V metrologickej praxi, v závislosti od typu merania, je potrebné niekedy monitorovať okolitú teplotu. Ak merania neprebiehajú v laboratórnych podmienkach, teplota je tým vplyvom, ktorý môže prispieť k neistote výsledku merania. Ako však získať prehľad o zmenách teploty?
Možností je niekoľko - od dilatačných teplomerov cez lacné ručné multimetre s pripojeným snímačom teploty, bezkontaktné meradlá teploty, až po drahé stolové multimetre s možnosťou výberu niekoľkých typov snímačov teploty.
Samozrejme, výber meracieho prístroja je daný rozsahom meraných teplôt a požiadavkami na presnosť merania. Ak berieme do úvahy aj potrebu prenosu nameraných údajov do PC, potom dilatačné teplomery a ručné multimetre vypadávajú.
Presnosť meraní ručnými multimetrami so snímačom teploty sa pohybuje od 0,8 % do 2 % + 3 až 10 najmenej významných číslic (least significant digits) s pomerne častým rozlíšením 1 °C. Lepšie rozlíšenie ponúka napr. multimeter MS 8209 (0,1 °C), avšak s presnosťou 2 % + 1 °C. Cena takéhoto meracieho prístroja sa môže pohybovať do 100 €. Presnosť bezkontaktných meradiel je nižšia, no poskytujú väčší rozsah meraných teplôt. Takéto riešenie je dostupné za cenu do 200 €.
Stolový multimeter, napr. Rigol 3068 (6 ½ miestny) umožňuje prenos nameraných dát do PC cez LAN, GPIB a RS232 s možnosťou ukladania údajov na USB (až 5000 vzoriek). Chyba merania sa pohybuje v rozmedzí od 0,08 °C do 0,6 °C v závislosti od použitého snímača. Ide však o drahšie riešenie, pretože cena meracieho prístroja so snímačom teploty môže presiahnuť hranicu 1000 €.
Sensirion však ponúka zaujímavé riešenie merania teploty a vlhkosti, a to vo veľmi priaznivej cene (23 €) - SHT31 SMART GADGET.
Viac informácií sa dozviete aj na našej stránke v článku: Urýchlite Váš vývoj so senzorom vlhkosti a teploty SHT31.
SHT31 SMART GADGET
Zariadenie SHT31 sa dodáva v malej zelenej krabičke (typická farba pre firmu Sensirion), ktorá obsahuje stručný papierový manuál, držiaky (je nutné rozlomiť) a samotné zariadenie. Zariadenie v tejto fáze ešte nie je pripravené na použitie.
Keď vytiahnete izolačnú fóliu pod batériou CR 2032, začína sa meranie. To, čo vás prekvapí pri prvom pohľade na displeji zariadenia je fakt, že sa údaje (vlhkosť a teplota) zobrazujú na dve desatinné miesta. Na zadnej strane plošného spoja je však okrem iných informácií, uvedené: Typ. accuracy: ±2%RH, ±0,3 °C.
Senzor meria teplotu v rozsahu -10 °C do 60 °C. Vzhľadom na udávanú presnosť merania teploty ±0,3 °C by sa mohlo zdať, že stotiny sú len marketingovým trikom. Ako sa však ukáže neskôr, skutočnosť je iná. To, že ide o naozaj citlivý senzor, dokazuje zmena oboch meraných veličín pri ľahkom mávnutí rukou. Navyše, z vyššie uvedenej stránky, resp. z manuálu je možné zistiť, že SHT31 Smart Gadget je schopný komunikácie s mobilným telefónom cez Bluetooth 4.0 pomocou aplikácie „Sensirion MyAmbience“ dostupnej na Google Play. Aplikácia vyžaduje OS Android 4.3, iOS 8 alebo novší. Navyše, od začiatku merania sa automaticky začnú ukladať namerané údaje do pamäte zariadenia. Prednastavený interval ukladania údajov je 10 min.
Aplikácia Sensirion MyAmbience
Pre komunikáciu s mobilným telefónom cez Bluetooth je potrebné podržať biele tlačidlo vľavo dole stlačené, kým sa na displeji neobjaví ⌐Fon a v spodnom riadku na displeji posledné 4 znaky MAC adresy.
Po spustení aplikácie MyAmbience sa na displeji mobilného telefónu zobrazí úvodná obrazovka s ikonkou: + Add new device. Po kliknutí na ňu je zariadenie detegované a po stlačení Connect sa zobrazia aktuálne namerané hodnoty teploty a relatívnej vlhkosti.
Na obrázku nižšie je zobrazená obrazovka Dashboard s detegovanými zariadeniami.
Po dlhšom meraní je možné po voľbe Plot zobraziť časový priebeh teploty (voľba T) a vlhkosti (voľby H). Zároveň je možné posúvať sa dopredu alebo dozadu po zvolených intervaloch 10 min., 1 hod., 6 hod., 1 deň, 1 týždeň a 4 týždne.
Graf zobrazený na displeji je možné vytlačiť prostredníctvom funkcie PrintScreen. Vytvorením série kópií obrazovky si vieme napr. v Skicári vytvoriť názornejší prehľad nameranej teploty.
Používateľ však nie je odkázaný na takúto grafickú alchýmiu. Komunikácia cez BT ponúka oveľa komfortnejšie možnosti získania nameraných údajov. Namerané hodnoty je tiež možné exportovať vo formáte kompatibilnom s Microsoft Excel pomocou funkcie Export.
Keď na obrazovke Dashboard, zvolíme ikonku pre nastavenie (sivé ozubené koliesko), zobrazí sa ponuka, kde:
- Gadget name – umožňuje zmenu mena zariadenia. My sme si už predtým zvolili označenie: 0,
- Logging interval – ponúka možnosť voľby meracieho intervalu 1s, 10s, 1 min., 5 min., 10 min., 1 hod., 3 hod.
- Battery Status – zobrazuje stav batérie v %,
- Firmware version – oznamuje aktuálnu verziu firmvéru,
- Sync now – udáva dátum a čas poslednej synchronizácie mobilu so zariadením,
- Export – umožní exportovanie nameraných údajov,
- Connect – umožňuje pripojiť zariadenie k SHT31 Smart Gadget,
- Auto-Connect – ak je gadget v dosahu BT, automaticky ho pripojí cez BT k mobilnému telefónu,
- Delete – odstráni zo zoznamu zariadení aktuálne zariadenie.
Export nameraných údajov
Namerané údaje teploty a relatívnej vlhkosti je možné exportovať ako dva textové súbory v prílohe emailu. Súbory majú príponu *.edf. Hlavička zaberá prvých päť riadkov. Namerané údaje začínajú šiestym riadkom s unixovým časom (Epoch time) v prvom a nameraná hodnota v druhom stĺpci.
Ukážka prvých desiatich riadkov exportovaného súboru s nameranou teplotou:
# 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
Unix-ový čas/86400)+DATE(1970;1;1) Unix-ový čas je udávaný ako počet sekúnd, ktoré uplynuli od 00:00:00 1.1.1970 UTC. Na konverziu je možné použiť vzorec:
Pre unix-ový čas 1546864598,354 je výsledok: 43472,525. Pre správne zobrazenie v Exceli je potrebné nastaviť formát d.m.yyyy h:mm:ss,000. Výsledok potom bude: 7.1.2019 12:36:38,354.
Vizualizácia nameraných údajov
Po exporte z SHT31 (do pamäte je možné ukladať až 17 000 meraní) bol v Exceli vytvorený graf. Každých 60s bol zaznamenaný nameraný údaj. Meranie prebiehalo niekoľko dní.
Na obrázku je úsek od 22:45 do 1:15 hod., keď bola teplota stabilná. Táto vzorka obsahuje 150 bodov. Z grafu je zrejmý rozptyl meranej teploty od 22,38 °C do 22, 43 °C. Vzhľadom na udávanú presnosť teplomera ±0,3 °C je rozptyl meranej teploty malý.
Ako však budú merať viaceré zariadenia súčasne? Budú sa namerané hodnoty líšiť? Vzhľadom na to, že každý snímač teploty má rozptyl svojich parametrov, môžeme predpokladať isté rozdiely v meraných teplotách. Aký bude rozdiel nameraných teplôt?
Pretože testovacie pracovisko nedisponuje tepelnou komorou, na zabezpečenie rovnakej teploty a na zamedzenie vplyvu „mávnutia rukou“ boli štyri testované gadgety umiestnené v jednej krabici, ktorá bola umiestnená v skrini. Výsledok meraných teplôt je v nasledujúcom grafe. Z neho je zrejmé, že rozdiel medzi tmax a tmin je až 0,24 °C. Jednotlivé zariadenia boli pomenované ako t0 až t3.
Ktorú z týchto hodnôt v konkrétnom okamihu budeme považovať za relevantnú? Najlepší spôsob je merať s väčším počtom zariadení a potom vypočítať priemernú hodnotu.
Nasledujúci graf zobrazuje priemernú hodnotu teploty zo 4 gadgetov červenou farbou. Tentoraz je tmax - tmin rovný 0,036 °C, takže môžeme konštatovať, že počas merania v čase od 22:45 do 1:15 hod., bola zmena teploty iba o 0,036 °C. Ak by sme vypočítali priemernú hodnotu teploty a smerodajnú odchýlku, boli by to hodnoty 22,366 °C a ±0,006 °C.
O tom, že stotiny stupňa, ktoré zobrazuje gadget SHT31, nie sú len šumom, ktorý nemusíme uvažovať, svedčí nasledovný graf.
Na ňom je zobrazený priebeh napätia Westonovho článku (modrou) a napätie Westonovho článku vypočítané z jeho matematického modelu (červenou) pre teplotu meranú SHT31 v 4 bodoch. Časový interval týchto štyroch meraní je 80 min., napätie bolo merané 6 ½ miestnym multimetrom Rigol 3068 a zmena teploty bola 0,19 °C.
Práca s SHT31 pri zapnutom BT
Práca s aplikáciou je jednoduchá a intuitívna.
Po stlačení ikonky Nastavenie sa zobrazí celá ponuka. Zrejme najčastejšie bude využívaná možnosť Logging interval. V závislosti od toho, ako často potrebujeme mať informáciu o teplote, si zvolíme jednu z možností od 1s, 10s, 1 min., 5 min., 10 min., 1 hod. alebo 3 hod.
S každou zmenou ukladacieho intervalu nameranej hodnoty, aplikácia oznámi, že: „Setting a new logging interval discards all data currently stored on the gadget“. Po potvrdení „Yes“ sa však údaje aj naďalej ukladajú do nasledujúceho riadku.
Takto sa podarilo exportovať až 17 000 nameraných hodnôt, pričom z rozdielu časov bolo vidieť periodicitu ukladaných meraní. Pri voľbe Delete dochádza k definitívnemu vymazaniu údajov. Občas sa stáva, že údaje nie sú zmazané, v tomto prípade vyberte na chvíľu batériu.
Kým je zariadenie pripojené cez BT k aplikácii, vtedy bez ohľadu na zvolený Logging interval zariadenie zapisuje namerané údaje približne každú sekundu. V exportovanom súbore je možné nájsť takéto časy v sekundách: 1.003, 2.000, 0.010, 0.979, 2.003, 0.011, 0.977. Avšak po voľbe ľubovoľného konkrétneho intervalu a vypnutí BT na SHT31 si môžeme byť vo väčšine prípadov istí dodržaním intervalu.
Niekedy počas meraní pri rôznych nastavených intervaloch sa však môže stať, že interval predsa nie je dodržaný. Napr. pri zvolenom 60s intervale sa neočakávane objavil aj interval 300s a 540s. Pri zvolenom 300s sa občas vyskytli intervaly 420s, 540s, 1020s a pri zvolenom intervale 600s sa občas vyskytli 1020s intervaly.
Ukážku výpadku pravidelného intervalu zaznamenávaných údajov pri nastavenom intervale 300s (5 min.) ilustruje nasledovný graf. Meranie prebiehalo kontinuálne 8 dní.
Ak by ste mali požiadavku synchrónneho merania teploty rôznym počtom gadgetov kvôli výpočtu priemernej hodnoty teploty, odporúčame výber 1s intervalu. Vtedy bude rozdiel medzi meranými hodnotami max. 0,75s. Synchrónnosť merania môžete nastaviť aj tak, že v momente vypnutia BT na gadgete sa končí 1s zápis do pamäte a začína sa zápis podľa zvoleného intervalu. Synchrónnosť merania však nie je vždy zaručená, pretože niekedy zariadenie potrebuje istý čas, kým nabehne na periodický záznam.
Poznámka: Na obrázkoch, kde bol znázornený priebeh teploty v čase pomocou zariadení označených ako t0 až t3, bol priemer počítaný z hodnôt zaznamenaných v jednotlivých gadgetoch postupne v rozpätí 46s. Takýto časový rozptyl nie je možné pokladať za synchrónne meranie teploty, avšak ako ukážka priebehu teploty v čase zo 4 ks gadgetov je postačujúca.
V čase testovania bol gadget SHT31 označený ako t0 používaný 2 mesiace a zvyšné t1 – t3 jeden mesiac. Po odobratí ochrannej fólie pod batériou všetky zariadenia ukazovali Battery Status 100 %. BT bolo zapínané iba pre prenos nameraných údajov. Po prvom mesiaci merania klesla kapacita batérie t0 na 87 % a po druhom mesiaci je stav batérie stále 87 %. Battery Status pre t1, t2 resp. t3 po mesiaci merania je: 87 %, 90 %, resp. 92 %. Na základe uvedených hodnôt sa môžeme domnievať, že zariadenie by bolo možné používať minimálne 12 mesiacov bez nutnosti výmeny batérie.
Zhrnutie
SHT31 SMART GADGET vzhľadom na malé rozmery a nízku cenu v porovnaní s ostatnými meradlami teploty, schopnosť komunikácie s mobilom prostredníctvom BT a presnosť merania teploty ±0,3 °C (v rozsahu teplôt od -10 °C do 60 °C), môžeme právom považovať za veľký prínos v oblasti merania teplôt. Aj keď v článku sme dali dôraz na meranie teploty, tá istá analógia platí aj pre meranie relatívnej vlhkosti.
Obrovskou výhodou je komunikácia s mobilom, export nameraných údajov a v podstate aj synchrónne meranie viacerými zariadeniami súčasne, čo dáva dobrý predpoklad spresneného výpočtu meranej teploty. Samozrejme, istá opatrnosť pri práci s týmto zariadením je potrebná, ale celkovo môžeme hodnotiť SHT31 SMART GADGET od firmy Sensirion veľmi pozitívne.
Autor článku: doc. Ing. Milan Guzan, PhD., Katedra teoretickej a priemyselnej elektrotechniky, FEI, Technická univerzita v Košiciach
Páčia sa Vám naše články? Nezmeškajte už ani jeden z nich!
Nemusíte sa o nič starať, my zabezpečíme doručenie až k Vám.
