W praktyce metrologicznej, w zależności od rodzaju pomiarów, czasem niezbędne jest monitorowanie temperatury otoczenia. Jeśli pomiary nie są wykonywane w warunkach laboratoryjnych, temperatura stanowi czynnik mogący skutkować niepewnością wyniku pomiaru. Jak jednak uzyskać przegląd zmian temperatury?
Istnieje kilka możliwych rozwiązań - od termometrów rozszerzalnościowych, poprzez niedrogie, ręczne multimetry z czujnikiem temperatury, bezkontaktowe mierniki temperatury, po drogie multimetry stacjonarne wyposażone w szereg różnych czujników temperatury.
Wybór instrumentu pomiarowego uzależniony jest oczywiście od zakresu mierzonych temperatur oraz od wymaganej dokładności pomiaru. Biorąc pod uwagę potrzebę przesyłania danych pomiarowych do komputera PC pomijamy termometry rozszerzalnościowe oraz multimetry ręczne.
Dokładność pomiarów wykonywanych przy pomocy wyposażonych w czujnik temperatury multimetrów ręcznych waha się od 0,8% do 2% + od 3 do 10 najmniej znaczących cyfr, przy dość popularnej rozdzielczości wynoszącej 1 °C. Lepszą rozdzielczość oferuje np. multimetr MS 8209 (0.1 °C), ale jego dokładność wynosi 2% + 1 °C. Koszt takiego urządzenia może wynieść nawet 100 EUR. Dokładność bezkontaktowych instrumentów pomiarowych jest mniejsza, ale zapewniają one szerszy zakres mierzonych temperatur. Urządzenia tego rodzaju dostępne są w cenach wynoszących do 200 EUR.
Multimetr stacjonarny, np. Rigol 3068 (6 ½ cyfry) umożliwia przesyłanie danych pomiarowych do komputera PC za pośrednictwem sieci LAN, łącza GPIB oraz RS232, z możliwością przechowywania danych w pamięci USB (do 5000 próbek). Błąd pomiarowy może wynosić od 0,08 °C do 0,6 °C, w zależności od zastosowanego czujnika. Jest to jednak droższe rozwiązanie, gdyż cena multimetru oraz czujnika temperatury może przekroczyć 1000 EUR.
Sensirion oferuje jednak interesujące rozwiązanie pozwalające mierzyć temperaturę i wilgotność, za bardzo dobrą cenę - SHT31 SMART GADGET.
Więcej informacji można znaleźć w artykule Przyspiesz swój rozwój dzięki czujnikowi wilgoci i temperatury SHT31.
SHT31 SMART GADGET
Urządzenie SHT31 Smart Gadget dostarczane jest w niewielkim, zielonym pudełku (kolor typowy dla Sensirion), w którym znajduje się instrukcja obsługi, uchwyty (które trzeba rozłamać) oraz samo urządzenie. Na tym etapie urządzenie nie jest jeszcze gotowe do pracy.
Pomiar rozpocznie się gdy usuniesz folię izolacyjną spod baterii CR 2032. Gdy pierwszy raz spojrzysz na wyświetlacz urządzenia, może zaskoczyć Cię fakt, że obydwa parametry (wilgotność i temperatura) wyświetlane są z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku.
Na tylnej powierzchni płytki drukowanej można jednak znaleźć m.in. następujące informacje: typowa dokładność: ± 2% RH (wilgotności względnej), ± 0,3 °C
Czujnik mierzy temperaturę w zakresie od -10 °C do 60 °C. W połączeniu z deklarowaną dokładnością pomiaru temperatury wynoszącą ± 0,3 °C wydawać się może, że setne stopnia to tylko trick marketingowy. Jak okaże się później, rzeczywistość wygląda inaczej. To, że jest to rzeczywiście wrażliwy czujnik udowadnia zmiana obu mierzonych parametrów wskutek zaledwie ruchu ręką.
Ponadto, ze strony przywołanej powyżej lub z instrukcji można dowiedzieć się, że SHT31 Smart Gadget może komunikować się z telefonem komórkowym za pośrednictwem łącza Bluetooth 4.0, korzystając z aplikacji Sensirion MyAmbience dostępnej na Google Play. Do działania aplikacja wymaga systemu Android 4.3 lub iOS 8, albo nowszego. Ponadto od chwili rozpoczęcia pomiaru dane są automatycznie zapisywane w pamięci urządzenia. Domyślny przedział czasowy zapisywanych danych to 10 minut.
Aplikacja Sensirion MyAmbience
W celu nawiązania połączenia z telefonem komórkowym za pośrednictwem łącza Bluetooth należy wcisnąć i przytrzymać biały przycisk znajdujący się po lewej stronie, u dołu urządzenia, do momentu wyświetlenia w dolnym wierszu ciągu znaków „⌐Fon” oraz 4 ostatnich znaków adresu MAC.
Po uruchomieniu aplikacji MyAmbience, na wyświetlaczu telefonu pojawi się ekran startowy z ikoną + Add new device (Dodaj nowe urządzenie). Po kliknięciu na tej ikonie urządzenie zostanie wykryte, zaś bieżące wartości pomiarów temperatury i wilgotności względnej zostaną wyświetlone po kliknięciu Connect (Połącz).
Na poniższej ilustracji widnieje ekran Dashboard (Pulpit nawigacyjny) wraz z wykrytymi urządzeniami.
Po pomiarze długotrwałym opcja Plot (Wykres) pozwala wyświetlić wartość temperatury (opcja T) oraz wilgotności (opcje H). Jednocześnie można przemieszczać się w przód lub w tył po wybranych przedziałach wynoszących 10 minut, 1 godzinę, 6 godzin, 1 dzień, 1 tydzień oraz 4 tygodnie.
Wykres przedstawiony na ekranie można wydrukować korzystając z funkcji PrintScreen (DrukujEkran).
Zmierzone wartości można również eksportować w formacie kompatybilnym z programem Microsoft Excel. Służy do tego funkcja Export (Eksportuj).
Po kliknięciu na ikonie ustawień (szara śrubka) pojawi się menu z następującymi opcjami:
- Gadget name (Nazwa gadżetu)– umożliwia zmianę nazwy urządzenia. Wstępnie ustawiliśmy nazwę: 0,
- Logging interval (Odstęp rejestracji danych) – oferuje możliwość wyboru odstępu czasowego w jakim rejestrowane są dane spośród 1s, 10s, 1 min., 5 min., 10 min., 1 godz., 3 godz.
- Battery Status (Stan baterii) – pokazuje stan naładowania baterii wyrażony w %,
- Firmware version (Wersja oprogramowania układowego) – pokazuje aktualną wersję oprogramowania układowego,
- Sync now (Synchronizacja) – pokazuje dzień i godzinę ostatniej synchronizacji telefonu komórkowego z urządzeniem,
- Export (Eksport) – umożliwia eksportowanie zmierzonych wartości,
- Connect (Połącz) – umożliwia połączenie urządzenia z SHT31 Smart Gadget,
- Auto-Connect (Łączenie automatyczne) – jeśli gadżet znajduje się w zasięgu BT, automatycznie łączy się za pośrednictwem BT z telefonem komórkowym,
- Delete (Usuń) – usuwa bieżące urządzenie z listy urządzeń.
Eksportowanie zmierzonych wartości
Zmierzone wartości temperatury i wilgotności względnej można wyeksportować w postaci dwóch plików tekstowych załączonych do wiadomości elektronicznej. Pliki posiadają rozszerzenie *.edf. Pięć pierwszych wierszy zajmuje nagłówek. Dane z pomiarów rozpoczynają się w szóstym wierszu, przy czym pierwsza kolumna to czas systemu UNIX (czas epoki), zaś zmierzone wartości znajdują się w drugiej kolumnie.
Przykładowe pierwsze dziesięć wierszy wyeksportowanego pliku zawierającego zmierzone wartości temperatury:
# Date=2019-02-0T21:28:51Z
# EdfVersion=4.1
# SensorId=CCBE33867EF0
# unit=s,Type=float / unit=degC,Type=float
Epoch_UTC / T_SHT
1546864598,354 / 22.97
1546864946,938 / 22.99
1546865284,134 / 23.01
1546865618,475 / 23.07
1546865957,944 / 23.07
Czas systemu UNIX to liczba sekund, jakie upłynęły od godz. 00:00:00 01/01/1970 wg uniwersalnego czasu koordynowanego (UTC). Do przekształcenia tej wartości na standardowy format data-godzina wykorzystać można formułę programu Excel przedstawioną poniżej.
(UNIX time/86400)+DATE (1970; 1; 1)
Wartość czasu systemu UNIX wynosząca 1546864598,354 po konwersji daje: 43472,525. Aby wyświetlić prawidłową datę i godzinę w programie Excel należy ustawić format komórki na d.m.rrrr g:mm:ss,000. W rezultacie otrzymamy: 7.1.2019 12:36:38,354.
Wizualizacja zmierzonych wartości
Po dokonaniu eksportu z gadżetu (w pamięci można przechowywać dane z maksymalnie 17 000 pomiarów), w programie Excel powstał wykres. Mierzone dane były zapisywane co 60 sekund. Pomiary trwały przez kilka dni. Na ilustracji przedstawiono wycinek pomiędzy godziną 22:45 a 1:15, gdy temperatura była stabilna. Niniejszy przykład zawiera 150 punktów. Z wykresu jasno wynika, że zmierzona temperatura wahała się od 22,38 °C do 22,43 °C. Ze względu na zadeklarowaną dokładność działania termometru wynoszącą ± 0,3 ° C, zmiana wartości zmierzonej temperatury jest niewielka.
Ale jak będą przedstawiać się pomiary dokonywane jednocześnie przez większą liczbę urządzeń? Czy zmierzone wartości będą różne? Każdy czujnik temperatury cechuje się pewnym odchyłkami parametrów, w związku z czym możemy zakładać występowanie różnic w zmierzonych wartościach temperatury. Jak będą się one przedstawiały?
Ponieważ miejsce przeprowadzenia prób nie jest wyposażone w komorę termiczną, w celu zapewnienia tej samej temperatury oraz wyeliminowania efektu „ruchu ręką” cztery testowane gadżety umieszczono w pudełku, które następnie zamknięto w szafie. Wyniki pomiaru temperatury przedstawiono na wykresie poniżej. Wynika z nich, że różnica pomiędzy tmaks i tmin wynosi nie więcej niż 0,24 ° C. Poszczególne urządzenia oznaczono symbolami od t0 do t3.
Które z tych wartości uznamy za odpowiednie w danym momencie? Najlepszym sposobem jest dokonywanie pomiaru przy użyciu większej liczby urządzeń, a następnie wyliczanie średniej wartości.
Na poniższym wykresie kolorem czerwonym zaznaczono uśrednioną temperaturę wynikającą z pomiarów wykonanych przy użyciu czterech gadżetów. W tym przypadku tmaks - tmin wynosi 0,036 ° C, więc można uznać, że w czasie wykonywania pomiarów pomiędzy 22:45 a 1:15, zmiana temperatury wyniosła jedynie 0,036 ° C. Jeśli wyliczymy temperaturę średnią oraz odchylenie standardowe, wyniosą one 22,366 °C oraz ± 0,006 ° C.
Poniższy wykres ilustruje fakt, że setne stopnia wyświetlane na ekranie gadżetu to nie tylko szum, którego nie trzeba uwzględniać. Pokazuje on napięcie ogniwa Westona (linia niebieska) oraz napięcie ogniwa Westona wyliczone na podstawie modelu matematycznego (linia czerwona) dla temperatury zmierzonej przy użyciu 4-punktowego gadżetu.
Przedział czasowy dla tych czterech pomiarów to 80 minut, napięcie mierzono 6½-cyfrowym multimetrem Rigol 3068, zaś zmiana temperatury wyniosła 0,19°C.
Praca z SHT31 SMART GADGET z włączoną łącznością BT.
Praca z aplikacją jest prosta i intuicyjna.
Gdy naciśniesz ikonę Setup (Konfiguracja), pojawi się całe menu. Najczęściej wykorzystywaną opcją jest, jak widać, Logging interval (Odstęp rejestracji danych). W zależności od tego jak często ma być mierzona temperatura, wybieramy spośród 1s, 10s, 1min., 5min., 10min., 1 godz. lub 3 godz.
Przy każdej zmianie odstępu rejestracji danych pomiarowych aplikacja wyświetla następujący komunikat: "Setting a new logging interval discards all data currently stored on the gadget" („Ustawienie nowego odstępu rejestracji danych spowoduje usunięcie wszystkich danych aktualnie przechowywanych w pamięci gadżetu”). Po potwierdzeniu kliknięciem na „Yes” („Tak”) dane będą nadal przechowywane w następnym wierszu.
W ten sposób można wyeksportować maksymalnie 17 000 zmierzonych wartości, a różnica odstępu widoczna będzie w okresowości dokonanych pomiarów. W przypadku wyboru opcji Delete (Usuń), dane zostają trwale usunięte. Czasami może się zdarzyć, że dane nie zostaną skasowane. W takim przypadku należy na jakiś czas wyjąć baterię z urządzenia.
W przypadku potrzeby wykonywania zsynchronizowanych pomiarów temperatury przez różną liczbę gadżetów w celu wyliczenia temperatury średniej, zalecamy wybrać odstęp rejestracji wynoszący 1 sekundę. Wówczas różnica pomiędzy zmierzonymi wartościami będzie wynosić nie więcej niż 0,5 sekundy. Można również ustawić synchroniczność pomiaru w taki sposób, by w momencie wyłączenia BT w gadżecie kończył się zapis w pamięci w odstępach 1 s, a rozpoczynał zapis wg wybranego odstępu.
Niemniej jednak synchronizacji pomiarów nie da się zawsze zagwarantować, gdyż w niektórych przypadkach urządzenie potrzebuje czasu na przejście do zapisu okresowego.
Uwaga: W przypadku ilustracji pokazujących zmiany w czasie temperatury zmierzonej przy użyciu urządzeń oznaczonych od t0 do t3, wartość średnią wyliczono na podstawie wartości zapisanych przez poszczególne gadżety sekwencyjnie, w przedziale 46s. Taki rozrzut czasowy nie może zostać uznany za synchroniczny pomiar temperatury, ale jest wystarczający jako przykład zmian wartości temperatury w czasie, uzyskanej z 4 gadżetów.
W okresie przeprowadzania testów gadżet oznaczony jako t0 był wykorzystywany przez 2 miesiące, zaś gadżety t1 - t3 przez jeden miesiąc. Po usunięciu folii zabezpieczającej spod baterii wszystkie urządzenia wskazywały Battery status (Stan baterii) 100%. Łącze BT zostało włączone tylko na potrzeby przesłania zmierzonych danych. Po pierwszym miesiącu pomiarów naładowanie baterii urządzenia t0 spadło do 87%, a po drugim miesiącu nadal wynosiło 87%. Stan baterii urządzeń t1, t2 i t3 wynosił po miesiącu pomiarów odpowiednio 87%, 90% i 92%.
W oparciu o te wartości można zakładać, że urządzenie może być wykorzystywane przez 12 miesięcy bez potrzeby wymiany baterii.
Wnioski
Ze względu na niewielkie rozmiary i niską cenę urządzenia SHT31 SMART GADGET w porównaniu do innych mierników temperatury, możliwość łączenia się z telefonami komórkowymi za pośrednictwem BT oraz dokładność wynoszącą ± 0,3 ° C (w zakresie temperatur od -10 ° C do 60 ° C), możemy uznać to urządzenie za doskonale nadające się do pomiarów temperatury. Pomimo iż w artykule nacisk położono na pomiary temperatury, sytuacja wygląda tak samo w przypadku pomiarów wilgotności względnej.
Ogromną zaletą jest komunikacja z telefonami komórkowymi, możliwość eksportowania danych z pomiarów oraz jednoczesnego wykonywania synchronicznych pomiarów przez większą liczbę urządzeń, co umożliwia precyzyjne wyliczenie faktycznej temperatury.
Oczywiście podczas pracy z urządzeniem niezbędne jest zachowanie pewnej ostrożności, ale oferowany przez Sensirion SHT31 SMART GADGET zasługuje na bardzo pozytywną ocenę.
Autor artykułu: doc. Ing. Milan Guzan, PhD. Katedra elektrotechniki teoretycznej i przemysłowej, FEI, Politechnika w Koszycach
Czy spodobały Ci się nasze artykuły? Nie przegap żadnego! Zajmiemy się wszystkim za Ciebie i chętnie sami Ci je dostarczymy.
