Rigg for temperaturregulering av vannkoker

TechTeach disponerer 4 stk vannkokerigger for temperaturregulering.

Oversikt

Figur 1 viser vannkokerrrigen.

 

Figur 1: Vannkokerrrigen

Beskrivelse av riggen

Figur 2 viser vannkokeren.

Figur 2: Vannkoker

Figur 3 viser elektronikkboksen.

 

Figur 3: Elektronikkboks

Beskrivelse av vannkokerriggen:

·       Vannkokeren (Bodum) har et varmeelement som leverer 700 W når det er tilkoplet nettspenningen (220 VAC).

·       Temperaturen i vannkokeren måles med et Pt1000-element, som er en temperatursensor av typen RTD (resistance temperature detector).

·       Temperaturtransmitteren genererer 4-20 mA målesignal tilsvarende 0-100 grader C, lineært.

·       Strømmålesignalet går gjennom en motstand på 250 Ohm. Spenningsfallet over motstanden brukes som spenningsmålesignal, som blir i området 1-5 V.

·       En SSR-komponent styrer effekten levert av varmeelement til vannet i vannkokeren. SSR-komponenten styres med et spenningssignal i området 0-5 V, som gir proporsjonal effekt i området 0-700 W. (For detaljer om sammenhengen mellom styresignalet og effekt, se hjemmesiden for SSR-komponenten nedenfor.)

Teknisk dokumentasjon

·       Koplingsskjema v/El-tavle Grenland.

·       SSR-komponenten (RGC1P48V30ED, Carlo Gavazzi)

·       RTD-sensorer

·       Temperaturtransmitteren (LLK V2, Produal)

·       IO-komponenten USB-6001

PC

Til hver rigg er det en bærbar PC (Acer Inspire) med følgende programvare:

·       LabVIEW Runtime Engine inkl. NI-DAQmx-drivere

·       Python (Anaconda-distribusjonen)

·       OpenOffice

·       Nettleseren Microsoft Edge

LabVIEW-app

Det er laget en LabVIEW-app (ikke fritt tilgjengelig) for hastighetsregulering av motoren med IO-komponenten nevnt ovenfor. Appen forutsetter at LabVIEW Runtime Engine Q3 2022 og NI DAQ Runtime Engine er installert (disse er fritt tilgjengelige fra ni.com). Appen brukes i undervisning.

Tema

Med ovennevnte utstyr og programvare kan riggen dekke følgende tema:

·       Instrumentering av reguleringssystem for temperaturregulering

·       Målesignalomregning fra volt til grader C

·       Målesignalfiltrering med tidskonstantfilter og middelverdifilter

·       Manuell regulering

·       Automatisk regulering med av/på- regulator

·       Automatisk regulering med PID-regulator (P, PI, PID)

·       Regulatorinnstilling (Ziegler-Nichols, Åstrøm-Hägglund (rele-metoden), Good Gain, Skogestad)

·       Lagring av dataserier på fil og videre behandling i regneark eller Python

·       Simulering (ovennevnte app inneholder en simulator som kjører i parallell med den virkelige motoren). Simulatoren er basert på energibalanse:
T’(t) = [P(t-tdelay) + G*(Troom(t) – T(t))]/C
der T er vanntemperaturen, T’ er temperaturens tidsderiverte (endring av T per tidsenhet), P er tilført effekt fra varmeelementet, G er termisk konduktivitet (varmeovergangstall) for plastveggen mellom vann og romluft, C er total varmekapasitet for vannet. tdelay er en tidsforsinkelse som representerer bl.a. termisk «treghet» eller «dynamikk» i varmeelementet og en transporttid fra varmeelementet til temperatursensoren. Tilført effekt antas proporsjonalt med pådragssignalet (pådragsspenningen):
P(t) = Ku*u(t)
der Ku er en effektforsterkning (fra V til W).

·       Modelltilpassing (optimal estimering av modellparametre fra eksperimentelle tidsserier). Til kan en bruke et ferdigutviklet Python-program som tilpasser modellen ved å finne de verdiene av modellparametrene (f.eks. C og G) som gir beste overensstemmelse mellom eksperimentell og simulert tidsserie. Med «beste» menes minste sum av kvadratisk avvik (prediksjonsfeil) mellom de to tidsseriene.

22.2 2023. Finn Aakre Haugen (finn@techteach.no).