Lämpövuoanturin mittauselektroniikan suunnittelu ja toteutus

Abstract

Energian kulutuksen vähentäminen ja sen tutkiminen on kasvavan kiinnostuksen kohteena. Syntyneen lämmön mittaaminen on yksi tapa mitata energian siirtymistä. Lämpötilan mittaaminen on yleistä, vaikka usein on merkittävämpää selvittää missä ja miten lämpöenergia on siirtynyt. Tästä syystä tarvitaan lämpövuoantureita, jotka reagoivat suoraan lämpövuohon eli lämpöenergian siirtymiseen. Tässä tutkimuksessa suunnitellaan ja toteutetaan lämpövuoanturin mittauselektroniikka vaativaan käyttöympäristöön. Työssä käytettävän gradienttilämpövuoanturin tuottama jännitesignaali on mikrovolttiluokkaa ja ympäristön aiheuttama kohina voi olla huomattavasti suurempi. Tämän takia anturin tuottamaa signaalia on vahvistettava, jotta sitä voidaan mitata luotettavasti. Tutkimuksessa keskitytään vahvistimen suunnitteluun, mutta suunnittelussa on otettava huomioon koko järjestelmä. Anturin sähköiset ominaisuudet ja ympäristö asettavat rajoitteita vahvistimelle. Tavoitteena on selvittää miten voidaan mitata mikrovolttien jännitesignaalia mahdollisimman suurella taajuuskaistalla vaativassa käyttöympäristössä. Työn tuloksena syntyi mittalaite, jota voidaan käyttää vaativassa ympäristössä lämpövuon mittaamiseen. Suunnitteluparametrien mukainen vahvistus ja päästökaista sekä offset-jännitteen ryömintä saavutettiin suunnitellulla mittalaitteella, mutta offsetjännite ja kohina olivat hieman suunniteltua suuremmat. Mittalaitteella ja lämpövuoanturilla havaittiin selvästi lämpövuon muutoksia keinotekoisilla herätteillä.

The study of decreasing energy consumption is under growing scrutiny. Energy transfer can be measured by the generated heat. Measurement of temperature is common, although often it is more important to determine where and how the thermal energy has been transferred. Therefore heat flux sensors that directly sense heat flux, in other words thermal energy transfer, are needed. In this research measurement electronics of a heat flux sensor for harsh environment are designed and implemented. The gradient heat flux sensor generates microvolt scale voltage signal and noise caused by the environment can be significantly greater. In order to measure reliably, voltage signal from the sensor has to be amplified. The research focuses on the amplifier design but the whole system needs to be taken into consideration in the design. Electrical properties of the sensor and environment limit the operation of the amplifier. Goal of this thesis is to study how to measure microvolt scale voltage signal with as high bandwidth as possible in harsh environment. The outcome of this thesis, a measurement device for heat flux sensing in harsh environment was implemented. Gain, bandwidth and offset voltage drift were in accordance with the design but offset voltage and noise were slightly greater. With artificial impulses distinctive changes in heat flux were observed with the measurement device and the heat flux sensor.