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.