Układ pokazany na zdjęciu składa się z płytki ESP8266, czujnika temperatury DS18B20 w specjalnej, wodoszczelnej obudowie. Nóżki czujnika połączone są za pomocą 3 oporników połączonych szeregowo, co wynika bezpośrednio z potrzeby zwiększenia rezystancji przy braku prawidłowego opornika. Układ pomiarowy posłuży, po uprzednim przypomnieniu podstawowych wzorów fizycznych z termodynamiki, do wyznaczenia mocy grzałki w oparciu o bezpośrednie pomiary zmian temperatury w określonym czasie. Wykorzystany zostanie wykorzystany bilans energetyczny przy jednoczesnym zaniedbaniu strat poprzez promieniowanie.
1.płytka ESP8266
2.rezystor 3k Ohm (albo trzy 1k Ohm
3.3 przewody
4.przewód USB do komunikacji z urządzeniem
5.czujnik temperatury (DS18B20)
6.płytka stykowa
Płytka ESP8266 – płytka z wbudowanym modułem WIFI używana podczas zajęć, umożliwia komunikację z przeróżnymi czujnikami i obsługę programów, a także sterowanie np. zestawem silników.
Rezystor – element bierny obwodu elektrycznego, ogranicza prąd przepływający przez przewód, jest elementem liniowym.
Przewody – umożliwiają połączenie poszczególnych elementów w jeden współpracujący układ, umożliwiają przesyłanie informacji z czujnika temperatury na podstawie których będą prowadzone obliczenia.
Przewód USB – umożliwia podłączenie do urządzenia i ingerencję w kod programu, tym samym formowanie funkcjonalności układu.
Czujnik temperatury – element służący do pośredniego pomiary temperatury, w którym wraz ze zmianą temperatury zmienia się rezystancja i wpływa tym samym na sygnał zwrotny.
Płytka stykowa- płytka wykorzystywania do podłączanie elementów układu
Układ pomiarowy w prosty sposób umożliwi wyznaczenie mocy grzałki działającej w czajniku elektrycznym. Dane z układu w postaci zmian temperatury w określonym czasie próbkowania pośrednio dostarczą informacje o czasie osiągnięcia temperatury wrzenia wody. Odczytując początkowe dane uzyskamy temperaturę bezpośrednio przed rozpoczęciem procesu grzewczego. Mamy więc czas nagrzewania wody i całkowitą zmianę temperatury, Co dalej? Należy przypomnieć podstawowe wiadomości o bilansie energetycznym. Całkowita energia i ciepło wytworzone przez grzałkę zostało wykorzystane jedynie na podgrzanie wody, to będą dwie strony naszej równości energetycznej: P*t=cw*m*(Tk-Tp). Moc grzałki „P” wykorzystywana w odstępie czasu „t” (czas naszego pomiaru) jest równa pracy grzałki, a praca to ciepło. Druga strona to ilość ciepła jaką trzeba dostarczyć do określonej ilości wody „m” (zmierzona przed pomiarem np. szklanką) tak aby podgrzała się o określoną temperaturę. Cw jest natomiast ciepłem właściwym wody, jest powszechnie znane i charakterystyczne dla każdej substancji (znajdziemy wartość w Internecie). Masę m uzyskamy odmierzając ilość wody szklanką o określonej pojemności w ml. Przypomnijmy, że 1 litr wody (1000 ml) ma masę 1 kg. Poprzez proporcje uzyskujemy masę. Dane pomiarowe bezpośrednio kopiujemy do programu umożliwiającego kreślenie wykresów.
W przypadku badanym przeze mnie przeprowadziłem jeden pomiar całego przebiegu temperatury w czasie, jednak moc grzałki wyznaczymy uśredniając wyniki kilku obliczeń dla różnych wartości skrajnych temperatur (wykorzystamy fakt posiadania wykresu). Kolejne wartości przedstawiają wyniki szeregu pomiarów w czasie.
Tp=26.25 26.25 26.25 26.25 oC (zaczynamy zawsze od tej samej temperatury początkowej)
Tk=42 54.5 81.5 98.375 oC (poszczególne pomiary w różnych odstępach czasu)
T=13 36 75 104 s (czasy kolejnych pomiarów)
Cw= 4200 J/KgK
M=1l=1kg
Wynika z nich, że moc badanej przeze mnie grzałki wynosi: 5.09 3.3 3.09 2.9 kW w kolejnych pomiarach. Licząc średnią wartość mocy, wynosi ona: 3.595 kW. Jest to wartość przybliżona z racji na wiele założeń co do braku strat w układzie. Przeglądając Internet można natomiast znaleźć czajniki z podobnymi mocami grzałek co dowodzi braku błędów grubych przy metodyce i sposobie obliczania. Z analizy wyników płynie kolejna nauka - im mniejszy czas pomiarów tym większe błędy pomiarowe, dlatego tak ważne jest badanie jak najszerszego zakresu temperatur.
Czytelnikowi zaleca się także przeprowadzenie wielu pomiarów w pełnym zakresie temperatur - zapewni to najmniejszy wpływ błędów pomiarowych na wynik końcowy.
from machine import ADC
import machine, onewire, ds18x20, time
ds_pin = machine.Pin(4)
ds_sensor = ds18x20.DS18X20(onewire.OneWire(ds_pin))
roms = ds_sensor.scan()
print('Found DS devices: ', roms)
while True:
ds_sensor.convert_temp()
time.sleep_ms(750)
temperature = ds_sensor.read_temp(roms[0])
print(temperature)
time.sleep(1)
https://www.instructables.com/Temperature-Sensor-Tutorial/