WAT  WYDZIAA
ELEKTRONIKI
INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH
Przedmiot: WSPÓA
CZESNE SENSORY
Ćwiczenie nr 1
INSTRUKCJA WYKONAWCZA / SPRAWOZDANIE
Temat: Pomiary przepływu
/BADANIE PRZETWORNIKA ELEKTROMAGNETYCZNEGO/
Data wykonania ćwiczenia:
Grupa: ............................................................ ........................................................................
Data oddania sprawozdania:
1. .............................................................
.........................................................................
Ocena:
2. .............................................................
........................................................................
ProwadzÄ…cy:
3. ..............................................................
.........................................................................
4. ..............................................................
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.
1
Warunki bezpieczeństwa
·ð Wykonanie ćwiczenia powinna cechować szczególna ostrożność z uwagi na
jednoczesną obecność na stanowisku pomiarowym kanału i zbiornika z wodą oraz
układów ZNAJDUJ
CYCH SI
POD NAPI
CIEM
·ð Zabrania siÄ™ wkÅ‚adania rÄ…k w sposób bezpoÅ›redni lub za pomocÄ… przewodzÄ…cych
przedmiotów do wody w kanale lub zbiorniku
·ð Zabrania siÄ™ dokonywania samodzielnych zmian w ukÅ‚adzie lub jego wÅ‚Ä…czania bez
zgody i obecności prowadzącego
·ð Zabrania siÄ™ regulacji napiÄ™cia ustalajÄ…cego obroty pompy zasilajÄ…cej kanaÅ‚; czynność tÄ…
wykonuje wyłącznie prowadzący zajęcia
·ð Zabrania siÄ™ dotykania elektrod pomiarowych, cewki wzbudzajÄ…cej pole magnetyczne
oraz innych nieizolowanych elementów układu pomiarowego
·ð Zabrania siÄ™ dotykania pompy zasilajÄ…cej kanaÅ‚ w wodÄ™
·ð W przypadku pojawienia siÄ™ wody na podÅ‚odze nakazuje siÄ™ natychmiastowe odsuniÄ™cie
siÄ™ od stanowiska pomiarowego i powiadomienie prowadzÄ…cego
Przebieg ćwiczenia
Wykonanie ćwiczenia obejmuje 2 etapy. W etapie pierwszym Studenci zapoznają się z
własnościami wyróżnionych bloków przetwornika:
·ð ukÅ‚ad zasilania kanaÅ‚u i regulacji parametrów przepÅ‚ywu,
·ð ukÅ‚ad kondycjonowania sygnaÅ‚u elektrod,
·ð 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.
2
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 dm3/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) tp podany
w tabeli.
Tabela 1.1. Wyniki pomiarów przepływu
objętościowego dla ustalonego napięcia zasilania
pompy.
tp[s] 15
L.p. O [dm3] t [s] P [dm3/s]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
średnia P [dm3/s]
b) pod kierunkiem prowadzącego dokonać przymiarem liniowym pomiaru wysokości
napełnienia kanału hrzecz[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
hrzecz[cm]
oznacz.
P0 PI PH PG PF PD PA
pomiaru
3
2. Badanie układu kondycjonowania sygnału elektrod
Schemat modelu laboratoryjnego układu kondycjonowania przedstawiony jest na rys. 2.1.
Należy w nim wyróżnić:
·ð przedwzmacniacz pomiarowy A1 o pÅ‚ynnie regulowanym wzmocnieniu w
zakresie G1 = 5¸ð501 (na bazie AD8221),
·ð ukÅ‚ad integratora A2 (na bazie ½ OPA2132),
·ð dolnoprzepustowy filtr aktywny 4-go rzÄ™du A3 wedÅ‚ug aproksymacji Bessela,
również o pÅ‚ynnie regulowanym wzmocnieniu w zakresie G2 = 1¸ð400 (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 Ä…ð5V. Jakiekolwiek zmiany w ukÅ‚adzie mogÄ… być
wykonywane wyłącznie przy wyłączonym napięciu zasilającym Do dyspozycji
wykonujÄ…cych badania jest generator cyfrowy, oscyloskop oraz zasilacz.
A2
A
+ B
E F
+
WE
Fdp
-
WY
M
-
l
-
l
C D
M
l
+
M
A3
A1
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:
·ð czÄ™stotliwość f = 100Hz
·ð napiÄ™cie miÄ™dzyszczytowe U = 1Vpp
·ð skÅ‚adowa staÅ‚a (ang. offset) zmieniana zgodnie z wartoÅ›ciami
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.
4
Tabela 2.1. Pomiary tłumienia różnicowej składowej stałej dla dwu konfiguracji
układu kondycjonowania.
Output offset [mVDC] Output offset [mVDC]
L.p. Input offset [mVDC]
tylko A1 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 1Vpp 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 .
Tabela 2.2. Wyniki pomiarów charakterystyki
Tabela 2.3. Wyniki pomiarów
amplitudowej układu A1 z układem A2 w
charakterystyki amplitudowej układu A3.
pętli sprzężenia zwrotnego.
Uwe = const Uwe = const
L.p. f [Hz] Uwy [Vpp] L.p. f [Hz] Uwy [Vpp]
1 100 1 20
2 20 2 100
3 15 3 500
4 10 4 1000
5 5 5 1500
6 3 6 2000
7 1 7 2100
8 0.9 8 2200
9 0.8 9 2300
10 0.7 10 2400
11 0.6 11 2500
12 0.5 12 2600
13 0.4 13 2700
14 0.3 14 2800
15 0.2 15 2900
16 0.1 16 3000
5
e) Dokonać pomiaru modułu transmitancji napięciowej układu A3 przy wzmocnieniu
zapewniającym uzyskanie na wyjściu napięcia o wartości 1Vpp 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:
. . . . . . . . . . . .
6
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:
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
7
ETAP 2
BazujÄ…c 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 sÄ… kolejne wyniki pomiaru
parametru proporcjonalnego do prędkości UV(i), a w kolumnie drugiej wyniki pomiaru
parametru proporcjonalnego do wysokości napełnienia kanału UH(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:
P ×ð1000cm3 / s
Vrzecz [cm / s] =ð ,
12cm ×ð hrzecz [cm]
gdzie: P jest wartością liczbową przepływu wyrażonego w [dm3/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.
8
Tabela S.1. Wyniki pomiarów charakterystyki przetwarzania przepływomierza dla
parametru: prędkość przepływu.
oznacz.
pomiaru
Vrzecz[cm/s]
U [V]
V
std(UV) [V]
1. Dla każdego z plików danych pomiarowych wytworzonych przez przetwornik i
zarejestrowanych w etapie 2 ćwiczenia wyznaczyć średnią arytmetyczną z wektora
napięcia UV oraz odchylenie standardowe std(UV) (dane do obliczeń zawiera pierwsza
kolumna w każdym z plików). Wskazane 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 zawierajÄ…cego dane pomiarowe.
2. Na podstawie danych w tabeli S.1 sporządzić wykres zależności UV od Vrzecz z
naniesionymi odchyleniami standardowymi i dokonać jego aproksymacji za pomocą
linii prostej.
9