden. Detta eftersom den inte stör kretsen som de andra metoderna. Kostnaden för induktiva sensorer blir dock ganska hög och eftersom det är relativt små strömmar som ska mätas, passade den inte riktigt till denna tillämpning. En annan nackdel är att eftersom det är strömmar i induktiva elektromagneter som ska mätas, kan en liten störning i magnetfältet, som den induktiva sensorn använder sig av, tillsamman med de relativt små strömmarna, ge stora störningar i mätningen.

Den optiskt isolerade resistiva metoden var egentligen aldrig något alternativ, då denna egentligen bara behöver användas då man vill isolera mätkretsen från den resterande. Detta är inte något krav i det här projektet. Den har också en ganska låg noggrannhet på grund av den omvandling som måste göras mellan spänning och ljus i transistorn.

Den resistiva metoden valdes. Eftersom noggrannheten är hög, vilket är ett av projektkraven, passade denna metod bra. Metoden är också väldigt billig och har ett användningsområde som är bra anpassat för små strömmar. På grund av dess enkelhet är den också väldigt enkel att

implementera i en redan färdig byggd drivkrets, vilket i det här fallet var nödvändigt.

3.2 Den resistiva strömmätningen

3.2.1 Placering av strömmätningsresistor

För att kunna mäta strömmen i drivkretsen med den resistiva metoden, måste först ett val göras om vart i kretsen strömmätningsresistorn ska sitta. Det mest logiska skulle vara att placera

resistorn direkt i serie med elektromagneten(spolen), eftersom det är strömmen genom den som ska mätas. Ett problem med placering av resistorn här, är att spänningspotentialen vid sourcebenet på transistorn kommer att ändras, beroende på om transistorn är stängd eller öppen. Om resistorn däremot placeras mellan jord och resten av drivkretsen, kommer spänningspotentialen vid jord alltid vara densamma. Därför valdes denna plats i kretsen för implementering av

3.2.2 Tidigare försök

I detta projekt har tidigare försök gjorts för att mäta strömmen genom elektromagneterna. Försöken har genomförts genom att placera en 0,1 ohms resistor mellan jord och den resterande kretsen. Eftersom en PWM-signal styr transistorerna, så att de ibland är öppna och ibland stängda, kommer strömmen genom resistorn att byta riktning. Denna "växelström" har gjort det svårt att ta hand om mätsignalen, då spänningen över resistorn också kommer att växla.

Problemet ligger i att spänningen över resistorn växlar mellan att vara positiv och negativ, då strömmen växlar mellan att drivas från drivspänningen till jord och tvärt om. Eftersom det är spänningen över resistorn som är själva mätsignalen, blir den väldigt svår att avläsa och svår för PID-regulatorn att ta hand om. Utmaningen bestod nu i att hitta ett bättre sätt att med hjälp av den resistiva metoden få mätsignalen att inte växla över strömmätningsresistorn.

3.2.3 Två designer för att lösa problemet

Efter en del funderingar gjordes två designer för att lösa problemet. Designerna visas i Figur 3.1 nedan.

Figur 3.1. Två olika designkretsar för strömmätning.

I design 1 kommer strömmen gå ner genom sida B då transistrorerna i drivkretsen är stängda och upp genom sida A då transistorerna är stängda. Detta kommer att medföra att

Design 2 är egentligen bara en enkel likriktarkrets och blir som en miniatyrmodell av själva drivkretsen. Strömmen kommer alltså alltid att gå igenom resistorn åt samma håll, vilket medför att spänningsfallet över resistorn, A till B, alltid kommer ha samma polaritet. Mätsignalen kommer alltså gå att implementera i PID-regulatorn.

Tester gjordes med båda designerna och de visade båda goda resultat. Mätsignalen togs in i LabVIEW och de båda designerna visade med nästan exakt lika noggrannhet. Frågan blev då hur valet mellan de båda skulle göras. Då spänningsfallet över design 2 blir större än spänningsfallet över design 1, genom att den består av fler komponenter, fick valet bli design 1.

3.2.4 Val av komponenter till designen

Resistorerna valdes till 0,1 ohms OHMITE-resistorer på grund av att de är ideella för just strömmätningsapplikationer. De har bland annat en låg induktans och en exakt resistans, vilken inte påverkas så mycket vid temperaturändring. En kurva för temperaturkompenseringen visas i

Figur 3.2 nedan. Dioderna valdes till SCHOTKY-dioder. Dessa valdes eftersom spänningsfallet över

dem blir väldigt lågt i strömriktningen och de har en väldigt kort swichningstid. För att störa resten av kretsen så lite som möjligt var dessa alltså ett självklart val.

3.2.5 Konstruktionen

Till att börja med löddes åtta stycken identiska mätkretsar ihop, bestående av vardera två

resistorer och två dioder. För experimentuppställningen behövdes endast fyra mätkretsar, då fyra elektromagneter användes, men vid den slutgiltiga prototypen kommer åtta elektromagneter användas och således behövs också åtta mätkretsar.

I labbet fanns sedan tidigare åtta färdigbyggda H-bryggor, fastskruvade i en metallåda. Lådan används både för kylning av transistorerna och som avskärmning, då transistorerna i H-bryggorna annars har en tendens att störa omgivande elektronik. Att de sitter fast i en metallåda är också bra ur en rent praktisk synpunkt, då denna är behändig vid förflyttning och placering. Varje mätkrets löddes fast mellan jord och en H-brygga och kretsarna isolerades med eltejp.

Signalkablarna för styrning av transistorerna samt strömmätningen valdes till avskärmade kablar för att minimera störningar utifrån. Dessa gick tidigare igenom väggarna på metallådan in till de befintliga H-bryggorna och den tidigare strömmätningen. För att lådan skulle bli mer lätthanterlig hade det varit bättre om signalkablarna istället kunde kopplas in i lådan med hjälp av kontakter, vilket nu blev nästa uppdrag. Kontakterna valdes till IEC60130-9 från LUMBERG och har plats för fastlödning av 12 kablar. Hål borrades upp i metallådan för att ge plats åt kontakterna.

Hon-kontakterna skruvades fast i lådans vägg och kablar från lådan löddes fast. Han-Hon-kontakterna löddes i sin tur fast i de skärmade signalkablarna, vilka tidigare gått in i lådan.

3.3 Konstruktion av förstärkarkrets

För att kunna bearbeta mätsignalen i LabVIEW måste den först förstärkas. Detta på grund av att den måste anpassas till CompactRIO:ns arbetsområde och att störningar annars påverkar

mätsignalen så pass mycket att den blir oanvändbar. En förstärkarkrets byggdes därför med noga utvalda komponenter på ett kretskort . Kretskortet är ett RE330 från ROTH ELEKTRONIK och har fördragna ledningsbanor och plats för komponenter. Med hjälp av instrumentförstärkaren PGA202KP kan en signal förstärkas upp 10, 100 eller 1000 gånger. För denna applikation passade det bra med en 100 gångers förstärkning, vilken ger en spänningssignal på runt 1 V.

3.3.1 Komponenterna

På kretskortet löddes först åtta stycken DIL-14 socklar fast. I dessa skulle sedan instrumentförstärkarna PGA202KP kopplas in. En TRACOPOWER TEN-8 användes som

spänningskälla, vilken ger ut en positiv spänning på +15 V och en negativ spänning på -15 V. Denna behöver i sin tur matningsspänning på mellan 9 och 36 V. Förstärkningen från PGA202KP sker med hjälp av en två bitars digital styrning. Spänningen som representerar en digital etta, måste ligga 8 V under den positiva matningsspänningen, vilket i detta fall blir 7 V. För att åstadkomma detta

byggdes en spänningsdelare med hjälp av en 15 kΩ och en 10 kΩ resistor. Från ekvation 3.1 fås då:

U_U= R2

R1+ R2⋅UI=

15K

10K+ 15K⋅15=6V (3.1)

Jord och spänningarna +15 V, -15 V och digital etta fördelades ut på de ledningsbanor kretskortet tillhandahöll.

För att filtrera bort brus i mätsignalen och få den stabilare användes instrumentförstärkarnas inbyggda filterfunktion. Samplingsfrekvensen för insticksmodulen NI 9205 är 250 kHz, vilket gjorde att brytfrekvensen för filtret behövde ligga under nyqvistfekvensen på 125 kHz, för att undvika "vikning". En idé fanns att ytterligare arbete på detta projekt skulle kunna utföras, vilket innebar att det skulle kunna gå att mäta lutningen på strömstyrkans förändring i tiden och genom detta kunna avläsa ändringar i induktansen. För att då kunna få med så mycket information som möjligt och samtidigt kunna filtrera bort så mycket brus som möjligt, valdes brytfrekvensen för filtret till ca 50 kHz. Den inbyggda filterfunktionen har filtervärden på R = 30 kΩ och C = 5,3 pF (se Figur 2.8). Från ekvation 3.2:

f = 1

2 π RC →C= 1

2 π Rf (3.2)

fås då att C = 106,1 pF - 5,3 pF = 100,8 pF. Detta medförde att två stycken kondensatorer på 100 pF kopplades parallellt med de inbyggda kondensatorerna i PGA202KP. Nedan i Figur 3.3 visas ett kopplingsschema över en förstärkningsdel i kretsen gjord i EAGLE.

3.4 LabVIEW-koden

För att kunna använda sig av den nu förstärkta mätsignalen, som tas in via CompactRIO:n,

användes det grafiska programmeringsverktyget LabVIEW. Här behövdes kod skrivas, både för den programmeringsbara FPGA:n, vilken kommunicerar i realtid med omgivningen, men också kod i PC:n för visualisering. Koden användes endast under utveckling i projektet och kommer att anpassas i framtida applikationer. Observera också att endast kod för strömmätning genom en elektromagnet skrevs. Funktionen av alla kretsar testades med samma kod.

3.4.1 FPGA-kod

I "Voltage FIFO Loop" skrevs kod för att i huvudsak kunna visa information om hur stor strömmen genom en elektromagnet är och för att kunna visualisera denna för användaren. En annan del skrevs också i denna loop, vilken kontinuerligt spar undan information om mätsignalen i ett FIFO-minne. På det sättet kan PC:n sedan användas för att se mätsignalen i realtid, liknande ett oscilloskop.

I "Current measurement Loop" skrevs kod för att från en redan tillgänglig PWM, skicka ut en PWM-signal genom NI 9401 för att styra transistorerna i en drivkrets. Kod skrevs också för manuell inställning av PWM:en. För att sedan kunna visualisera PWM-signalen skrevs kod på uppgift av handledaren, vilken använder sig av ett minne för att kunna köras i en parallell loop.

"PWM FIFO Loop" skrevs för att kunna ta hand om informationen om PWM-signalen från "Current measurement Loop", vilken kontinuerligt skrivs in i ett FIFO-minne. Denna information kan sedan visas i realtid liknande mätsignalen. Nedan visas Figur 3.4 över koden.

3.4.2 PC-kod

Här skrevs koden som kan visualisera informationen från FPGA:n. Koden består mestadels av kontroller och indikatorer, bland annat en "remsskrivare" och ett "oscilloskop". Kod skrevs också för att visualisera informationen från de båda FIFO-minnena. Nedan visas Figur 3.5 över koden.

3.5 Förstudie temperaturmätning

För att kunna genomföra konstruktion av elektronik och val av komponenter för både IR och den konduktiva mätningen, gjordes till att börja med en förstudie. Den största vikten lades på den beröringsfria mätningen då den verkade svårast att lösa. För den konduktiva mätningen valdes ganska tidigt metoden att använda termoelment. Dessa finns att köpa i liten storlek och är då enkla att få plats med i trånga utrymmen. På grund av sin nätta storlek är de också mycket snabba att reagera på temperaturförändringar. För IR delen uppfattades det ganska snart att det inte fanns några färdiga lösningar som skulle passa, utan där behövdes det en mer omfattande konstruktion.

3.6 Experiment med termostapel

Det finns många infraröda sensorer, men de flesta är ganska stora. Efter lite letande hittades några termostapelsensorer, som verkade mycket intressanta. I valet stod en modell med inbyggd

elektronik som kunde kommunicera på en SMBuss (system management buss), eller PWM. Men eftersom den tycktes vara i största laget och osäkerheten om hur dess inbyggda elektronik skulle påverkas av virvelströmmarna i maskinen, valdes en mindre variant ZTP-135SR utan elektronik för kommunikation, men innehåller en termistor för kompensering. I Figur 3.6 syns bild på ZTP-135SR.

Figur 3.6. Illustrerar ZTP-135SR.

För att undersöka prestandan hos ZTP-135SR kopplades den upp på ett ”kopplingsdäck” och med hjälp av multimeter kunde en mycket svag utsignal på några millivolt uppfattas, om till exempel en varm hand hölls framför linsöppningen. På grund av den mycket svaga signalen behöver den förstärkas rejält för att nå en tillfredsställande upplösning på signalen. Till Förstärkningen testades en instrumentförstärkare som fanns tillgänglig i labbet (PGA202KP). Med hjälp av spänningskällor från TRACOPOWER ordnades +-15 Volt och en 5 Volts lina fram. Förstärkningen sattes till 1000 gånger. Sensorns minus sida kopplades till jord för att sensorn inte skulle flyta fritt så, potentialen vandrar utanför förstärkarens arbetsområde. Då en multimeter användes såg signalen mycket fin ut och en hands värme gav cirka en volt. När den senare anslöts till ”CompactRIO” och LabVIEW var resultatet en aning brusig. För att få en stabilare utsignal prövades de filtersystem som finns i PGA202KP. Två ”identiska” kondensatorer på 10 nF anslöts parallellt med de kondensatorer som finns inne i PGA202KP. Med filtervärden på R=30K ohm och C=10 nF plus 5,4 pF, ger detta en med hjälp av ekvation 3.3

f = 1

2 π RC (3.3)

en brytfrekvens på cirka 530 Hz. Denna brytfrekvens visade sig fungera väl. För kompenseringen av kapselns temperatur kopplades den interna termistorn i ZTP-135SR upp på kopplingsdäcket som en spänningsdelare. En 100K ohm resistor valdes och anslöts till 15 volt och därefter termistorn i serie ner till jord. Spänningen mäts över termistorn och jord. Genom den uppmätta spänningen kan termistorns resistans räknas ut genom ekvation 3.4

R= Rref/Uref

1/Utermistor−1/Uref (3.4)

och med resistansen är uträknad kan temperaturen räknas ut genom ekvation 3.5.

T = β

ln( R/ R₀)+R/T₀ (3.5)

Dessa beräkningar implementerades i LabVIEW och noggrannheten undersöktes med hjälp av vatten vid 0 och 100 °C, med isblandning och kokning. Isblandning visas i Figur 3.7.

3.7 Experiment med termoelement.

Eftersom tanken var att använda termoelement till de punkter som inte kräver beröringsfria sensorer, var det en bra ide köpa in och testa några modeller, för att se hur de gick att använda i praktiken. Till att börja med fanns en typ av förstärkare, specialtillverkad för att användas

tillsammans med termoelement redan i labbet sedan tidigare. Modellen heter AD595AQ och efter att ha läst på om den, konstaterades att den innehåller en så kallad is-punkt. Det innebär i

praktiken att den håller reda på sin egna temperatur och kompenserar för den. AD595AQ är också kalibrerad för att ge en utsignal på 10 mV/°C när ett termoelement av typ K används. Då detta verkade mycket lovande inhandlades tre termoelement, alla med något olika utförande, fast med beteckningen K. K står för för att ledarnas legeringar består av nickel-krom och nickel-aluminium. AD595AQ kopplades upp på kopplingsdäck enligt den grundkoppling som finns illustrerad i databladet. I Figur 3.8 visas kopplingsschema. Eftersom det inte var av intresse att mäta temperaturer under 0°C eller över 300°C kopplas kretsen endast in till +5 Volt och jord.

Figur 3.8. Grundkoppling AD595AQ

När det första termoelementet var anslutet gick det inte riktigt som beräknat. Utsignalen som skulle mätas med hjälp av multimeter visade 0 Volt. Efter en del felsökande upptäcktes att

3.8 Konstruktion av kretskort för IR

Då förstärkare och spänningsdelare för upp till tio mätpunkter skall samlas i en låda, behövdes ett kretskort där alla komponenter kan monteras. Både lådan och kretskort fanns i redan i labbet från tidigare byggen. Kretskortet är av typen RE330 från ROTH ELEKTRONIK, somär en variant med fördragna ledningsbanor och plats för komponenter. Till att börja med löddes tio dil-14 socklar fast på kortet. När socklarna satt på plats planerades hur jord och de tre spänningarna på +-15 Volt och digital ”1” skulle fördelas ut på kortets ledningsbanor. Som spänningskälla används en

TRACOPOWER, som ger +-15 Volt vid en matningsspänning mellan 9-36 Volt. Förstärkarna har en 2 bitars digitalstyrning av förstärkningen, där spänningen som representerar ”1”, enligt databladet måste ligga 8 Volt under den positiva matningsspänningen. För att åstadkomma detta används en spänningsdelare där en 15K ohm resistor sitter i serie med en 10K ohms resistor. Spänningsdelaren kopplas till +15 Volt och ger då en spänning strax under 6 volt med alla digitala ingångar anslutna. För att jämna ut möjliga störningar från spänningskällan, löddes två kondensatorer på 10

mikrofarad på plats. För kopplingsschema över spänningskälla och en förstärkare se Figur 3.9.

3.9 Konstruktion av kretskort för termoelement

Förstärkarna för termoelmenten behöver också ett kretskort av samma typ som till IR sensorerna. Även här löddes tio socklar för DIL-14 på plats. På detta kort behövdes endast +5 Volt och jord, så här behövdes endast en enklare variant av spänningsreglering. Eftersom kretskortet skall drivas av samma spänningskälla som CompactRIO enheten där det är +24 Volt, införskaffades en

spänningsregulator som ger ut +5 Volt mellan 18 och 28 Volt. När vilka ledningsbanor som skulle användas var klart, löddes två parallellkopplade kondensatorer på 10 mikro Farad mellan +5 Volt och jord för att jämna ut möjliga störningar från spänningsregulatorn. Då dessa förstärkare drar mycket lite ström, upptäcktes det vid testandet att spänningsregulatorn inte alltid startade. Kretskortet utrustades med en lysdiod som fungerar både som last och som indikator på att spänning finns. I Figur 3.10 visas kopplingsschema över kretsen.

3.10 Kalibrering och linearitet

Då termoelementen används tillsammans med fabrikskalibrerade förstärkare, behöver endast dess funktion testas mot en känd temperatur. För ändamålet användes vatten, där termoelementet och en referenstermometer samtidigt gjorde mätningar. I Figur 3.11 syns skålen med vatten och

temperaturgivare.

Figur 3.11. Temperaturgivare tillsammans i vatten.

En av tankarna med metoden var att undersöka sambandet mellan utspänning och givarens egen temperatur. Till mätningarna används de kretskort som tidigare beskrivits och byggts. Dess utgångar är sedan anslutna till CompactRIOenheten. För att behandla inkommande data används LabVIEW, där beräkningar och visualisering sker. I Figur 3.12 syns beräkningarna för termistorn.

Figur 3.12. Kod för termistorns temperatur.

Själva mätningarna gick till så att först läses stenens temperatur av från termometern och där efter vilken spänning termostapeln ger och vad för temperatur termistorn indikerar. Innan stenen

svalnade gjordes några snabba tester där givarens temperatur varierade, för försöka visa att summan av spänningen från termostapeln och termistorns värde är någorlunda linjärt. medan stenen sakta men säkert svalnar antecknades resultaten ned med steg om fem grader.

Experimentuppställningen visas i Figur 3.13.

3.11 LabVIEW kod

För att under projektets gång kunna använda LabVIEW för att behandla signalen från

temperaturgivarna, behövdes enklare LabVIEW kod skrivas. Till att börja med skrevs koden för FPGA:n som sitter i CompactRio enheten. Sedan skrevs den kod som behövdes för PC delen av programmet. Denna del av projektet var inte speciellt tidskänslig och därför görs de flesta beräkningar i PC:n, så att så lite kod som möjligt behöver köras i FPGA:n och störa de mer tidkänsliga beräkningar, som till exempel finns för strömmätningen. I Figur 3.14 och 3.15 syns koden som skapades under experimenttiden för sensorerna. Den fungerar väl men kan komma att se något annorlunda ut när den implementeras i det större projektets program.

Figur 3.14. Koden för FPGA som tar emot signalerna från NI 9205

4. Resultat

4.1 Mätkretsar

Nedan visas Figur 4.1 över en färdig mätkrets med dioderna till vänster och resistorerna till höger, vilken är ekvivalent med design 1 i Figur 3.1. Ytterligare sju mätkretsar tillverkades.

Figur 4.1. En färdig mätkrets.

Signalkablar löddes fast i mätkretsarna. I Figur 4.2 nedan visas fyra mätkretsar. Ytterligare signalkablar löddes fast i de återstående fyra mätkretsarna.

4.2 Kontakter

Nedan visas Figur 4.3 över de färdiga avskärmade kablarna med IEC60130-9 kontakter. Dessa märktes med färgad eltejp för att kunna skilja på de kablar vilka ska användas till att driva transistorerna i drivkretsarna och vilka som innehåller kablar för strömmätning.

Figur 4.3. Kontakter fastkopplade på mät- och drivkretskablar.

Nedan visas Figur 4.4 över en IEC60130-9 hon-kontakt fäst i metallådan.

Figur 4.5 över den färdiga metallådan innehållande drivkretsarna, mätkretsarna och de

fastskruvade IEC60130-9 kontakterna visas nedan. Observera att metallådan och drivkretsarna redan fanns tillgänglig sedan tidigare projekt.

Figur 4.5. Ihopskruvad metallåda för drivkrets och mätkretsar.

4.3 Förstärkarkretsen

Nedan visas Figur 4.6 över den färdiga förstärkarkretsen för strömmätningen.

4.4 Differentiell mätning eller mätning mot en referens?

Eftersom insticksmodulen NI 9205 klarar av att ta in signaler både differentiellt och mot en

referens gjordes tester för de båda sätten. Först gjordes körningar i LabVIEW med mätning mot en referens och ett resultat för hur mätsignalen såg ut visas i Figur 4.7 nedan.

Figur 4.7. Körning av LabVIEW med referensmätning.

Till vänster i figuren visas fönstret för "remsskrivaren", vilken ger ett värde på hur stor strömmen genom en elektromagnet är. Till höger visas fönstret för "oscillatorn", vilken visar på hur

mätsignalen ser ut i realtid.

Körningar gjordes sedan med differentiell mätning och ett resultat visas i Figur 4.8 nedan.

Figur 4.8. Körning av LabVIEW med Differentiell mätning.

4.5 Körning med LabVIEW

Vidare körningar i LabVIEW visade på goda resultat och att strömmätningen fungerade som den skulle. Brus från omgivningen fanns fortfarande kvar till viss mån, vilket också var väntat. Nedan visas Figur 4.9 över en till körning med mer överskådlig syn över mätsignalen.

4.6 Strömkurvan

En del tester gjordes med att pausa LabVIEW vid det tillfälle då PWM-signalen, vilken styr transistorerna i en drivkrets, går från avstängd till på. Detta eftersom det då gick att se hur strömmen genom elektromagneten stiger och sedan begränsas av resistansen i den. Nedan visas

Figur 4.10 över ett sådant test.

Figur 4.10. Körning av LabVIEW med differentiell mätning. Pausat program för visning av strömmens stigningskurva.

4.7 Termostapel

De första resultaten av mätningen som antecknades var innan termostapeln hann bli uppvärmd av stenen. Dessa värden var av stort intresse då de redan där visade ett ganska linjärt förhållande mellan utspänning och temperatur. I Tabell 4.1 syns de första resultaten.

Temperatur sten Temperatur Termistor Utspänning Differens Grader/Volt

75 30 9 45 5

75 46 5,6 29 5,2

75 47 5,3 28 5,3

Tabell 4.1. Visar tre värden på termostapelns temperatur med stenen oförändrad

Efter att de tre första mätningarna var avklarade antecknades mätvärden med en upplösning på fem grader, avseende på stenens nedkylning. Resultaten i Tabell 4.2 visar på ett fortsatt ganska linjärt förhållande mellan utspänning och temperatur.

Temperatur sten Temperatur Termistor Utspänning Differens Grader/Volt

75 30 9 45 5 70 46 4,7 24 5,1 65 43,3 4,1 21,7 5,3 60 41,2 3,6 18,8 5,2 55 39,2 3 15,8 5,3 50 37 2,6 13 5 45 35,4 2 9,6 4,8 40 33,3 1,5 6,7 4,7

Tabell 4.2. Visar resultat från sammanlagt åtta mätningar

För att få en uppfattning av noggrannheten för termostapeln, beräknades en standardavvikelse fram över hur många grader 1 Volt ger. Formeln som användes är:

s=

√

∑

N

(Xi−XMedel)2 (4.1)

och resultatet gav en standardavvikelse på +-0,2 °C/Volt. Om man multiplicerar standardavvikelsen med två, betyder detta att felet med 95% säkerhet kommer ligga inom +-0,4 °C/Volt. Alltså kan en fungerande IR termometer appliceras genom addition av termistorn och utspänningen

I Figur 4.11 nedan visas en bild på det färdiga kretskortet för beröringsfri temperaturmätning.

Figur 4.11. Kretskort för termostapelsensorer.

4.8 Termoelement

Funktionstestet för termoelementen visar att dess utsignal är lite drygt 2 °C över referenstermometern. De testade temperaturerna är mellan cirka 80 °C och 0 °C .

I Figur 4.12 syns referenstermometern tillsammans med en multimeter som visar utsignalen från ett av termoelementen.

Det färdigbyggda kretskortet för termoelementen syns i Figur 4.13.

5. Diskussion

5.1 Slutsats

Genom de efterforskningar och experiment som genomförts, har lyckade metoder för ström- och temperaturmätning tagits fram.

Efter att ha undersökt ett antal strömmätningsmetoder, visade det sig att den resistiva metoden var den mest lämpade för det här projektet. Detta eftersom de andra metoderna inte uppfyllde kraven på snabbhet och precision. I resultaten visade det sig att denna metod också fungerade mycket bra och att det till och med skulle vara möjligt att mäta lutningen för strömändringen. Detta skulle dock vara komplicerat och kanske behöva utgöra ett eget projekt i sig. Att använda kontakter monterade i metallådan med driv- och mätkretsar visade sig vara ett smart drag, då den blev mycket behändig vid förflyttning och anslutning. De skärmade kablarna blev också jordade automatiskt i lådan, då skärmen löddes fast i kontaktdonet. De kretskort som konstruerades för både ström- och temperaturmätning ägnades mycket omsorg och tid till. Detta ledde till snygga och väl fungerande kort. Valet av termostapel för den beröringsfria temperaturmätningen har i efterhand visat sig vara ett bra val i de experiment som gjorts. Då de är hermetiskt tillslutna, är de tåliga för svåra arbetsmiljöer. De visade sig också vara ganska linjära i det temperaturområde som det är tänkt att använda dessa i. Att mäta temperatur med termoelement är kanske inte den mest exakta metoden, men deras storlek, snabb- och enkelhet väger upp. Vad som vid senare tillfälle har upptäckts är att deras förstärkarkretsar kan vara något känsliga för yttre störningar. En lösning är att placera dem i en avskärmande metallåda.

När det gäller LabVIEW och signalbehandlingen genom CompactRIO:n visade det sig att differentiell mätning av signaler är att föredra. Detta syns speciellt väl i de tester som gjordes genom strömmätningen. Vid temperaturmätningen kan det vara svårare att bevisa fördelarna på grund av den betydligt långsammare mätningen. Att den differentiella mätningen är bättre kan bland annat bero på mindre störningar från jord, då alla mätningar sker mot valfri referenspunkt. När diskussionen ändå är inne på störningar, kan det nämnas att transistorernas omslag skapar stora spänningsspikar. Vid mätningar av strömmen till elektromagneterna syntes spikar, vilka troligen beror på transistorerna.

Under projektets gång har hänsyn tagits till miljöpåverkan då det funnits en strävan efter att välja de billigaste lösningarna. Exempel på detta är att i strömmätningen välja en design där så lite komponenter som möjligt ingår. I temperaturmätningen valdes t.ex. de billigaste termoelementen.

5.2 Förslag till förbättringar

Att i LabVIEW skriva kod som filtrerar bort de strömspikar som uppstår vid transistorernas omslag, för att på så vis få en mer störningsfri mätning. Att jobba vidare med en metod, där det går att beräkna strömändringens lutning för att på så vis se skillnader i induktansen. Att med

6. Referenser

[1] Johan Abrahamsson. Kinetic Energy Storage and Magnetic Bearings for vehicular applikations. Uppsala University 2011

[2] Components and Methods for Current Measurement, Bryan Yarborough. 2012-01-06.

http://powerelectronics.com/power_conversion_system_design/circuit_analysis/components-methods-current-measurement-0112/ (hämtad 2012-06-12)

[3] AN39 Current measurement applications handbook by Peter Abiodun Bode, Snr. Applications Engineer (Issue 5 - January 2008 )

http://www.diodes.com/_files/products_appnote_pdfs/zetex/an39.pdf (hämtad 2012-06-12) [4] Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Technology Guwahati: Introduction to Magnetic Bearings (December, 2008)

http://www.iitg.ernet.in/engfac/rtiwari/resume/jsrao.pdf (hämtad 2012-06-14) [5] Föreläsningsmaterial (KTH)

http://www.laserphysics.kth.se/courses/elochvag/Repetition%20F16%20SK1111%202011.pdf

(hämtad 2012-08-21)

[6] Termoelement teori (Pentronic)

http://www.pentronic.se/Theory/Thermocouples/tabid/187/language/sv-SE/Default.aspx (hämtad 2012-06-14)

[7] How to choose and work with NTC thermistors (Cantherm)

http://www.cantherm.com/products/thermistors/cantherm_AboutNTC.pdf (hämtad 2012-08-17) [8] What Is a Thermopile? (wiseGEEK)

http://www.wisegeek.com/what-is-a-thermopile.htm (hämtad 2012-04-20) [9] IR-temperatur – fakta mätteknik (Nordtec instrument AB)

http://www.nordtec.se/sites/default/files/pdf__2.pdf (hämtad 2012-04-20)

[10] Burr-Brown Corporation: Digitaly Controlled Programable-Gain INSTRUMENTATION AMPLIFIER, datasheet PGA202/203.

http://se.farnell.com/texas-instruments/pga202kp/ic-instrument-amp-1mhz-120db-dip/dp/1247094 (hämtad 2012-06-18)

[11] National Instruments – What is LabVIEW?

http://www.ni.com/labview/whatis/ (hämtad 2012-06-18) [12] National Instruments – What is compactRIO?

http://www.ni.com/compactrio/whatis/

[13] National Instruments: NI 9205.

[14] National Instruments: NI 9401.