1.0 Innledning Utstyr: Appendiks 3. LABHEFTE Bygg en fuktighetsmåler

Transkript

1 Appendiks 3 Brit Nes, 008 LABEFTE Bygg en fuktighetsmåler 1.0 nnledning Dere skal følge dette labheftet steg fr steg. Underveis kmmer det infrmasjn sm du bør vite m fr å få en bedre frståelse fr hvrdan instrumentet du bygger virker. Så les nøye! Underveis vil det kmme spørsmål, g det er meningen at du skal skrive svarene rett inn i heftet. Nen av svarene skal du lete pp på nternett. Dette labheftet fungerer gså sm en manual fr hvrdan du steg fr steg skal kble sammen alle kmpnentene sm til slutt skal utgjøre instrumentet (se bildet nedenfr). Figur 1: Ferdig ppkblet instrument Utstyr: 1 fuktighetssensr 5K5 1 NTC- termistr, R = 470 kω (5 C) 10 lysdider 1 mtstand, R =, k 1 mtstand, R = 3,9 k 1 Display Driver LM3914 Termmeter årføner Varmt vann sbiter Plastikkpse Ledninger Kblingsbrett Multimeter spenningskilder 80 1

2 1. va skal måles? Dere skal bygge et instrument sm måler luftfuktighet. Luftfuktighet er et mål på hvr mye vanndamp det er i luften g kan angis enten sm relativ luftfuktighet, abslutt luftfuktighet eller spesifikk luftfuktighet. Fuktighet spiller en viktig rlle i dannelse av nedbør, dugg g tåke. Og det kan ha mye å si fr hvrdan inneklimaet ppleves. nstrumentet dere skal bygge måler relativ fuktighet, sm gså er en viktig parameter innen værvarsling. Relativ fuktighet sier ne m hvr mye vanndamp det er i lufta. Når den relative luftfuktigheten er 100 % så har lufta tatt pp så mye vanndamp den kan, vi sier at lufta er mettet av vanndamp. J varmere lufta er, j mer vanndamp kan den ppta. Øker vi temperaturen i den mettede lufta kan den ppta mer vanndamp. Den relative fuktigheten vil derfr avta med økende temperatur. Det er derfr ikke tilstrekkelig å måle fuktigheten i lufta, vi må gså kjenne temperaturen fr å kunne beregne den relative fuktigheten. Sensrdelen av fuktighetsmåleren..1 nfrmasjnssøk i datablad. Når man planlegger å bygge et elektrisk instrument, sm det dere skal bygge nå, er vurdering av hvilke kmpnenter en skal bruke i instrumentet svært viktig. Det er mange faktrer å ta hensyn til: Kstnad, størrelse g vekt er åpenbare faktrer en må vurdere. Men det er gså andre egenskaper ved kmpnenten sm er med g karakteriserer den. denne første delen av ppgaven skal dere gå til ELFA`s hjemmeside ( g søke pp nen av de kmpnentene sm dere skal bruke K5 fuktighetssensr. 1. vr str nøyaktighet har sensren 5K5?. Over hvilket målemråde kan sensren benyttes? 3. Fr hvilke temperaturer vil sensren måle være tilstrekkelig nøyaktig? 4. vr str spenning kan en legge på sensren uten at den tar skade? 5. vilket fysisk prinsipp er det sensren virker etter? Dvs. hvilken fysisk parameter er det sm endres med luftfuktigheten? 81

3 6. Se i tabellen på side i databladet. Les ut den relative fuktigheten når du vet at temperaturen i mgivelsene er 5 grader celsius g du måler mtstanden til å være 600 k. 7. va kster det å kjøpe denne sensren i frhld til andre fuktighetssensrer hs Elfa? En termistr er en halvlederkmpnent sm er sterkt avhengig av temperaturen. dette instrumentet benyttes en NTC- termistr. en slik termistr avtar mtstanden når temperaturen øker. 8. Se i databladet til sensren 5K5 ( ), figur. Kan du tenke deg til hvrfr sensren er kblet sammen (i serie) med en termistr? (int: Sammenlign figurene sm er lagt ved sm vedlegg.).1. Termistr, type NTC (470 k ved 5 C ) Nå skal du søke pp termistren sm dere skal bruke i instrumentet. F.eks kan du skriv inn NTC 470k i søkefeltet på Elfa-siden. 9. databladet til termistren står det at respnstiden er 1, sekunder. va vil det si? 10. va er den ttale kstnaden dersm en ønsker å kjøpe 30 termistrer av denne typen? 8 3

4 . Oppkbling av sensrdelen av instrumentet, pluss nen målinger. Dersm du ikke er kjent med bruken av kretskrtet på figuren nedenfr, bør du ta en gjennmgang av det før du starter ppkblingen. 1. Kble pp sensren g termistren på kblingsbrettet sm vist på figuren i databladet. Dersm en nå i tillegg har en spenningskilde g et vltmeter/multimeter til rådighet, er dette det eneste utstyret en trenger fr å bestemme den relative fuktigheten i luften. databladet til 5K5 er det gitt en frmel ved siden av figuren g ved å regne på denne (g bruke tabellen på side i databladet) finner man fuktigheten. Studer frmelen. Dere er vant med lave indekser, da blir frmelen seende slik ut: V 0 RT R R T V (1) Frklaring av symblene: R : Dette er symblet fr mtstanden i sensren. R : Dette er mtstanden i termistren ved den bestemte temperaturen sm er i klassermmet. T V : Dette er spenningen vi legger på kretsen med sensr g termistr. Den setter vi til 5 Vlt. V : Dette er utspenningen av kretsen, g den måler vi ved hjelp av multimeteret (vltmeteret). Dersm man vet hva R i frmelen er, g leter pp denne verdien i tabellen på side i databladet, kan man lese ut den relative fuktigheten i prsent. ppgavene nedenfr skal vi finne verdiene til de andre størrelsene i frmelen, g deretter regne ut den relative fuktigheten i klassermmet. 83 4

5 . Vi finner V : Nå skal dere bruke spenningskilden g multimeteret g måle ut-spenningen ( V ) til kretsen. Benytt en innspenning ( V ) på 5,0 V (husk hva maks innspenning var). (Da trenger du en ledning mellm sensren g spenningsuttaket fr 5 vlt, sm vist på figuren nederst på side 4. Pass på at kretsen gså er kblet til jrd.) En elev gjør multimeteret klart til måling. Nå kan en av dere andre sette på spenningen slik at det går strøm i kretsen. Les av verdien ( V ) på multimeteret: 3. Vi finner R T : Mål temperaturen i klassermmet, T: Fr å finne R T må vi se i tabell s. 5 i databladet til termistren. Der er frhldet mellm gitt fr ulike temperaturer. Finn R når du allerede vet hva T g R 5 (470kΩ) er: T RT g R 5 er 4. Nå kan R (mtstanden i sensren) regnes ut ved hjelp av frmelen sm er gitt på side

6 5. Verdien du får fr R leter du pp i tabellen på side i databladet fr 5K5. va finner du ut m den relative fuktigheten i klassermmet? 6. Pust på sensren. Trr dere vltmeteret viser mer eller mindre nå? Mål V, g sjekk m hyptesen din stemte? 3 Displaydel - Alarmerende dider. Elektriske instrumenter sm pc-er, mbiltelefner etc. har en øvre grense fr hvr mye luftfuktighet de bør utsettes fr. En kan derfr tenke seg at det kunne være kjekt med et instrument sm viste når denne grensen er faretruende nær. Dere skal nå bygge et lignende instrument sm gir ss et bilde på hvr fuktig det er ved at flere g flere lysdider blir tent når sensren blir utsatt fr stadig fuktigere luft. Fr å få til dette trenger vi hjelp av en integrert krets ( Display driver LM3914), sm kan tenne flere g flere lysdider etter hvr str spenning sm settes på den. En integrert krets er en kmpnent sm innehlder mange bittesmå elektrniske kmpnenter. Disse prduseres av ulike firma fr å gjøre jbben fr ss sm skal bygge et elektrnisk instrument lettere. En av de viktigste kmpnentene sm er innebygd i LM3914 er transistren, sm dere skal lære m i Fysikk

7 databladet til denne chipen, LM3914, finner dere en figur (gitt nedenfr) sm dere kan kble pp etter. Men det er lettere å gjøre ppkblingen ved å følge punktene 1 til 9 i avsnitt 3.1 nedenfr: 3.1 Oppkbling av displaydelen Nå skal dere kble pp displaydelen ved å følge punkt 1 til 9 nedenfr. OBS: Vent med å sette på spenning til all ppkblingen er ferdig! (Og dere har kntrllert at alt er kblet riktig). 1. Plasser LM3914 et stykke fra sensrdelen. Pass på at det lille merket på denne ene siden vender mt venstre slik at nummeret på pinnene blir riktig. Se figuren nedenfr. 86 7

8 Frstørret bilde av LED displayeren LM3914:. Katden (avkuttet side) til de 10 lysdidene skal frbindes med pinnene 1, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 1, 11 g 10. Anden skal festes slik at lysdiden blir frsynt med en spenning på 9 Vlt. 3. Sett en ledning fra pin til jrd. 4. Sett inn en mtstand, k mellm pin 7 g pin Sett inn en mtstand 3,9 k mellm pin g pin Kbl sammen pin g pin 4 med en ledning. 7. Kbl sammen pin 6 g pin Kbl sammen pin 3 g pin 9 med en ledning. 9. Sett inn en ledning slik at pin 9 frsynes med en spenning på 9 Vlt. 10. Nå har du kblet pp display- delen av instrumentet. Før vi kbler display- delen til sensrdelen av instrumentet skal vi teste hvr mye spenning sm skal til før den første lysdiden lyser. Sett spenningen ( 5V-spenningskilden ) på 0V, g kble sammen LM3914 (pin 5) med spenningsuttaket fr denne. usk å kble til jrd. 87 8

9 Ved hvilken spenning begynner den første lysdiden å lyse? vr mye spenning må til fr at alle lysdidene skal lyse? 11. Les av den spenningen ( V ) sm skal til fr at lysdide nr. akkurat tennes, g lysdide nr. 3 akkurat tennes (V 3 ): V = V 3 = vr str frskjell i relativ fuktighet tilsvarer dette? 88 9

10 4. Sammenkbling av sensrdel g displaydel. 1. Så skal du se m instrumentet ditt virker! Kbl sammen de t instrumentdelene med en ledning mellm pin 5 på LM3914 g til knutepunktet mellm sensren g termistren. Still inn spenningen sm skal frsyne sensren med en spenning på 5 Vlt, g sett spenningen sm lysdidene skal frsynes med til 9 Vlt. Slå på spenningskildene. Lysdidene vil trlig ikke lyse uten videre. Se hva sm skjer når du puster på sensren! (Du må ganske nært inntil). Får du alle didene til å lyse? Frklar hva sm skjer:

11 . databladet til sensren står det at respnstiden er maks 60 sekunder. Det vil si hvr raskt sensren ppfatter fuktigheten i lufta til den stiller seg inn i frhld til denne fuktigheten. Observer hvr lang tid det tar før alle lysdidene er slukket igjen? 3. På vintertid i Nrge er det lav luftfuktighet. va trr du er grunnen til at den relative fuktigheten er enda lavere innendørs enn utendørs? (Dette er en årsak til at mange her til lands har prblemer med tørre slimhinner g astma.) 4. Litt leking med instrumentet. Relativ fuktighet er en funksjn av både temperatur g abslutt fuktighetsnivå. Derfr vil små temperaturfrandringer i lufta i testkammeret føre til frandringer i relativ fuktighet. Bruk det utstyret du har til rådighet fr å varme pp/kjøle ned sensrdelen. Prøv deg frem. vilke endringer bserverer du på vltmeteret/didene? Føner. Varmt vann i plastikkpse (fr å beskytte kmpnentene). Kaldt vann/isbiter i plastikkpse. Flytt måleppsettet utendørs (m mulig?)

12 Vedlegg 1 Brit Nes, 008 EKSTRA: Spenningsdeleren Spenningsdeleren er en enkel krets sm gir en utspenning sm utgjør en del av innspenningen. Det enkleste eksemplet av spenningsdeleren består av t mtstander i serie. De brukes vanligvis fr å gi en referansespenning, men kan gså brukes fr å sette ned spenningen avsnitt. ble du kjent med en slik krets sm best av en fuktighetssensr g en termistr. er vil utspenningen avhenge både av fuktigheten i luften (mtstaden i fuktighetssensren) g av temperaturen (mtstanden i termistren). Nå skal du gjøre nen få målinger på en krets hvr du benytter t faste mtstander, i stedet fr de variable mtstandene sm sensren 5K5 g termistren utgjør. Slik kan du se hvrdan utspenningen varierer når du skifter ut kun én av mtstandene med en annen verdi. Tegn et kblingsskjema med mtstandene R 1 g R i serie, innspenningen på kretsen, V, g utspenningen ver R, V : Kble pp mtstander i serie på et kblingsbrett. Mål spenningen ( V ) ver R i tilfellene 1, g 3 nedenfr, når V = 5 V. 1. R 1 = R = 1 k. R 1 = 1 k g R = R 1= 1 k g R =50 EKSTRA: Utleding av frmel (1) a) Tegn kblingsskjema fr ppsettet. b) Tegn inn inn- spenningen ( V ) g ut- spenningen ( V ) i kblingsskjemaet. c) Finn frmelen fr V sm funksjn av R T, R g V, g løs deretter ligningen med hensyn på R (se nedenfr fr frklaring av symblene). 91 1

13 Vedlegg Brit Nes, 008 Figur 1 Grafen gir en versikt ver hvrdan den relative fuktigheten varierer med spenningen vi måler ut av kretsen, når det er en fast mtstand (470kΩ) i serie med fuktighetssensren. De ulike grafene gjelder fr de temperaturene 15 C, 0 C, 5 C g 30 C. Figur Grafen gir en versikt ver hvrdan den relative fuktigheten varierer med spenningen vi måler ut av kretsen, når vi har termistren (variabel mtstand, 470kΩ ved 5 C) i serie med fuktighetssensren. De ulike grafene gjelder fr de temperaturene 15 C, 0 C, 5 C g 30 C. 9 13