Avtomatizacija primarne kalibracije senzorjev točke rosišča

PANOV, PANE (author), Hudoklin, Domen (mentor)

Kalibracije predstavljajo temeljno orodje zagotavljanja sledljivosti, natančnosti in ponovljivosti meritev v meroslovju. Med pomembnejšimi področji je tudi higrometrija, kjer je merjenje vlažnosti zraka oziroma plinskih mešanic ključno tako za industrijske aplikacije kot tudi za znanstvene raziskave. Točnost higrometrov s časom upada zaradi staranja senzorjev, mehanskih sprememb in vplivov okolja, zato je periodična kalibracija nujna. Za najvišjo raven natančnosti se uporabljajo primarni standardi, med katerimi sta gravimetrični higrometer in natančni generator rosišča. V Sloveniji se kot nacionalni standard uporablja generator rosišča v Laboratoriju za meroslovje in kakovost (LMK) Fakultete za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, ki omogoča kalibracije v območju od –80 °C do +95 °C z razširjeno merilno negotovostjo od 0.028 °C do 0.080 °C. Do zdaj se je v laboratoriju uporabljala polavtomatska metoda, kjer je bila zajem meritev delno računalniško podprta, medtem ko je bil vnos podatkov in analiza izvedena ročno ali s pomočjo enostavnih orodij v Excelu. Tak pristop je zahteval veliko časa, hkrati pa je dopuščal možnost človeških napak, zlasti pri prepisovanju in obdelavi podatkov. Namen te magistrske naloge je bil zato avtomatizirati celoten postopek primarne kalibracije rosišča, zmanjšati ročne posege uporabnika in izboljšati sledljivost postopka. Glavni cilji naloge so bili naslednji: • podrobno opisati princip delovanja generatorja rosišča in merske postavitve, • razložiti postopek kalibracije in metode za izračun negotovosti, • razviti programsko opremo za avtomatiziran zajem meritev in njihovo analizo, • primerjati rezultate avtomatizirane metode z rezultati obstoječe polavtomatske metode, • oceniti prednosti in omejitve novega pristopa ter predlagati možne nadgradnje. Za potrebe naloge sta bila v okolju LabVIEW razvita dva komplementarna programa: DP PRIMARY CALIBRATIONS – program za vodenje kalibracije in zajem merilnih podatkov, DP PRIMARY COEFFICIENTS – program za nadaljnjo obdelavo podatkov, izračun korekcijskih koeficientov in oceno merilnih negotovosti. Oba programa uporabljata obstoječo SQL podatkovno bazo, ki vsebuje metapodatke o instrumentih (proizvajalec, tip sonde, kalibracijske negotovosti itd.) ter shranjuje izmerjene podatke in rezultate analiz. Delo v tej nalogi ni obsegalo zasnove baze, temveč njeno integracijo v programski potek. Program DP PRIMARY CALIBRATIONS omogoča izbor naprav (generatorja rosišča, referenčnih termometrov, barometrov in enote, ki jo umerjamo – UUT). Večina naprav je vpisanih v bazo, izjema so barometri in merilniki pretoka, za katere so bile razvite posebne VI rutine. Programska logika sestoji iz štirih delov: inicializacija, merilna zanka, osveževanje grafičnega vmesnika ter obravnava dogodkov (dodajanje in odstranjevanje UUT, interakcija z grafi). Po stabilizaciji meritev program samodejno zajema podatke, jih časovno označi in shrani v bazo. Program DP PRIMARY COEFFICIENTS omogoča analizo meritev, ponovno naloži obstoječe meritve, ter generira novih rezultatov. Uporabnik lahko nastavlja parametre, kot so ločljivost UUT, ter red polinoma korekcijske funkcije. Rezultati so prikazani v tabelah in grafih, skupaj z izračunanimi negotovostmi. Posebne zavihke imajo tudi korekcija tlaka in rezultati meritev upornosti. Končne vrednosti se shranijo v bazo, s čimer je zagotovljena sledljivost postopka. Za validacijo obeh programov je bil izveden dejanski kalibracijski postopek s primarnim generatorjem rosišča. Umerjana enota (UUT) je bil ohlajeni zrcalni higrometer. Kalibracije so bile opravljene v območju od –40 °C do +70 °C, z uporabo nizkotemperaturnega in visokotemperaturnega dela generatorja. Uporabljeni so bili referenčni termometri (Fluke in Accumac), referenčni barometer (Druck DPI 142) ter integrirani senzorji UUT-ja. Meritve so bile opravljene na osmih kalibracijskih točkah (–40, –20, –10, +5, +20, +30, +50 in +70 °C), pri čemer je bil za vsako točko izveden podvojen zajem podatkov. Dodatno so bile opravljene meritve za korekcijo tlaka. Podatki so bili analizirani z obema programoma, rezultati pa primerjani s tistimi, pridobljenimi s prejšnjo polavtomatsko metodo. Rezultati so pokazali, da sta se obe metodi praktično ujemali. Razlike v negotovostih, koeficientih in korekcijskih vrednostih so bile vse manjše od 3 mK, kar je posledica numeričnih obdelav in nima vpliva na končno točnost kalibracije. Programi so zagotovili identične rezultate korekcije tlaka in generiranega rosišča. Glavne prednosti avtomatizirane metode so: večja interaktivnost, saj lahko uporabnik sproti prilagaja parametre in izbira merilne nize; vizualizacija podatkov v realnem času, brez potrebe po ročnem risanju grafov; večja hitrost obdelave, ker odpade ročno prepisovanje in filtriranje podatkov; zmanjšanje človeških napak, ki so bile pri polavtomatski metodi pogoste (npr. napačen vnos podatkov). Med preizkusom naloge je bilo ugotovljeno, da so začetna odstopanja med metodama posledica napak pri ročnem vnosu podatkov. Po odpravi teh napak so rezultati povsem sovpadali, kar potrjuje zanesljivost novega pristopa. Naloga je pokazala, da je popolna avtomatizacija postopka kalibracije primarnega rosišča izvedljiva in prinaša številne koristi. Točnost rezultatov ostaja enaka kot pri obstoječi metodi, vendar se učinkovitost, preglednost in sledljivost bistveno izboljšajo. Avtomatizacija hkrati razbremeni operaterje rutinskih opravil ter omogoča, da se osredotočijo na nadzor postopka in interpretacijo rezultatov. Možne prihodnje nadgradnje vključujejo razširitev baze podatkov z dodatnimi napravami in kalibracijskimi zgodovinami, implementacijo negotovosti za barometre in merilnike pretoka, izboljšane vizualizacijske in poročevalske funkcionalnosti.

• Language: Slovenian
• Keywords: Kalibracija rosišča, Generator rosišča, Vlaga, Nasičevalnik
• Work type: Master's thesis/paper
• Typology: 2.09 - Master's Thesis
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Year: 2025
• PID: 20.500.12556/RUL-173959
• COBISS.SI-ID: 250366723
• Publication date in RUL: 25.09.2025

Secondary language

• Language: English
• Title: Automation of the primary calibration of dew-point sensors

Abstract

Calibration is defined as an operation that establishes a relation between the quantity values with measurement uncertainties provided by measurement standards and corresponding indications with associated measurement uncertainties and uses this information to establish a relation for obtaining a measurement result from an indication. In order to calibrate a measuring instrument with an unknown accuracy, we have to compare its results to the results of the standard - an instrument with a very high, known accuracy. Based on the accuracy, stability and traceability standards can be primary, secondary and working standards. This thesis focuses on the automation of the process of primary standard calibration of Dew-point measurements, and is divided into five parts. The first part serves as an introduction of the thesis to the reader. Here I go through the history of hygrometers, then explain the concept of dew-point calibration and lay out the goals of the thesis. In the second part I define each element of the measurement setup, describing their role and sources of uncertainty. We then explain the calibration procedure, which consists of two segments: measurement acquisition and data analysis. The third part discusses the implementation of the calibration procedure. Both calibration segments were programmed in LabVIEW, ensuring efficiency during data handling. In the fourth part we present the results, from both calibration segments. The last part consists of the discussion and conlusion. Here I compare the results of the new automated, and the old semi-automated procedure. In the end I present possible upgrades to the program and process.

• Keywords: Dew-point calibration, Dew-point generator, Humidity, Saturator