Mittausautomaation suunnittelu ja toteutus lämpövuoantureiden testaamiseen
Tulla, Henri (2021)
Kandidaatintyö
Tulla, Henri
2021
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202103308863
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202103308863
Tiivistelmä
Lämpövuoantureille on olemassa useita sovelluskohteita eri tieteen-, tekniikan ja teollisuuden aloilla. Yleisesti saatavilla olevien lämpövuoantureiden mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet kuitenkin rajoittavat niiden käyttöä monissa potentiaalisissa sovelluskohteissa, mikä aiheuttaa tarpeen uudentyyppisten antureiden kehittämiselle.
Tässä kandidaatintyössä suunnitellaan mittausautomaatiojärjestelmä LUT-Yliopistolla suunniteltujen uudentyyppisten lämpövuoantureiden testaamisen helpottamiseksi. Suunnittelun lisäksi toteutetaan järjestelmän datankeräysosio, ja varmennetaan sen toiminta käytännön mittauksin. Vaatimukset järjestelmälle määritetään kyseisille antureille aikaisemmin tehtyjen alustavien mittausten perusteella. Mittausautomaatiojärjestelmällä on tarkoitus kyetä mittaamaan yhteensä noin kymmentä lämpötila- ja jännitekanavaa, sekä samanaikaisesti ohjata mittausjärjestelyssä olevia muita laitteita.
Järjestelmä suunnitellaan hyödyntäen mahdollisimman paljon yliopistolta jo löytyviä mitta- ja muita laitteita, jotta ylimääräisiltä laitehankinnoilta vältytään. Mittalaitteita vertaillaan järjestelmän mittauskanaville asetettujen vaatimusten, sekä laitteista muodostuvan kokonaisuuden näkökulmasta ja valitaan järjestelmään parhaiten soveltuvat laitteet.
Mittalaitevertailun perusteella päädyttiin toteuttamaan järjestelmä National Instruments CompactDAQ-9189 -alustan ympärille, johon liitettiin valitut I/O-moduulit tarvittavien mittauskanavien saavuttamiseksi. Vertailutulosten perusteella havaittiin, että kaikkia alkuperäisiä vaatimuksia ei kyetä täyttämään käytettävissä olevilla mittalaitteilla, mutta vaatimuksista joustaminen todettiin tässä tapauksessa järkevämmäksi ratkaisuksi kuin uusien mittalaitteiden hankkiminen.
Työn tuloksena syntyi MATLAB:lla ohjattava modulaarinen DAQ-järjestelmä, jonka todettiin soveltuvan lämpövuo- ja lämpötila-antureiden signaaleiden mittaamiseen. Järjestelmän toimintaa testattiin näytteistämällä sekä signaaligeneraattorilla luotua jännitesignaalia, että lämpövuo- ja lämpötila-antureiden tuottamia signaaleja. Tehtyjen testien perusteella havaittiin järjestelmän toimivan, ja alkuperäisten vaatimusten täyttyvän muuten paitsi jänniteresoluution osalta. Modulaarisuudestaan johtuen järjestelmää on tulevaisuudessa mahdollista laajentaa helposti erilaisten mittausjärjestelyjen tarpeisiin ja lisätä toteutus mittausjärjestelyn laitteiden ohjaamiseen. There are several applications for heat flux sensors in different fields of science, technology, and industry. Commonly available heat flux sensors are however unsuitable for many applications because of their mechanical or electrical properties. That creates the need for development of new types of heat flux sensors.
In this bachelor’s Thesis, a measurement automation system for testing new types of heat flux sensors developed in LUT-University is designed. The data acquisition part of the system is also implemented and tested by practical measurements. Requirements for measurement automation system are defined based on previous tests conducted on the sensors. The system is required to have about ten temperature and voltage measurement channels in total and to be able to control other devices in the test setup.
The system will be designed using as much of the measurement equipment already available at LUT-University as possible. Available instruments are compared based on requirements defined for different measurement channels and the bestsuited instruments are chosen for the system.
Based on the comparison results National Instruments CompactDAQ-9189 chassis and compatible I/O modules are selected. The original requirement for voltage resolution could not be achieved with available instruments but decreasing the original requirement was found to be a better option instead of getting new equipment.
The result of this Thesis was a modular DAQ-system which is controlled by MATLAB. The system tested by measuring voltage signal generated with function generator as well as signals generated by temperature and heat flux sensors. Based on the conducted tests was found that the data acquisition system works, and the original requirements are met apart from the voltage resolution.
The system was found to be suitable for heat flux and temperature measurements. The designed system is modular, so it is possible to easily add new measurement channels later if needed. Also, implementing the control for other devices in the test setup is possible in the future based on the current system.
Tässä kandidaatintyössä suunnitellaan mittausautomaatiojärjestelmä LUT-Yliopistolla suunniteltujen uudentyyppisten lämpövuoantureiden testaamisen helpottamiseksi. Suunnittelun lisäksi toteutetaan järjestelmän datankeräysosio, ja varmennetaan sen toiminta käytännön mittauksin. Vaatimukset järjestelmälle määritetään kyseisille antureille aikaisemmin tehtyjen alustavien mittausten perusteella. Mittausautomaatiojärjestelmällä on tarkoitus kyetä mittaamaan yhteensä noin kymmentä lämpötila- ja jännitekanavaa, sekä samanaikaisesti ohjata mittausjärjestelyssä olevia muita laitteita.
Järjestelmä suunnitellaan hyödyntäen mahdollisimman paljon yliopistolta jo löytyviä mitta- ja muita laitteita, jotta ylimääräisiltä laitehankinnoilta vältytään. Mittalaitteita vertaillaan järjestelmän mittauskanaville asetettujen vaatimusten, sekä laitteista muodostuvan kokonaisuuden näkökulmasta ja valitaan järjestelmään parhaiten soveltuvat laitteet.
Mittalaitevertailun perusteella päädyttiin toteuttamaan järjestelmä National Instruments CompactDAQ-9189 -alustan ympärille, johon liitettiin valitut I/O-moduulit tarvittavien mittauskanavien saavuttamiseksi. Vertailutulosten perusteella havaittiin, että kaikkia alkuperäisiä vaatimuksia ei kyetä täyttämään käytettävissä olevilla mittalaitteilla, mutta vaatimuksista joustaminen todettiin tässä tapauksessa järkevämmäksi ratkaisuksi kuin uusien mittalaitteiden hankkiminen.
Työn tuloksena syntyi MATLAB:lla ohjattava modulaarinen DAQ-järjestelmä, jonka todettiin soveltuvan lämpövuo- ja lämpötila-antureiden signaaleiden mittaamiseen. Järjestelmän toimintaa testattiin näytteistämällä sekä signaaligeneraattorilla luotua jännitesignaalia, että lämpövuo- ja lämpötila-antureiden tuottamia signaaleja. Tehtyjen testien perusteella havaittiin järjestelmän toimivan, ja alkuperäisten vaatimusten täyttyvän muuten paitsi jänniteresoluution osalta. Modulaarisuudestaan johtuen järjestelmää on tulevaisuudessa mahdollista laajentaa helposti erilaisten mittausjärjestelyjen tarpeisiin ja lisätä toteutus mittausjärjestelyn laitteiden ohjaamiseen.
In this bachelor’s Thesis, a measurement automation system for testing new types of heat flux sensors developed in LUT-University is designed. The data acquisition part of the system is also implemented and tested by practical measurements. Requirements for measurement automation system are defined based on previous tests conducted on the sensors. The system is required to have about ten temperature and voltage measurement channels in total and to be able to control other devices in the test setup.
The system will be designed using as much of the measurement equipment already available at LUT-University as possible. Available instruments are compared based on requirements defined for different measurement channels and the bestsuited instruments are chosen for the system.
Based on the comparison results National Instruments CompactDAQ-9189 chassis and compatible I/O modules are selected. The original requirement for voltage resolution could not be achieved with available instruments but decreasing the original requirement was found to be a better option instead of getting new equipment.
The result of this Thesis was a modular DAQ-system which is controlled by MATLAB. The system tested by measuring voltage signal generated with function generator as well as signals generated by temperature and heat flux sensors. Based on the conducted tests was found that the data acquisition system works, and the original requirements are met apart from the voltage resolution.
The system was found to be suitable for heat flux and temperature measurements. The designed system is modular, so it is possible to easily add new measurement channels later if needed. Also, implementing the control for other devices in the test setup is possible in the future based on the current system.