Projekt

pilgaardnielsen.dk

Projekt

Udlæsningsinstrument til

vindhastighedstransducer

Aalborg Universitet

Af C216 - storgruppe 0132

P1-Projekt, Efterår 2001


Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet

Aalborg Universitet

Basisuddannelsen

Titel: Udlæsningsinstrument til vindhastighedstransducer

Projektperiode:

P1,

8. oktober - 18. december, 2001

Projektgruppe:

0132, C216

Gruppemedlemmer:

Thomas Thorsen

Andreas Popp

Ragnar Herdalur

Jan Stötzel

Eric Jahnsen

Lars Sommer Søndergaard

Michael Pilgaard Nielsen

Hovedvejleder:

Mona Dahms

Bivejleder:

Lone Johansen

Oplag: 16

Sideantal: 78

Bilag:

A - Spørgeskema

CD-ROM vedlagt med:

Datablade for AD8551, AD7819 og

NE555

SPICE model for AD8551

Oscilloskopbilleder fra forsøg

Rapport fra Adaptive Micro Systems:

Understanding LED Outdoor Electronic

Signs

Synopsis:

Denne rapport handler om designet af et udlæsningsinstrument

til Nibe Havns vindhastighedstransducer.

Som hjælp hertil har vi undersøgt

transducerplaceringens betydning for udlæsningens

korrekthed. Desuden har vi lavet

en behovsanalyse med hjælp fra en spørgeskemaundersøgelse

blandt sejlere, der viser et behov

for produktet. Vi har bekræftet, at Nibe

Havns transducer kan anvendes. I afsnittet displaytyper

har vi valgt den bedste displaytype

til formidling af vindhastighed. En produktmatrix

har hjulpet med prioriteringen af forskellige

produktparametre. Dette har resulteret

i forskellige krav til produktet, og derudfra

har vi designet de analoge elementer i udlæsninginstrumentet.

Til sidst har vi stillet forslag

til hvilken strategi man bør benytte, hvis man

vil starte en virksomhed der producerer udlæsningsinstrumenter.


Indhold

Forord IV

Indledning 1

1 Problemanalyse 3

1.1 Vind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.1 Vindens opståen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.2 Vindhastigheder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.1.3 Lov og forsikring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.4 Placering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Behovsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Aktøranalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Produktmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.5 Transducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5.1 Transducertyper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5.2 Koptransducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.6 Udlæsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.6.1 Visningstyper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.6.2 Et displays visibilitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.6.3 Digitale displaytyper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.6.4 Valg af displaytype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.7 Kravspecifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.8 Problemformulering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Systembeskrivelse 21

2.1 Beskrivelse af moduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.1 Transducer og Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.2 Bufferforstærker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.3 A/D Konverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.4 Gennemsnit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1.5 Binær til BCD Tabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1.6 BCD Dekoder og LED Drivere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.7 Displayenhed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2 Projektafgrænsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3 Design af elektronik 27

3.1 Transducer og filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.1.1 Forsøg med transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.1.2 Design af filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

II


INDHOLD

3.1.3 Forsøg med transducer og RC-led . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2 Bufferforstærker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2.1 Krav til bufferforstærker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2.2 Valg af operationsforstærker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.2.3 Kredsløbsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2.4 Komponentvalg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.5 Simulering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3 A/D konverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.3.1 Krav til konverteren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.3.2 Valg af konvertertype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.3.3 Valg af A/D konverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3.4 Kredsløbsopkobling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3.5 Timer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4 Strategiske overvejelser 44

4.1 Virksomhedens ide og mål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.2 Selskabsform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.3 Nær- og fjernmiljø . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.4 Ansvarsfordeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.5 SWOT-analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.5.1 SWOT-matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.5.2 Strategivalg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.6 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Konklusion 51

A Vindtabel 55

B Spørgeskemaundersøgelse 56

C Samlet eldiagram 63

D Operationsforstærkere 64

E Successive Approximation A/D konverter 67

F Forsøgsjournal 1 70

G Forsøgsjournal 2 74

III


Forord

Dette P1-projekt er udarbejdet af gruppe C216, tilhørende storgruppe 0132. C216 hører

under Elektronik og elektroteknik ved Aalborg Universitets Teknisk-naturvidenskabelige

Basisuddannelse.

Temaet for denne projektperiode er "Elektriske apparater i hverdagen", som har til formål at

give de studerende en indsigt i grundlæggende analog elektronik. Til valg af projekt havde

vi et projektkatalog med 20 projektforslag, som var udarbejdet af hovedvejlederne.

Rapporten henvender sig hovedsagelig til ingeniører og ingeniørstuderende, men kan læses

af alle, der har interesse for emnet.

Det vil her være på sin plads at takke havnefoged Knud Erik Larsen, som er idémand for

dette projekt. Han afsatte tid til at sætte os ind i baggrunden for projektforslaget, samt hvilke

ønsker og ideer han havde med projektet. Han lånte os sin transducer, hvilket vi har haft meget

glæde af. Vi vil ligeledes takke Danish Wind Controller for et spændende virksomhedsbesøg,

som resulterede i, at vi lånte en transducer, der kunne bruges som alternativ til Nibe

Havns transducer. Vi vil også takke firmaet Carlo Gavazzi for et spændende virksomhedsbesøg.

Vi takker ingeniørassistent Jan Christiansen ved Institut for Energiteknik for teknisk

assistance ved brug af vindtunnelen.

Der findes en udførlig kildeangivelse inden appendiks, der beskriver hvilken kilde, vi har

benyttet. Appendiks og bilag er markeret med et bogstav og findes bagerst i rapporten.

For at gøre klart, hvilke tekniske termer vi har brugt i rapporten, har vi lagt en terminologioversigt

på den vedlagte cd-rom, hvor vi har forklaret de forskellige termer.

IV


Projektet er afleveret tirsdag den 18. december 2001.

Thomas Thorsen Andreas Popp

Ragnar Herdalur Jan Stõtzel

Eric Jahnsen Lars Sommer Søndergaard

Michael Pilgaard Nielsen

V


Indledning

Et kvarters kørsel sydvest for Aalborg ligger byen Nibe ved Limfjorden. I Nibe Havn er

det havnefoged Knud Erik Larsen, som varetager havnens daglige drift. Han mangler et

udlæsningsinstrument til sin eksisterende transducer. Havnefogeden vil gerne have mulighed

for, at han selv og andre kan aflæse vindhastigheden ved hans kontor.

Da gruppe C216 læste om dette problem som projektforslag, syntes alle at det ville være en

spændende udfordring at undersøge sagen nærmere og muligvis sørge for at havnefogden i

Nibe kunne få et udlæsningsinstrument.

Vi forventer at havnefogedens transducer giver et analogt signal. Dette passer godt med de

krav der stilles til det tekniske pensum i P1-projektperioden, hvor der lægges stor vægt på

analog elektronik og derfor har vi baseret projektet på den eksisterende transducer.

Det principielle behov er at kunne aflæse en vindhastighed ved havnefogedens kontor. Vores

opgave er at finde den mest hensigtsmæssige måde at tilfredsstille dette behov på.

Dette fører os til dette initierende problem:

Hvordan kan vindhastigheden målt med den eksisterende transducer bedst gøres

tilgængelig for brugere af Nibe Havn.

1


Aspekter af initierende problem

. INDLEDNING

For at kunne skabe en optimal løsning kræves der, at vi sætter os ind i relevante aspekter

omkring problemstillingen:

2

Forhold omkring vind

Søvejsregler og forsikringsregler på området

Problematik omkring placering af transduceren

Analyse af behovet for en vindmåler

Analyse af aktører

Prioritetsmatrix for produktudvikling

Typer af vindhastighedstransducere

Udlæsningsformer


Kapitel 1

Problemanalyse

Vi vil i dette kapitel foretage en dybere undersøgelse af de aspekter, som ligger i vores

initierende problem, med henblik på at få et forbedret kendskab til den problemstilling vi

skal arbejde videre på i dette projekt.

1.1 Vind

Sejlads kan være farligt, men man kan mindske risici ved at tage tilstrækkelige forholdsregler.

Vind er en af de største farer forbundet med sejlads, og derfor er det nødvendigt som

sejler, at vide noget om vind og at holde sig ajour med vindforholdene.

1.1.1 Vindens opståen

Vind opstår på grund af solens opvarmning af jordkloden. Ækvator er det sted på jorden hvor

solen varmer mest. Varm luft er lettere end kold luft og vil derfor stige op i atmosfæren. Her

vil den fortsætte mod nord- og sydpolen, synke ned og vende tilbage til ækvator igen. På

den nordlige halvkugle opstår en højredrejning af vinden, på grund af corioliskraften, som

opstår som følge af jordens rotation. Omkring den 30. breddegrad forhindrer corioliskraften

luften i at komme længere og luften synker ned igen. Dette skaber et højtryk omkring den

30. breddegrad. Omkring ækvator vil der blive skabt et lavtryk, som tiltrækker luft fra nord

og syd. Sådan skabes de fremherskende vindretninger, der kaldes de geostrofiske vinde som

findes i over 1000 meters højde.

I op til 100 meters højde findes de lokale vinde, som også skabes på grund af solens opvarmning.

Solen opvarmer havet og landjorden om dagen, som derefter afgiver varme til luften

i forskellig grad. Jorden kan ikke optage så meget varme, og luften over land bliver derfor

hurtig varm, hvorimod vand kan indeholde meget varme, og derfor ikke afgiver så meget

varme til luften. Der er nu en forskel i temperaturen mellem land og vand. Den varme luft

over land stiger til vejrs og bevæger sig mod havet. Dette skaber et lavtryk på land, som

tiltrækker den kolde luft fra havet. Dette kaldes en søbrise. Det modsatte sker om natten,

men i mindre grad. Den vind vi normalt bliver udsat for, er summen af de to vinde, den

3


geostrofiske vind og den lokale vind.

På vindmølleindustriens website [32] har vi fundet to nyttige begreber:

Ruhedsklasse

KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE

Et landområdes evne til at yde modstand overfor vinden, betegnes ruhedsklasse. Dette fænomen

kaldes wind shear. Havets ruhedsklasse har på grund af sin meget lave modstand

værdien 0, mens "Landsbyer, mindre byer eller landbrugsområder med mange høje levende

hegn, skov og et meget ru terræn"har værdien 3, og "Store byer med høje bygninger"har

værdien 3.5 [33].

Turbulens

Hvis jordens overflade var dækket af vand, ville vi over hele verden have en jævn vind,

kaldet laminarvind[10]. Denne er defineret som en strøm af luft uden hvirveldannelse, det

vil sige at alle partikler har den samme hastighed over et givet tværsnit. Men da jordens

overflade ikke kun er dækket af vand, får vi også det modsatte af laminarvind; turbulens

[34]. Turbulens opstår, når vinden mødes af fysiske forhindringer, som bakker, træer og

byer. Turbulens er betegnelsen for urolig og hvirvlende vind. Hvis man vil måle vindens

hastighed, er det bedst at finde en placering uden turbulens, eller hæve transduceren over

den forhindring, der skaber turbulensen.

1.1.2 Vindhastigheder

På Danmarks Meteorologiske Instituts, DMI, website [9] er det angivet at den højest målte

middelvindhastighed i Danmark var 41.2 m s, og det højest målte vindstød var 51.4 m s.

Begge målt på Rømø den 3. december 1999.

Tabellen i appendiks A indeholder beskrivelser af de synlig virkninger af vindhastigheder

mellem 0 og 32,7 m s, hvor 0 m s er vindstille og 32,7 m s og derover er orkan. Ud af

tabellen kan vi også se, at orkaner er meget sjældne.

Vindmålinger

På DMI [9] skelnes der mellem to typer vindmålinger:

Middelvinden er af DMI [9] defineret som gennemsnittet af målinger over 10 minutter. Der

refereres til middelvinden, hvis ikke andet bliver nævnt.

Vindstød måles som afvigelser fra middelvinden. Det er i Danmark praksis at opgive vindstød

som de højeste og laveste middelhastigheder i en 3 sekunders periode[9]. Vindstød

svinger meget i hastighed og derfor er det vanskeligt at få brugbare resultater,

hvis man kun foretager en vindstødsmåling.

4


1.1.3 Lov og forsikring

1.1. VIND

Vi har undersøgt søvejsreglerne i bogen Søvejsregler[3], for at finde ud af, om de kan have

indflydelse på produktet. Men vi fandt ingen regler, der forbyder sejlads, ved høje vindhastigheder.

Vi fandt heller ingen regler for offentlige udlæsningsinstrumenter til måling af

vindhastighed.

Dernæst har vi undersøgt en enkelt forsikringspolice, men det eneste den viste var, at policen

gælder sålænge man udviser godt sømandskab. "Godt sømandskab"er ikke defineret nogen

steder, og det er således en subjektiv vurdering.

1.1.4 Placering

På grund af de tidligere beskrevne fænomener, wind shear og turbulens, er det vigtigt at

analysere hvilken placering der vil give den bedste vindmåling.

På figur 1.1 er de tre placeringer vi har valgt at analysere markeret med et kryds.

Figur 1.1: Et oversigtsbillede af Nibe Havn, hvor vi har markeret placeringerne. 1 er ude på vandet, 2 er på

molen og 3 er ved havnefogedens kontor. kilde: [19]

Ude på vandet udenfor havnen

Teoretisk set vil den bedste placering være på en stage ude i fjorden et lille stykke udenfor

havnen, da det er her sejladsen finder sted. Derudover er placeringen midt i et område med

konstant ruhedsklasse. Placeringen giver dog praktiske problemer, f.eks. i forbindelse med

kabeltræk.

5


Inde på molen

KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE

En anden god mulighed ville logisk set være at anbringe transduceren på molen, da det

både er meget tæt på fjorden, og ikke medfører kabeltræk gennem vandet og opsætning af

transducer i fjorden.

Når der er pålandsvind, vil vinden blæse med samme vindhastighed, som ude på vandet,

da vands ruhedsklasse er 0, og der ikke er nogen lægivere til at bremse vinden. Derfor

vil vindmåleren placeret på molen vise en tæt på optimal vindhastighed, sålænge der er

pålandsvind.

Når der er fralandsvind er situationen en helt anden. For nu kommer vinden inde fra land.

Dette betyder at vinden kommer fra et område med en meget højere ruhedsklasse end 0, da

både havnens bygninger, Nibe by, og bakken bag Nibe er forhindringer for vinden. Derfor

vil den vindhastighed som transduceren ude på molen måler, være betydeligt lavere end den

aktuelle vindhastighed på vandet.

Det vil sige, at der er stor forskel på udlæsningen, alt efter om der er pålandsvind eller

fralandsvind. Dette er ikke acceptabelt, da man så ikke kan sammenligne målinger uden at

anføre vindens retning.

På taget af havnefogedens kontor

Placeringen af transduceren på taget af havnefogedens kontor falder naturligt, da udlæsningsinstrumentet

skal placeres ved kontoret. Det turbulente område kan strække sig op til

3 gange bygningens højde [35]. Da havnefogedens kontor er ca. 4 m højt, skal transduceren

op i en højde af 12 m for at få den helt fri af turbulensen.

Når transduceren er placeret her, er der en forholdsvis ensartet ruhedsklasse hele vejen rundt

om transduceren. Måleresultatet afhænger derfor ikke af vindens retning i samme grad som

ved placering 2. Da ruhedsklassen er højere end 0, vil den målte vindhastighed være lavere

end ved placering 1.

Ved denne placering er der færrest praktiske problemer ved installationen, da udlæsningsinstrument

og transducer sidder tæt ved hinanden.

Valg af placering

Placeringen på molen er ikke interessant, da det både er praktisk besværligt og giver en

måleresultat, der afhænger af vindretningen. Valget mellem placeringen i vandet og på taget

er et valg mellem en praktisk let tilgængelig løsning eller en måling der præcist afspejler

vindsituationen, hvor sejladsen finder sted.

Vi mener, at placeringen af transduceren på havnekontorets tag er den mest fornuftige løsning,

hvis vi sammenholder de praktiske problemer med de begrænsede fordele.

6


Valg af måleområde

1.2. BEHOVSANALYSE

Vi har valgt et måleområde på 0 - 40 m s, da der meget sjældent forekommer vindhastigheder

over 32.7 m s. Måleområdet omfatter dermed vindhastigheder, der langt overstiger hvad

der er forsvarligt at foretage sejlads i.

1.2 Behovsanalyse

Det er interessant at klarlægge ønsker for en vindmåler til Nibe Havn, samt fordele og ulemper

forbundet med denne. For at gøre dette har vi haft et møde med havnefogeden, og blandt

sejlerne har vi lavet en spørgeskemaundersøgelse, der er vedlagt som appendiks B.

Havnefogeden i Nibe

Havnefogeden i Nibe mangler et udlæsningsinstrument til sin transducer. Han ønsker, at det

ved hans kontor skal være muligt at kunne få information om vindhastigheden, også selvom

han ikke er til stede. Det må gerne være et display med flydende krystaller, og det skal

være større end sejlklubbens display, da det er meget småt og konstrueret sådan, at man skal

tæt på for at kunne aflæse det. Samtidig skal udlæsningsinstrumentet helst være designet

sådan, at det med hensyn til udseendet optræder som en del af havnekontoret. Havnefogeden

ønsker ligeledes at udlæsningsinstrumentet skal være let at betjene og vedligeholde for

havnefogeden.

Havnefogeden vil få mange fordele ud af instrumentet. Han vil kunne få opfyldt sit ønske om

at informere havnens brugere om den aktuelle vindhastighed, selvom han ikke er til stede.

Hvis instrumentet har tilstrækkelig høj driftssikkerhed, vil det ikke give havnefogeden større

ulemper, end at han skal gøre det rent en gang i mellem.

Sejlere

Spørgeskemaundersøgelsen viser klart lystsejleres behov for en vindmåler. Det ses, at lystsejlere

anvender vindhastighedsmålinger, og faktisk vil 84 % af sejlerne bruge en vindmåler,

hvis den forefindes i havnen. Ligeledes mener 84 % at der bør være en vindmåler i alle

havne. Flertallet af sejlere har ikke selv en vindmåler i deres båd, og 2 3 af dem undersøger

vindhastighed og retning inden de forlader havnen, og denne information søges primært

hos DMI. Samtidig finder størstedelen af sejlerne information om vindhastighed vigtig for

sejladsen. 74 % af de spurgte lystsejlere mener, at en vindmåler skal oplyse både vindhastighed

og retning. Der ønskes m s som udlæsningsenhed og en nøjagtighed på 0.5 m s.

Spørgeskemaundersøgelsen viser, at der er et klart behov for en vindmåler på havnen. Lystsejlerne

vil med vindmåleren kunne få oplysning om den lokale vindhastighed, og dette vil

kunne hjælpe med en bedømmelse af, hvorvidt det er sikkerhedsmæssigt forsvarligt at sejle

ud. Sejlerne vil ikke opleve ulemper ved en vindmåler. En dårlig placering af udlæsningsinstrumentet

kunne resultere i, at sejlerne ikke bruger vindmåleren, da informationen derfor

7


ikke er lettilgængelig.

Andre brugere af havnen

KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE

Da havnen er offentlig tilgængelig, er der også ikke-sejlere der færdes på havnen. De har

ikke et dokumenteret behov for en vindmåler, og derfor er det ikke muligt at analyse deres

behov yderligere.

Sammenfatning

Vi har i ovenstående afsnit dokumenteret, at havnefogeden og sejlerne har behov for en

vindmåler. Havnefogedens behov oprinder af, at han vil betjene havnens brugere så godt

som muligt. Han får ikke store ulemper i forhold til fordelene ved en vindmåler. Sejlerne

har behov for vindmåleren for at kunne holde sig orienteret om vindhastigheden og bruge

denne information til at bedømme, om det er sikkerhedsmæssigt forsvarligt at sejle ud. De

får ikke direkte ulemper af en vindmåler.

1.3 Aktøranalyse

Vi vil i denne analyse anskueliggøre hvilke personer og grupper, der har indflydelse på

udviklingen af produktet. Vi skelner mellem 3 grupper:

Interesseparter: Har interesse i enten selv at benytte produktet eller at andre benytter det.

Aktører: Er med til at udvikle og udforme produktet, samt at tage det i brug. Aktører er

afhængige af det samfund de lever i, og handler ikke uafhængigt af andre.

Sociale bærere af teknologien: Er aktører, som opfylder nogle yderligere krav: De skal

have interesse og tilstrækkelig viden til at vælge og udvikle mindst en af teknologierne

i produktet. Aktørerne skal også have tilstrækkelig social, økonomisk og politisk

magt til både at kunne udvikle og vælge en af teknologierne. De skal have information

om eksistensen af og adgang til teknologien, og have eller tilegne sig viden om

teknologiens anvendelse.

Vi har analyseret forskellige grupper og defineret hvilken af de 3 ovenstående grupper de

tilhører.

Havnefogeden i Nibe

Ved at vise interesse for projektet og udtrykke lyst til at innovere og implementere produktet

til havnen, står det klart at havnefogeden er aktør. Det er han fordi han netop kommer med

potentielle løsningsforslag vedrørende displayet, men samtidig har han ikke tilstrækkelig

8


1.3. AKTØRANALYSE

viden og magt til selv at kunne udvikle produktet, deriblandt at vælge de rette komponenter

og den rette løsningsmodel.

Sejlere

Sejlerne som enkeltpersoner har ingen mulighed for at kunne udvikle vindmålere. De har

interesse i at bruge produktet og falder dermed ind i gruppen interesseparter.

Hvis man analyserer sejlerne som en samlet og organiseret gruppe, f.eks. Dansk Sejlunion

som har til formål at varetage sejlernes interesse, har de bedre muligheder for indflydelse.

De får mulighed for at stille krav til produktet, da de repræsenterer en stor og væsentlig

gruppes meninger. De vil naturligvis også tage produktet i anvendelse, og derfor falder de

ind under aktørgruppen.

Andre brugere af havnen

Andre brugere af havnen er folk, der ikke sejler, men alligevel færdes på havnen. De kan

have interesse i produktet, men er ikke organiserede, og kan heller ikke deltage i udviklingsfasen.

Disse brugere er interesseparter, da de heller ikke får nogen indflydelse på produktet.

Andre producenter

Producenter, der fremstiller det samme produkt som vi udvikler, er også en gruppe, som

vi skal tage hensyn til. En af grundene hertil er patentregler. Det er vigtigt at vide, om

man benytter en teknik eller komponent, som er patenteret, da det kan blive dyrt i form af

kompensation eller tilbagetrækning af produktet. Samtidig kunne andre producenter være

interesserede, hvis vi udviklede en banebrydende teknologi.

Denne gruppe falder ind under gruppen af sociale bærere af teknologien, da de besidder viden

om produktet samtidig med at de har en interesse i produktet, og kender til teknologien.

De har også økonomi til at kunne udvikle og fremstille produktet.

Forsikringsselskaberne

Forsikringsselskaberne har en økonomisk interesse i sejlerne. Sejlerne tegner forsikringer

for at beskytte sig økonomisk, hvis de skader materiel eller personer. Samtidig skal selskaberne

drive en forretning, så de er interesserede i at holde antallet af ulykker på et minimalt

plan. Dette kan bl.a. gøres ved at få sejlerne til at overholde, hvad man kalder "godt sømandskab".

De har ingen direkte indflydelse på produktet, men har interesse i det i kraft af

sejlernes sikkerhedsmæssige fordele af produktet. Derfor falder de ind under interesseparter.

9


KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE

Interesseparter Aktører Sociale bærere

af teknologien

Sejlere som individ

Andre brugere af havnen

Forsikringsselskaber

Sammenfatning

Havnefogeden

Sejlere som gruppe

Andre producenter

Figur 1.2: Skematisk oversigt over gruppe med indflydelse på teknologien.

Som det ses på figur 1.2 er der en del interesseparter, som har gavn af at bruge produktet,

men som ikke har indflydelse på udviklingen. Der er også to aktører, som har indflydelse

på udviklingen. Havnefogeden kommer desuden med konkrete løsningsforslag til produktet.

Andre producenter tilhører gruppen af sociale bærere af teknologien, da de opfylder kravene

hertil. Vi har altså fået gjort klart, hvem der har indflydelse på udviklingen, og dermed hvem

der må tages hensyn til i udviklingen af vores produkt.

1.4 Produktmatrix

Med udgangspunkt i en behovsanalyse, vil vi i denne produktmatrix forsøge at forestille

os produktet i drift, for på den måde at kunne prioritere de forskellige parametre, vi tager

hensyn til i vores produktudvikling.

Produktmatrixen er en del af en brugsundersøgelse. En omfattende og grundig brugsundersøgelse

vil være for tidskrævende til et P1 projekt.

Høj Middel Lav

Funktionalitet X

Brugervenlighed X

Pålidelighed X

Miljø X

Vedligeholdelse X

Sikkerhed X

Design X

Pris X

Funktionalitet beskriver hvor mange funktioner produktet har. Vores produkt vil som udgangspunktet

ikke være af en type, der behøver mange funktioner, da havnefogeden

har efterspurgt et produkt, der udfører den forholdsvis enkle opgave at måle vindhastigheden

og vise den på en udlæsningsenhed. I spørgeskemaundersøgelsen blandt

brugerne er det kommet frem, at en stor del af dem også ønsker at aflæse barometerstand

samt luft- og vandtemperatur. Derudover findes der også en website for Nibe

Havn hvor udlæsningen fra vores produkt kan være til stor nytte. Her må lægges vægt

på, at havnefogeden har efterspurgt produktet netop for at servicere brugerne. Vi bør

derfor prioritere at efterkomme brugernes ønsker, men dog bør dette ikke medføre at

10


1.4. PRODUKTMATRIX

det færdige produkt behøver mere vedligeholdelsesarbejde. Vi bør i disse prioriteringer

også tage hensyn til, at vi har relativt kort tid i projektperioden, og derfor først og

fremmest lægge vægt på havnefogedens ønsker.

Brugervenlighed er et udtryk for hvor godt produktets funktioner servicerer brugerne. Brugervenligheden

prioriteres højest, eftersom produktet er blevet efterspurgt netop for at

kunne yde en service ovenfor brugerne. Eftersom produktets funktioner har til formål

at informere brugerne, er det vigtig at fokusere på udlæsningsenheden; hvis brugerne

har vanskeligt ved at finde informationen, vil brugen af produktet blive reduceret. Her

må lægges vægt på at informationen må kunne ses på afstand såvel i mørke som i

dagslys, siden brugerne kan tænkes at have nytte af informationen på alle tider af

døgnet og ikke nødvendigvis befinder sig i en armlængdes afstand fra produktet. Det

kan tænkes at de opholder sig i deres både. Af samme grund yder produktet bedst

service, hvis brugerne ikke behøver at betjene det for at få den ønskede information

vist.

Pålidelighed er udtryk for hvor lang tid der går mellem driftsforstyrrelser, udtrykt ved

MTBF 1 . I definitionen af pålidelighed ligger der også at produktets funktioner udføres

korrekt. Denne parameter skal sammen med brugervenlighed prioriteres højest,

da produktet skal fremvise information der kan have indflydelse på sejlernes sikkerhedsmæssige

vurderinger. Vindforholdene har stor betydning for dem der færdes på

havet, og det kan tænkes at denne information kan have afgørende betydning f.eks.

ved konkurrencer på søen.

Miljø er udtryk for hvor skånsomt produktet er mod miljøet. De miljømæssige aspekter

nedprioriteres eftersom det ikke kan tænkes at produktet, eller noget af dens indhold,

kan få nogen indflydelse på miljøet i brugssituationen. Dette er derfor den parameter

vi vil lægge mindst vægt på. Dog bør der tages hensyn til at produktet ved destruktion

vil blive sorteret sammen med andet elektronikaffald.

Vedligeholdelse er et udtryk for hvor lidt arbejdskraft der skal bruges til at vedligeholde

produktet. Denne parameter bør prioriteres højt, men dog ikke så meget som brugervenlighed

og pålidelighed. Der bør lægges stor vægt på at produktet, efter at det er sat

i drift, ikke skal være generende for havnens daglige virke. Dette kan bedst gøres ved

at gøre produktet vedligeholdelsesfrit.

Sikkerhed angiver produktets faremomenter ovenfor mennesker, dyr og andre produkter.

Næst efter miljø er dette det mindst prioriterede parameter. Det er fordi vi ikke kan

forestille os nogen faremomenter.

Design er produktets fysiske udformning. Designparametret vil på samme måde som med

vedligeholdelse blive højt prioriteret. Vedrørende designet er der to aspekter der bør

vurderes. Designet må kunne beskytte mod de ydre miljømæssige påvirkninger, da

dele af produktet skal monteres udendørs i et miljø hvor:

der er stor temperaturforskel mellem sommer og vinter.

der er meget salt i luften.

der kan forekomme høj luftfugtighed/regn.

der er nedbør i form af sne, regn og hagl.

1 Mean Time Between Failure

11


der kan forekomme is/frost om vinteren.

det kan blæse kraftigt.

KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE

Videre er det også ønskeligt at integrere produktet på en hensynsfuld og æstetisk måde

i havnen.

Pris er omkostningerne ved at producere et færdigt produkt. Prisen bør ikke være toneangivende

for udformningen af produktet, siden det er efterspurgt specielt af havnefogeden

i Nibe. Havnefogeden er heller ikke kommet med nogen specifikationer angående

produktets pris, og vi bør derfor hellere fokusere på at lave et tilfredstillende produkt

fremfor et billigt produkt.

1.5 Transducere

Til måling og udlæsning af vindhastighed, bruger man et anemometer 2 . Disse apparater kan

variere i form, materialer, opbygning, pris og virkemåde. Fælles for alle disse apparater er,

at de indeholder en elektrisk transducer:

En elektrisk transducer kan omsætte fysisk energiudførelse til en ændring af elektrisk

karakter, eller omvendt.

1.5.1 Transducertyper

I dette afsnit betragtes de 3 mest almindelige transducertyper til måling af vindhastighed.

Ultralydstransduceren , som er fuldt ud digital, bliver regnet for den mest nøjagtige type

vindhastigheds-transducer. Den er baseret på tre ultralydbølgers interferens i vinden.

Den behøver ikke at tage højde for faktorer såsom fugtighed, lufttryk og temperatur.

I forhold til andre typer af transducere, reagerer den med det samme på ændringer

i vindhastigheden. Ydermere har den ingen bevægelige dele, som kan påvirkes af

vinden, eller slides op med tiden. Denne teknologi er meget kostbar.

12

2 Græsk/Nylatin for vindhastighedsmåler

Figur 1.3: Eksempel på en ultralydstransducer


1.5. TRANSDUCERE

Varmtrådstransduceren opererer efter et termisk princip. En strøm gennemløber en tråd

der er placeret i vinden der ønskes målt. Denne strøm vil opvarme tråden til en temperatur

der ligger over omgivelsernes temperatur på grund af den elektriske modstand.

Den forbipasserende vind vil afkøle sensoren. Da trådens temperatur er medbestemmende

for den elektriske modstand, vil strømmen i tråden variere med vindens hastighed.

Ulempen ved denne vindhastighedsmåler er, at den også reagerer på luftfugtighed.

Hvis luftfugtigheden er høj eller det eksempelvis regner, vil der sætte sig vand

på sensoren. Den vil miste varme ved fordampningen af vandet, og målingerne af

vindhastigheden vil derfor blive ukorrekte. Barometriske forhold og luftens temperatur

spiller også en rolle i afkølingen af sensoren. Denne transducertype er derfor kun

brugbar i et miljø, hvor vindhastigheden alene ændres.

Figur 1.4: Eksempel på et varmtrådsanemometer

Koptransduceren er den mest almindelige transducertype. Princippet består i, at et kophjul

bliver sat i bevægelse af vinden, og energien herfra omdannes i selve transduceren,

som kan være opbygget på flere måder. Kophjulets rotationshastighed er proportional

med vindhastigheden. Koptransducerens virkemåde kan derfor inddeles i følgende

faser:

1. Den kinetiske energi i vinden afsættes i kophjulet hvorved det kommer i rotation.

2. Rotationen fortsætter ned i huset, hvor transducerfunktionen finder sted.

Selve transducerfunktionen kan udformes på mange forskellige måder, ved at anvende eksisterende

teknologier til aflæsning af cirkulære bevægelser.

Valg af transducertype

Ultralydstransducere foretager de mest præcise målinger af de transducertyper vi har undersøgt.

Pålideligheden er høj, men alligevel vælger vi ultralydstypen fra, da vi synes den er for

kostbar til applikationen. Da transduceren skal stå udenfor, skal den ikke kunne påvirkes af

fugtighed, lufttryk og temperatur, og derfor kan varmtrådstransduceren ikke bruges. Tilbage

har vi koptransduceren, som efter vores mening, er bedst egnet til formålet.

1.5.2 Koptransducere

Der tages nu udgangspunkt i to koptransducere, hvor selve transducerfunktionen er udført

forskellig.

13


KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE

Den første transducer har vi lånt af Danish Wind Controller [8], DWC. Den anden ejes af

Nibe Havn.

Transduceren fra DWC

Transduceren fra DWC er en ny model, der ifølge DWC er markant bedre end konkurrenters

produkter. Den har en markedspris på ca. 3000 kr.

Figur 1.5: Transduceren fra DWC.

Kophjul og hus er udelukkende af metal. Bladene er monteret på en kappe. Denne har lameller

siddende på indersiden, som sørger for at snavs, eksempelvis sand, ikke kan trænge ind i

huset og forårsage slitage. Transduceren i denne er baseret på, at en eller op til tre sensorer

kan tilkobles uafhængigt af hinanden. At have tre sensorer tilkoblet gør pålideligheden høj.

Man får tre uafhængige målinger til beregning af en gennemsnitlig vindhastighed. Hvis én

sensor går i stykker, har man stadig to sensorer til at foretage målingerne. Dermed undgås

driftforstyrelser medmindre alle sensorer fejler mellem serviceftersyn.

Transduceren fra Nibe Havn

Den anden transducer har været i brug af havnefogeden i Nibe i mange år. Det er en udgået

hollandsk model produceret af firmaet Vetus [30]. Selve transducerfunktionen foretages

sandsynligvis af en en induktiv bevægelsestransducer, der skaber et elektrisk signal, når

kophjulet roterer.

14

Figur 1.6: Transduceren fra Nibe Havn


Valg af transducer

1.6. UDLÆSNING

Vi vælger Nibe Havns eksisterende transducer, da den er bedst egnet, når man sammenholder

vores prioriteringer med de egenskaber transducerne har. Transduceren er i stand til at udføre

den funktion der kræves, på en tilfredsstillende måde, til en mindre pris end med DWC’s

model.

1.6 Udlæsning

Vi vil i dette afsnit undersøge de ting, der knytter sig til displayenheden, herunder valget mellem

digital og analog visning, samt foretage en nærmere undersøgelse af hvilke forskellige

displaytyper der findes. Derudover vil der være en undersøgelse af et displays visibilitet 3 .

1.6.1 Visningstyper

Et digitalt display er en visningstype, som kun kan udlæse et definitivt antal forskellige værdier.

Et analogt display kan udlæse et uendeligt antal værdier i det interval det er konstrueret

til at udlæse i.

Digitale displays er ofte opbygget, så udlæsningen kan foretages i en velkendt notationsform,

som det decimale talsystem, men displays som er bygget til det hexadecimale talsystem,

er også almindelige.

Analoge displays er karakteriseret ved at bestå af en mekanisk viser, som skal aflæses sammen

med en skala. For en bruger er den største forskel, at ved en analog udlæsning afhænger

den aflæste værdi af, hvordan man sammenholder viseren med skalaen, og derefter foretager

notationen i et talsystem i hovedet.

Ved digital udlæsning kan der kun aflæses én værdi, da notationen allerede er gennemført.

Med hensyn til visibilitet er et digitalt display fordelagtigt, fordi det kun er cifrene, der skal

forstørres for at forbedre visibiliteten. På et analogt display skal både skalaen og viseren

gøres større, og præcisionen af aflæsningen er ikke den samme ved alle afstande til instrumentet,

fordi det bliver gradvist sværere at sammenholde viseren og skalaen, når afstanden

stiger.

Ud fra dette vælger vi den digitale udlæsning, da dette er den mest behagelige metode for

brugeren. Der er ganske enkelt ingen tvivl om kongruensen mellem udlæsningen og aflæsningen,

og der skal fra brugerens side ikke foretages nogen sammenholdning af en viser og

en skala, med efterfølgende notation og eventuel afvigelse til følge.

3 Afsnit 1.6.2 på side 16 uddyber begrebet visibilitet

15


1.6.2 Et displays visibilitet

KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE

I dette afsnit vil vi klarlægge, hvilken visibilitet man kan forvente i forhold til den tegnstørrelse

man benytter på displays. Disse informationer er baseret på erfaringerne fra Adaptive

Micro Systems rapport "Understanding Outdoor LED Electronic Signs" [2].

Her beskæftiger man sig med begrebet Legibility Index (LI), og dette er et udtryk for hvor

mange fod væk fra skiltet man kan læse tekst med 1 tommers højde 4 . Adaptive Micro Systems

har i deres rapport konkluderet at det Legibility Index som anbefales af de amerikanske

myndigheder i "The manual of uniform traffic devices" fra 1978 er for optimistisk. De

anbefaler derfor, at man regner med LI=30 i stedet for LI=50. Omregnet til meter per tommer

ligger disse to påstande på hhv. 15.24 m tomme og 9.14 m tomme. Vi vil derfor i dette

projekt bruge tallet 10 m tomme da dette giver os de fornødne forudsætninger for at forudsige

med tilstrækkelig nøjagtighed hvilken afstand det kan forventes at displayet mindst kan

ses fra.

Igennem Farnells katalog [15] har vi fundet information omkring alle de tidligere beskrevne

displaytypers tegnhøjde. Både LCD og VFD er ikke tilgængelige med tegnhøjder over 12.5

mm, og det tillader kun ca. 5 meters visibilitet. En undtagelse er en serie af informationsstandere

fra Starcom Message Displays, af typen VFD der angiveligt kan ses på en afstand

af 26 m, i kraft af en tegnhøjde på 26 mm. Prisen er over 10 000 kr

LED displays af syvsegmenttypen fås i Farnells katalog [15] i størrelser op til 4 tommer,

hvilket så skulle kunne give mindst 40 meters visibilitet. Hertil kommer muligheden for at

konstruere denne type display af enkelte lysdioder, og dermed få endnu større visibilitet eller

større lysstyrke.

1.6.3 Digitale displaytyper

I dette afsnit vil vi undersøge, hvilke digitale displaytyper der findes, for senere at kunne

klarlægge hvilke der bedst egner sig til vores produkt. Formålet er, at vores elektronik designes

ud fra nogle forudsætninger for input, bestemt af transduceren, og nogle forudsætninger

for output, bestemt af den valgte displayenhed.

Light Emitting Diode displays

En Light Emitting Diode 5 konverterer elektrisk energi til lys. Farven på det emitterede lys

der udsendes afhænger af de materialer, lysdioden er fremstillet af.

Fordelene ved dioder er høj driftssikkerhed; en diode har en levetid på mindst 50000 timer,

og i praksis kan man ofte forvente det dobbelte. Amerikanske Adapative Micro Systems

[1] har et diodedisplay, der er over 20 år gammelt, som aldrig har haft en eneste diodefejl.

Lysdioder er også meget effektive, sammenlignet med f.eks. glødelamper.

16

4 1 tomme = 2.54cm, man angiver normalt tegnstørrelser i tommer

5 benævnes ofte i taleform som lysdiode eller LED


1.6. UDLÆSNING

Lysdioder er tilmed meget billige at fremstille, og der findes mange færdige løsninger til at

vise de almindelige tegn. I vores tilfælde er det mest tal, der er interessante, og der findes en

samlet komponent, som består af 8 uafhængige lysdioder, arrangeret så man kan frembringe

alle decimale tal, og derudover kan man aktivere et decimalpunkt med den 8. lysdiode. Dette

kaldes et 7-segment display. Ved at kombinere flere af disse komponenter er man i stand til

på en enkelt måde at fremstille et display, som kan vise større tal på en fornuftig måde. Et

eksempel på et enkelt 7-segment display ses på figur 2.2 på side 25.

Disse displays er så udbredte at der findes en meget stor del af integrerede kredse, der er

beregnet på at drive disse ud fra forskellige input. Dette er i høj grad med til at simplificere

designet af produktet og dermed også mindske muligheden for fejl.

For at kunne se et lysdiodedisplay udendørs om dagen, kræves der en vis lysstyrke af displayet.

En lysdiodes emittering af lys i en given retning betegnes som lysstyrke, og måles

i candela (cd). Et diodedisplay til udendørs brug skal, som tommelfingerregel, have en lysstyrke

på mindst 3000 mcd i følge Pacesetter Communication Systems [23], der er et firma,

som specialiserer sig i udendørs LED displays. Det er kun lysdioder med farvebetegnelsen

HE Red og Amber (rav), der er i stand til at afgive den fornødne lysstyrke, som kræves af

et udendørs display. Disse farver ligger ikke i det mest følsomme område i øjet, men de

materialer, som bruges i en lysdiode, der udsender disse farver, gør dioden mere effektiv.

Amber er den mest synlige, fordi bølgelængden af det lys den udsender, ligger tættest på

den bølgelængde, der bedst opfattes af øjet.

Liquid Crystal Displays

Denne teknologi er udviklet med henblik på at minimere strømforbruget i mobile applikationer.

Det er opnået ved at lave et gennemsigtigt passivt display på en reflekterende baggrund.

For at frembringe tegn, påtrykkes en spænding på forudskabte opdelinger af den gennemsigtige

del, som dermed skifter til ikke længere at være gennemsigtig. Dermed kan den del af

den reflektive baggrund, som ligger under feltet, ikke længere tilbagekaste lyset fra rummet.

Dette gør naturligvis, at displayet ikke kan ses i mørke, da der så ikke vil være noget lys

at tilbagekaste. Dette kan omgås ved at erstatte den reflektive baggrund med en lyskilde.

Dette kaldes backlight. Displaytypen er kostbar og derfor findes den ikke med specielt store

tegnstørrelser. Et typisk display af LCD typen har tegn med en højde på under 1 cm.

Vacuum Fluoroscent Displays

Ligesom med LED teknologien er det selve tegnene, der udsender lyset. Dette gør dem

synlige både nat og dag i modsætning til et LCD display uden backlight. Teknologien minder

meget om lysstofrør, og giver et klart blåt lys. Typen ses meget ofte anvendt i f.eks. CDafspillere

og sodavandsautomater.

Ligesom LCD displays er der tale om en kostbar teknologi, og derfor fås disse typisk heller

ikke i større størrelser.

17


1.6.4 Valg af displaytype

KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE

Det er klart LED teknologien, der egner sig bedst til vores projekt, da det er den displaytype,

der er mest synlig i dagslys. Derudover er den væsentligt billigere end de to andre displaytyper,

samtidig med at det opfylder de krav til visning, der stilles. De egenskaber vi lægger

vægt på, er:

Mulighed for store displays med god visibilitet

Høj driftssikkerhed og lang levetid

Ikke kostbare

God understøttelse fra integrerede kredse

Fleksibilitet gennem stort udvalg og kombinationsmuligheder

God synlighed i dagslys

Vi vælger derfor at vores displayenhed skal udstyres med 7-segment displays baseret på

LED teknologi, enten i form af færdige 7-segment displays, eller konstrueret af almindelige

lysdioder.

1.7 Kravspecifikation

Vi vil nu opsummere de enkeltstående konklusioner i problemanalysen til en samlet specifikation

af de krav og funktioner, som produktet skal opfylde og tilbyde. Dette skal være

en "blackbox" betragtning. Det vil sige, at vi ikke vil gå ind på hvordan det enkelte krav

opfyldes, eller hvordan en funktion rent teknisk tilbydes.

Det overordnede krav til udlæsningsinstrumentet er, at det er i stand til at vise den af vindmåleren

målte vindhastighed til brugeren.

Vi er af den opfattelse, at instrumentet først og fremmest skal være let at anvende for brugeren.

Vi vil derfor lave instrumentet uden brugerbetjening, da det så ikke vil kræve indsigt at

benytte.

Vi mener, det er nødvendigt at lægge stor vægt på driftssikkerheden. Det er ikke muligt

hverken at skabe eller eftervise 100% driftssikkerhed, men det er vores mål at skabe et

produkt, som kan køre mindst 1 år mellem eventuelle driftsforstyrrelser.

Vi kan naturligvis ikke garantere denne driftssikkerhed ved naturkatastrofer som f.eks. orkan,

og vi vil ikke forsøge at sikre instrumentet mod driftsforstyrrelser, som skyldes påvirkninger

af denne voldsomme karakter.

En af de motiverende kræfter bag dette projekt var ønsket om at sejlerne kunne holde sig

ajour med vindhastigheden, og derfor vil det være en fordel at vindmåleren kan ses på god

afstand. Ud fra havnefogedens ønsker om at brugere skal kunne aflæse vindhastigheden uden

18


1.7. KRAVSPECIFIKATION

at komme ind på kontoret, vælger vi at displayenheden skal kunne aflæses fra en afstand på

mindst 10 meter.

En digital udlæsning giver os de bedste muligheder for at opfylde kravet om 10 meters

visibilitet, og for at fremstille et entydigt resultat for brugeren. Herudover vil det også være

LED teknologien, der i forhold til omkostninger egner sig bedst til et udendørs display med

høj visibilitet. Vores krav er derfor, at der benyttes et digitalt LED display.

Installationen skal være så let, at en mand uden teknisk indsigt i apparatets virkemåde vil

være i stand til at installere apparatet, simpelthen ved at tilslutte ledningerne hvor stikkene

passer. Derfor skal apparatet have funktionsspecifikke stik.

Havnefogeden er i forvejen optaget af sine sædvanlige pligter og arbejdsopgaver, og derfor

er det vigtigt, at der ikke forekommer ekstra vedligeholdelse ved udlæsningsinstrumentet.

Vitale dele skal derfor beskyttes mod miljøet på en sådan måde, at man ikke behøver at

rengøre disse dele. Det vil dog ikke kunne undgås at displayenheden skal have rengjort sin

overflade når snavs nedsætter visibiliteten.

Udlæsningsenhed, opløsning og måleområde, er ting som er væsentlige både for designet

af produktet og for brugeren. Gennem vores behovsanalyse har vi fundet, at den typiske

bruger ønsker, at udlæsningsenheden skal være meter per sekund. Derudover har den vist

at opløsningen for udlæsningen skal være mindst 0.5 m s. På baggrund af undersøgelser i

afsnit 1.1 på side 3 har vi besluttet, at det ikke er nødvendigt at måle højere vindhastigheder

end 40 m s.

Som forklaret i afsnittet 1.1 på side 3 vil det være en fordel at kunne fremstille en måling

som et gennemsnit over en vis forgangen periode. Standarden i Danmark er, i følge DMI

[9], at målinger foretages som gennemsnit over en periode på 10 min.

Med hensyn til design er det vigtigt at produktet, ud fra vores egen vurdering, har et attraktivt

design, som ikke virker skæmmende for havnen. Heri ligger, at elektronikken og teknikken

skal gemmes væk, så hovedvægten af indtrykket ligger på udlæsning og ikke den tekniske

løsning der ligger bag. Nøgleordene er således diskret og funktionel.

Af yderligere funktioner har vi mulighed for at tilslutte udlæsningsinstrumentet til en webserver.

Dermed kan brugere undersøge om vindforholdene er passende til en sejltur, før de

forlader deres hjem. Derudover har vi gennem spørgeskemaundersøgelsen erfaret, at der er

en vis interesse for at kunne aflæse vindretning, lufttryk og temperaturer i vand og luft.

Her følger så en listeform af de ovenfor beskrevne krav og specifikationer:

Digital udlæsning på LED display

Tydelig displayenhed - skal kunne ses på 10 meters afstand

Attraktivt design - subjektivt vurderet

Funtionsspecifikke stik

Vitale dele beskyttet mod miljøet

Betjeningsfri

19


Tilslutning for Nibe Havns transducer

Yderligere tilslutninger 6

Høj driftssikkerhed - mindst 1 år mellem driftsforstyrrelser

Udlæsningsenhed i meter per sekund

Opløsning på mindst 0.5 m s

Maksimal måleværdi på 40 m s

Gennemsnitsmålinger over 10 minutter

1.8 Problemformulering

KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE

At havnefogeden i Nibe mangler et udlæsningsinstrument til sin eksisterende transducer til

vindmåling, har givet os indgangsvinklen til emnet for projektet.

I behovsanalysen og den tilhørende spørgeskemaundersøgelse har vi fundet ud af, at det har

stor betydning for sejlere at kende vindhastigheden inden de sejler ud, både af ren interesse,

og også af sikkerhedsmæssige grunde, så sejladsen kan ske under forsvarlige forhold.

Vi har fundet Nibe Havns transducer anvendelig til produktet. I afsnittet om displaytyper

fandt vi ud af, at et LED-display er den mest optimale displaytype.

Arbejdet med problemanalysen har resulteret i følgende spørgsmål, som det senere projektarbejde

skal baseres på:

Hvordan kan vi konstruere et udlæsningsinstrument til Nibe Havns transducer,

baseret på LED-teknologi, som opfylder kravene opstillet i kravspecifikationen?

Da vi i behovsanalysen har fundet ud af, at der er et behov for vindmålere, har vi desuden et

yderligere spørgsmål:

20

Hvilken strategi skal lægges, hvis man vil etablere en virksomhed, der producerer

produktet?

6 Vindretning, luftryk og luft- og vandtemperatur, samt webserver


Kapitel 2

Systembeskrivelse

I dette kapitel vil vi beskrive det overordnede princip for det samlede udlæsningsinstrument

og dettes forbindelse med transduceren. Vi vil dermed for første gang komme nærmere ind

på indholdet af den "blackbox" vi har analyseret i problemanalysen.

Til dette formål har vi udformet et principdiagram, som viser hvilke dele det samlede produkt

består af, og hvordan disse er forbundet med hinanden:

Transducer

Displayenhed

A

Analog signalkæde

Filter

BCD Decoder

&

LED Drivere

f

Digital signalkæde

Buffer

forstærker

Binær til BCD

Tabel

Figur 2.1: Principdiagram for det samlede udlæsningsinstrument

Dette principdiagram ligger til grund for den følgende inddeling i moduler

A/D

Konverter

10110

Gennemsnit

21


2.1 Beskrivelse af moduler

KAPITEL 2. SYSTEMBESKRIVELSE

Vi vil i de efterfølgende underafsnit beskrive de enkelte moduler i principdiagrammet og

deres behandling af signalet. Der vil i disse beskrivelser indgå resultater af beslutninger og

beregninger, som foretages senere i denne rapport, uden at der vil fremgå argumentering

eller beslutningsgrundlag for disse.

2.1.1 Transducer og Filter

Transduceren er ikke en del af det, vi forstår ved et udlæsningsinstrument, men er alligevel

integreret i principdiagrammet for at vise dets forbindelse med resten af signalkæden. Den

givne transducer er blevet underkastet en analyse for at klarlægge, hvilket elektrisk signal

den genererer.

Filteret omfatter den elektronik, der skal bruges i forbindelse med transduceren, for at skabe

et entydigt elektrisk signal, som defineres af vindhastigheden. Med entydigt forstås, at det

skal tilstræbes, at et givet signal fra transduceren til enhver tid kan ækvivaleres med en og

kun en vindhastighed. Er signalet en spænding, accepteres der således ikke en betydende

overlejring af AC, som vil fordreje målinger, der ikke foretages kontinuert i den senere

signalkæde. Dette kan opstå, hvis A/D konverteren ved tilfælde eller rytme foretager alle

samplinger, mens AC-komponenten er i top eller bund. Dette omfatter et eller flere passive

kredsløb der opererer som lavpas filter.

Endvidere skal der foreligge en samlet overføringsfunktion, v¡ UT , som viser sammenhængen

mellem signalværdi for modulets udgang og vindhastighed.

2.1.2 Bufferforstærker

Det anbefales af fabrikanten, at A/D konverterens indgangssignal forsynes fra en buffer,

for at undgå at belaste foranliggende kredsløb. Dette forhindrer, at transduceren skal levere

energi til at oplade track&hold kondensatoren i indgangen på konverteren og dermed belastes.

Med bufferen er der også mulighed for at benytte en spændingsforstærkning, så spændingen

på udgangen tilpasses konverteren. Dermed kan konverterkredsløbet forenkles, da forsyningen

også kan bruges som referencespænding, VREF, uden at opløsningsområdet kun udnyttes

delvist. Derfor skal spændingsforstærkningen, AV, for modulet sættes, så 5 V på udgangen

svarer til en vindhastighed på 40 m s. Til dette benyttes den samlede overføringsfunktion

for transduceren og filteret.

2.1.3 A/D Konverter

I dette modul omsættes det analoge signal fra bufferforstærkeren til en 8 bit binær digital

værdi. Denne konvertering foretages med en frekvens på 1 Hz. Vi har antaget at denne

målefrekvens giver tilstrækkeligt mange målinger til at give et brugbart gennemsnit over 10

22


2.1. BESKRIVELSE AF MODULER

minutter. Antallet af samtidigt eksisterende målinger i et gennemsnit er 1Hz 60sek min

10min¡ 600.

Udgangssignalet nærmer sig den decimale værdi 0, når spændingen på indgangen går mod

0. I den modsatte ende nærmer udgangssignalet sig den decimale værdi 2 8¢ 1¡ 255, når

spændingen på indgangen nærmer sig referencespændingen. Derfor skal indgangssignalet

fra bufferforstærkeren ligge mellem 0 V og referencespændingen, mens vores krav om målinger

op til 40 m s giver os at indgangsspændingen skal være mindre end referencespændingen

når vindhastigheden går mod 40 m s.

Udgangssignalet indeholder foruden de 8 bit et styresignal, som angiver når der er en ny og

gyldig værdi til det efterfølgende modul.

2.1.4 Gennemsnit

Dette moduls opgave er at opsamle og sammenføje de 600 målinger, der foretages over

10 minutter, til én 8 bit binær værdi som udtrykker den gennemsnitlige vindhastighed over

de sidste 10 minutter. For måleserien £ v1¤ v2¤ ¤ v600¥ findes det eksakte gennemsnit ved

følgende formel:

600 1

600 ∑

n¦ 1

vn ¡ v1§ v2§ § v600

600

Forudsætningen, for at dette er korrekt, er at sammenhængen mellem vindhastighed og bitværdi

er lineær i hele måleområdet.

(2.1)

Udgangssignalet fra dette modul er stadig 8 bit, og der er ikke længere behov for et styresignal,

da dette modul til enhver tid skal fastholde den værdi på udgangen, som ønskes vist

på displayenheden. Hvert sekund vil der foretages en ny måling og derfor vil udgangen fra

dette modul også skifte hvert sekund og fastholde det nye gennemsnit i et sekund.

2.1.5 Binær til BCD Tabel

Dette modul indeholder to funktioner, som fysisk set udføres på én gang:

1. Implementerer den samlede overføringsfunktion for transducer og filter

2. Konverterer 8 bit binær værdi til 12 bit binær BCD kode

Implementeringen af overføringsfunktionen finder sted som en del af den process, der omsætter

de 8 bit til 12 bit BCD kode.

BCD kode er en binær repræsentation af tallene fra 0 til 9 i form af 4 binære cifre. 4 binære

cifre er i stand til at antage 16 forskellige værdier, men i BCD kode udnyttes kun de første

23


KAPITEL 2. SYSTEMBESKRIVELSE

10 fra 0000 til 1001. BCD kode benyttes ofte i forbindelse med udlæsning i det decimale talsystem.

Der gælder de normale regler for omregning mellem decimal og binær for decimale

værdier mindre end 10, svarende til binære værdier mindre end 1010.

De førnævnte funktioner udføres lettest samlet med en 12 bit parallel EEPROM 1 på mindst

2 8 12bit

8bit ¡ byte ¡ 384 byte.

En EEPROM er en adresserbar hukommelse, som for et input har et programmerbart output.

Dette output defineres ved at brænde EEPROM’en med en tabel. For at beregne den tabel,

som denne EEPROM skal indeholde, skal man kende koefficienter for den samlede lineære

overføringsfunktion for transduceren og filteret (αT og βT ) samt spændingsforstærkningen

for bufferforstærkeren (AV ) og referencespændingen på AD konverteren (VREF). Disse 4

størrelser vil blive uddybet i kapitel 3, som begynder på side 27.

I det følgende skema ses den generelle form, samt nogle få eksempler. Indholdet af EE-

PROM’en er søjle 3, og søjle 1 kan opfattes som adresse i dennes hukommelse.:

8 bit binært input (vbin) Vindhastighed (v) 12 bit BCD output

0000 0000 < 02.0 0000 0000 0000

0000 0001 01.7 0000 0001 0111

0000 0010 01.9 0000 0001 1001

0000 0011 02.0 0000 0010 0000

.

.

.

1000 1101 22.8 0010 0010 1000

.

.

.

1111 1101 39.7 0011 1001 0111

1111 1110 39.9 0011 1001 1001

1111 1111 40.0 0100 0000 0000

For de fundne værdier for v er der brugt disse data: AV ¡ 1 98¤ VREF ¡ 5000mV¤ αT ¡

65 661¤ βT ¡ ¢ 101 85

For vbin ¢ 00000011 ses en konflikt. I praksis vil dette ikke måles, fordi vores transducer

ikke kan måle under 2 m s, og overføringsfunktionen er derfor ikke gyldig når v ¢ 2m s.

Udlæsningsværdier under 2 m s vil dog kunne opstå som følge af gennemsnitmodulet. Derfor

bør de stadig være repræsenteret i tabellen. Transduceren vil dog for vindhastigheder

under 2 m s altid afgive spændingen 0 V og derfor falde i kategorien v ¢ 2 m s, der i gennemsnitberegninger

opfattes som 0 m s.

v findes ud fra vbin ved hjælp af denne formel:

Hvor det gælder at:

24

v ¡ UT ¢ βT

αT

1 Electrically Erasable Programmable Read Only Memory

£

UT ¡ vbinVREF

255AV

(2.2)


v er den vindhastighed der ønskes udlæst på displayenheden [m s]

UT er den spænding, der kan måles efter filteret [mV ]

vbin er den binære værdi som dannes af AD konverteren

αT og βT er koefficienter i overføringsfunktionen

VREF er AD konverterens referencespænding [mV]

AV er bufferforstærkerens spændingsforstærkning

2.1. BESKRIVELSE AF MODULER

BCD koden dannes ud fra v, som afrundes til at indeholde 1 decimal, og cifferet 0 sættes

ind foran tallet såfremt v ¢ 10. Hermed dannes der i alle tilfælde et 3-cifret tal som ciffervis

konverteres til binært format. Det giver 12 bit information i BCD format, og dette sendes

direkte til næste modul. Eventuelt kan det foranstillede 0 konverteres til den ugyldige BCD

værdi 1111, da dette vil føre til, at det efterfølgende modul slukker helt for dette ciffer.

2.1.6 BCD Dekoder og LED Drivere

Denne enhed består af en BCD til 7 segment dekoder. På denne illustration ses et diagram

for et 7 segment display:

Figur 2.2: Diagram for 7 segment display

Da der skal bruges 7 signaler til hvert ciffer, skal dette modul konvertere en 12 bit kode

til en 21 bit kode. Dette modul skal desuden forsyne dioderne i displayenheden med den

elektriske energi, der skal omsættes til lys.

Til dette formål er der allerede udviklet integrerede løsninger. Betegnelsen for den chip vi

har fundet, der har denne funktion, er 74HC4511 og laves bl.a. af SGS-Thomson Microelectronics

[26], men andre firmaer er i stand til at levere den, da den tilhører den velkendte

74-serie. Denne chip er både i stand til at foretage BCD til 7 segment konverteringen og

direkte drive dioderne i 7 segment displayet, ved at sende forsyningsspændingen videre

gennem en MOSFET 2 . Hver 74HC4511 chip kan drive et 7 segment display, så der skal

bruges 3 chips.

2 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

25


2.1.7 Displayenhed

KAPITEL 2. SYSTEMBESKRIVELSE

Denne består af 3 individuelle 7 segment displays, som hver drives direkte af de 7 styresignaler,

som udgår fra hver 74HC4511 chip i forrige modul. Decimalpunktet på det andet

display skal være tændt hele tiden, og de 2 andre decimalpunkter skal være slukket hele

tiden, så de forbindes fast. Der henvises til afsnit 1.6.3 på side 16 for yderligere information.

2.2 Projektafgrænsning

I henhold til systembeskrivelsen er det samlede udlæsningsinstrument ret omfattende, og det

er baseret på både analog og digital elektronik. Til et P1 projekt vil det være for omfattende

at gå tilstrækkeligt i dybden med hele instrumentet. Vi har valgt kun at koncentrere os om

den analoge del af projektet, da der under P1 netop lægges vægt på analog elektronik. De

moduler, som problemløsningen kommer til at omhandle, er:

1. Filter

2. Bufferforstærker

3. A/D konverter

Vi vil foretage en analyse og design af kredsløbet på de tre moduler, samt foretage en simulering

i dertil egnede computerprogrammer.

Vi har valgt ikke at konstruere et produkt. Dette er ikke et krav til P1 projektet. Kravet om

laboratoriearbejde opfyldes ved at foretage målinger på transduceren og filteret.

Derudover har vi valgt at lave overvejelser om, hvilke strategier der bør vælges, hvis man

vil etablere en virksomhed, der producerer vores produkt.

26


Kapitel 3

Design af elektronik

I det følgende kapitel vil vi i henhold til vores problemformulering og projektafgrænsning

designe og beskrive de elektroniske kredsløb, der er nødvendige for at omsætte vindhastigheden,

målt af transduceren, til et digital signal, der kan bruges af en displayenhed, med

tilhørende drivkredsløb, til at præsentere en visning for en bruger.

3.1 Transducer og filter

For at designe et kredsløb, må vi kende transducerens udgangssignal, og eventuelt tilpasse

det. En visuel undersøgelse af transduceren afslørede ikke nogle kendetegn, som kunne afsløre

hvilken transducertype, der er tale om. Vi betragter derfor transduceren som en "black

box", og foretager en primært kvalitativ analyse af udgangssignalet.

3.1.1 Forsøg med transducer

Vi udfører forsøget, som er beskrevet i appendiks F.

Ud fra resultaterne af dette forsøg kan vi slutte, at der er behov for et filter der dæmper

AC-spændingen og støjen, er nødvendig. Det skal vi designe, hvorefter nye forsøg med det

påkoblede filter skal udføres.

3.1.2 Design af filter

AC-spændingen og støjen er et problem for det videre kredsløb. En AC overlejret DCspænding

vil påvirke målingerne, som beskrevet i systembeskrivelsen i afsnit 2.1.1 på side

22. Derfor vil vi undersøge, hvordan vi kan filtrere støjen og AC-spændingen fra. Dette kan

gøres ved at tilføje et RC-led[17].

Der findes to typer RC-led, et lavpasfilter og et højpasfilter. Et RC-led består af en kondensator

og en modstand. Figur 3.1 forestiller et RC-lavpasfilter. Ved et RC-højpasfilter ville R

27


og C være byttet om.

R

+ +

U IN

KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK

C

U OUT

- -

Figur 3.1: Diagram for RC-led

Et lavpasfilter lader lave frekvenser passere og dæmper høje frekvenser og et højpasfilter

lader høje frekvenser passere og dæmper lave frekvenser.

0

-3

A [dB]

f c

f [Hz]

Figur 3.2: Grafen for et lavpas RC-leds dæmpning

Figur 3.2 beskriver RC-leddets dæmpning i forhold til frekvens. Med stiplede linier er placeringen

af cutoff-frekvensen, fc, markeret. Cutoff-frekvensen er den frekvens, hvor dæmpningen

er 3 dB.

Da frekvensen ved DC er 0 skal vi teoretisk set dæmpe alt over det, og derfor skal vi bruge

et lavpasfilter. På figur 3.2 ses det at RC-leddet også har en vis dæmpning inden fc, og derfor

skal vi have sat fc så langt væk fra 0, at det ikke forstyrrer DC-spændingen, og samtidig så

tæt på at dæmpningen af støjen er tilfredsstillende.

Vi skal nu have fundet fc. Formlen for denne er fundet i [17], og ser således ud:

fc ¡ 1

2πRC

Hvor R er modstanden og C er kondensatorens kapacitet.

(3.1)

Hvis vi kigger på figur F.2 i appendiks F kan vi iagttage periodiske svingninger med en

frekvens på ca. 12 Hz.

Dette vil vi indtil videre bruge som cut-off frekvens, og afprøve hvordan det teoretisk fungerer.

Vi vælger en stor modstand på 100 kΩ modstand, sætter dernæst de fundne tal ind i

28


formlen, og løser den med hensyn til C:


3.1. TRANSDUCER OG FILTER

1 ¡ 132 629nF (3.2)

2π 100kΩ 12Hz

Ved at vælge en stor modstand behøver vi kun en lille kondensator for at få den samme

cutoff-frekvens. Dermed undgår vi at benytte store kondensatorer, som er dyre.

Kondensatorværdien på 132.629 nF er ikke en standardværdi, så vi vælger den nærmeste på

150 nF.

Vi indsætter denne værdi i formel 3.1 og får fc til 10.61 hz. Dernæst undersøger vi om denne

dæmpning vil have nogen indflydelse på DC-signalet. Til dette bruger vi spændingsdelerformlen:

hvor

Uin er indgangsspændingen;

Uout er udgangsspændingen;

Z1 = R

Z2 = 1

2π fC ;

f er frekvensen og

C er kondensatorens kapacitet

Uout ¡ Uin

Z2

Z1§ Z2

(3.3)

Da vi vil undersøge om dæmpningen har nogen indflydelse på DC-signalet sætter vi Uin =

1 V og f = 0.1 hz, da frekvensen ved DC er 0, men da dette vil medføre division med 0,

anvender vi en tilnærmet værdi.

Uout ¡ ¡

100k٧

1V

Z2

0 9907V

Z2

£ ¡ Z2

1

2π 0 1hz 150nF

Forskel på Uin og Uout ved DC er 1 V - 0.9907 V = 9.3 mV

Dette kan omregnes til en dæmpning på:

(3.4)

A¡ 20 log Uin ¡ ¡

Uout

1V

20 log 0 0812dB

0 9907V

(3.5)

A er dæmpning i dB.

Altså ændres DC-signalet forsvindende lidt. Vi behøver ikke indføre ekstra komponenter

for at kompensere for disse ændringer, da denne lille ændring vil afspejles i de målinger, der

foretages når RC-leddet er koblet til transduceren.

29


3.1.3 Forsøg med transducer og RC-led

KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK

Det dimensionerede RC-led konstrueres og monteres på transduceren, og denne opsætning

danner grundlag for forsøg 2. Vi udfører forsøget, som er beskrevet i appendiks G.

Sammenligning af resultater

Ved hjælp af resultaterne fra begge forsøg kan vi nu vurdere om RC-leddet har den forventede

virkning: Først vil vi sammenligne to målinger ved stor vindhastighed(22 m s):

Figur 3.3: Billede fra oscilloskopet ved 22 m/s, forsøg uden RC-led

Figur 3.4: Billede fra oscilloskopet ved 22 m/s, forsøg med RC-led

På billedet uden RC-led, figur 3.3, kan vi tydeligt se dominerende støj med en amplitude på

200 mV, samt regelmæssige spikes. På billedet med RC-led, figur 3.4, er støjen undertrykt så

den ikke bevæger sig mere end ca. 15 mV fra den gennemsnitlige værdi, og de store spikes

30


3.1. TRANSDUCER OG FILTER

er elimineret. Dermed har vi fundet ud af, at RC-leddet ved store hastigheder har virket helt

efter hensigten.

Vi vil nu sammenligne to målinger ved lav hastighed. Læg mærke til at benævnelsen op af

y-aksen er dobbelt så stor på billedet uden RC-led, 200 mV pr. tern, som på billedet med

RC-led, 100 mV pr. tern.

Figur 3.5: Billede fra oscilloskopet ved 5 m s, forsøg uden RC-led

Figur 3.6: Billede fra oscilloskopet ved 5 m s, forsøg med RC-led

På billedet uden RC-led, figur 3.5 kan vi iagttage en amplitude på ca. 30 mV samt regelmæsssige

spikes. På billedet med RC-led, figur 3.6, kan vi iagttage, at støjen ved denne måling

er blevet undertrykt, så vi nu kun har en amplitude på ca. 10 mV. De største spikes er også

blevet elimineret. Vi har dermed fundet ud af, at RC-leddet også ved lave hastigheder har

virket efter hensigten.

Vi kan hermed konkludere at RC-leddet har fungeret som forventet, i og med at transduceren

og filteret afgiver en entydig spænding som defineres af den aktuelle vindhastighed.

31


KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK

Denne spænding er udtrykt i den totale overføringsfunktion for transduceren og filteret:

UT

v¡ ¡ αT v§ βT

3.2 Bufferforstærker

£ αT ¡ 65 661¤ βT ¡ ¢ 101 85 (3.6)

Formålet med dette trin er at fungere som indgangsbuffer for det efterfølgende A/D konvertermodul.

Vi er desuden interesserede i at dette trin indeholder en spændingsforstærkning

således at hele konverteringstrinets opløsningsområde udnyttes. Ved at benytte en forstærker

med fast høj indgangsimpedans og balancerede indgange, opnår vi også at få en høj

undertrykkelse af common mode støj, samt at eventuelle varierende belastninger fra konverteringstrinets

track&hold kredsløb ikke får lov til at påvirke den foranliggende transducer.

Det signal, som skal behandles, består af en DC-spænding, som er proportional med vindhastigheden.

Ud fra overføringsfunktionen v¡ UT , kan vi finde spændingen der modtages ved

vindhastigheden 40 m s:

UT

40¡ ¡ 65 661 mV

m s 40m s¢ 101 85mV ¡ 2525mV (3.7)

Det kan på grund af det foregående moduls opbygning fastslås, at der ikke vil modtages

signaler med en frekvens over 10 Hz. Der vil heller ikke optræde negative spændinger.

På udgangssiden skal der foreligge et signal, som varierer mellem 0 og 5 V , svarende til et

vindhastighedsinterval fra 0 til 40 m s. Det efterfølgende trin vil belaste dette trin med maksimalt

1 µA, som det fremgår af databladet for denne komponent [5]. Dette vil ved 5 V svare

til en ohmsk belastning på 5 MΩ. Belastningen vil endvidere være svagt kapacitiv, idet den

skal op- og aflade en lille kondensator i det track&hold indgangstrin, der eksisterer på A/D

konverterens indgangstrin, hvilket underbygger behovet for dette buffertrin. Track&hold er

uddybet i appendiks E.

3.2.1 Krav til bufferforstærker

Vi er interesserede i at konstruere en DC-forstærker, som ikke belaster foranliggende kredsløb

nævneværdigt. Dermed forstås at der ikke må flyde andre strømme i indgangen end den

uundgåelige lækstrøm på en FET gate.

Udgangsimpedansen skal være så lav, at den maksimale belastningsstrøm på 1 µA ikke skaber

et spændingsfald, som vil påvirke konverteringstrinets præcision.

Spændingsforstærkningen skal omsætte spændingsområdet fra 0 til 2525 mV DC til det

større spændingsområde fra 0 til 5 V på udgangen. Vi vil i den senere dimensionering se

nærmere på dette.

I et DC forstærkertrin er det endvidere af meget høj vigtighed for præcisionen at offset

32


3.2. BUFFERFORSTÆRKER

voltage og drift på denne minimeres til et niveau, hvor den ikke længere har betydning

for præcisionen hverken på kort eller langt sigt. I appendiks D er begrebet offset voltage

beskrevet.

Powersupply og common mode rejection ratio er et udtryk for hvor meget støj på hhv. forsyningsledere

og indgangsledere undertrykkes. Disse benævnes i datablade hhv. PSRR og

CMRR. Det er to værdier, som vi ikke stiller specielt store krav til, da alle operationsforstærkere

vi har undersøgt, har data som i vores frekvensområde ikke vil få indflydelse på

præcisionen. Vi sætter dog vores krav til mindst 80 dB for begge, da dette effektivt vil undertrykke

støj i en sådan grad, at det ikke har betydning for præcisionen, selv i elektrisk

meget støjfulde områder. Derudover vil vi benytte god afkobling af forsyningen for yderligere

at minimere PSRR.

Der er ikke nogen specielle krav til slewrate, da selv de mest langsomme transistortrin og

operationsforstærkeres hastighed langt overstiger enhver koptransducers evne til at skifte

hastighed. Dette skyldes både den kinetiske energi, der er opladet i kopperne, som forhindrer

hurtig deceleration, og den modstand der ydes i lejet, som forhindrer hurtig acceleration.

3.2.2 Valg af operationsforstærker

Vi har valgt at benytte en højt specialiseret operationsforstærker fra Analog Devices, som

benævnes AD8551. Til komponenten er hæftet et datablad [6], som vi i nærværende afsnit

vil referere til gentagne gange. AD8551 er rettet mod markedet for DC præcisionsmåling,

og indeholder en speciel autozero teknologi, som gør den i stand til at opnå exceptionelt

gode data for:

DC-Offset (µV -området)

DC-Offset drift (nV -området)

Power supply rejection ratio (Typ: 130 dB)

Common mode rejection ratio (Typ: 130 dB)

Ulemperne ved teknologien er en begrænset båndbredde og lavere slewrate, samt et biprodukt

af autozerokredsløbets clockfrekvens på udgangen ved 4 kHz samt ved de harmoniske

overtoner. Dette er dog alle ting, der kan ses bort fra i lige præcis vores applikation.

Endvidere er forstærkeren karakteriseret ved at være singlesupply. Dermed kan vi nøjes med

en +5 V spændingsforsyning, i stedet for symmetrisk spændingsforsyning. Hertil kommer

rail-to-rail egenskaben, der gør den i stand til at lade forsyningsspændingen gå igennem til

udgangen. Disse to egenskaber skulle muliggøre en minimering af forsyningskredsløbene.

I indgangen på operationsforstærkeren sidder der en field effect transistor og derfor vil der

kun gå en lækstrøm på 20 pA i indgangen.

AD8551 er designet til at operere i omgivelsestemperaturer mellem -40 C og

+125 C.

33


3.2.3 Kredsløbsanalyse

KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK

Vi vil nu analysere det kredsløb, som vi har valgt at bygge op omkring AD8551 med henblik

på at undersøge om trinet kan overholde de krav, vi stiller til det.

Den valgte kobling

Ved en operationsforstærker regulerer man forstærkningen ved at lave en modkobling. Vi

vil i vores tilfælde anvende den ikke-inverterende kobling, da det forstærkede signal så bibeholder

fortegnet.

+

U IN

-

R S

R G

R M

Figur 3.7: Ikke inverterende kobling med indgangsmodstand

Ud over standardkoblingens modkoblingskomponenter, RG og RM, indgår der en formodstand,

RS, som har til opgave at begrænse DC-offset. Der henvises til appendiks D for en

uddybning af modkobling og DC-offset for den ikke-inverterende kobling.

I formel 3.7 har vi fundet den spænding, som skal forstærkes op til 5 V , og ud fra dette kan

vi beregne spændingsforstærkningen, AV, for trinet:

AV ¡ ¡ 5V

1 980198

2 525V

1 98 (3.8)

Da vi runder ned, sikres det at 40 m s kan nås.

Denne værdi for forstærkningen kan vi gange αT og βT med, og dermed få nogle nye koefficienter,

som danner grundlag for følgende overføringsfunktion:

UF

v¡ ¡ αFv§ βF

+

U OUT

£ αF ¡ 130 009¤ βF ¡ ¢ 201 663 (3.9)

Hvor v er vindhastigheden i m s, og v¡ UF er den forstærkede spænding i mV .

For at opnå den ønskede forstærkning, må vi vælge 2 modstande, som indbyrdes passer

sådan sammen, at de giver den ønskede forstærkning. Forstærkningen udregnes ud fra følgende

udtryk af RG og RM:

34

-


AV ¡ 1§ RM

RG

3.2. BUFFERFORSTÆRKER

(3.10)

Udledningen af denne formel er foretaget i appendiks D. Vi kan herefter vælge en modstand,

som vi vil sætte ind som RG, og vi vælger 100kΩ, da vi forudsiger at det vil give et rundt tal

for RM, og udregner så RM ved hjælp af en omformning af 3.10.

RM ¡ RG AV¢ 1¡ ¡ 100kΩ 1 98¢ 1¡ ¡ 98kΩ (3.11)

Da vi er nødt til at have den faste modstand, må vi enten konstruere os til denne modstandsværdi

ved en seriekobling af 2 15kΩ og én 68kΩ fra E6 rækken. Vi kan også vælge at bruge

et potentiometer, så vi selv kan indstille modstanden. Den sidste løsning vil dog være mindre

heldig i produktionssammenhæng, da det vil tilføje et unødvendigt led i produktionen.

For at mindske DC-offsetfejl, som fordrejer måleresultatet, skal vi indsætte en modstand,

RS, i serie med den ikke-inverterende indgang. Dette er forklaret nærmere i appendiks D.

Følgende formel er udledt i samme appendiks og beregner RS:

47kΩ fra E6 rækken vælges.

Input DC-præcision

RS ¡ RG RM

RG§ RM

100kΩ ¡ ¡ 98kΩ

49 49kΩ (3.12)

98kΩ

100k٧

Af databladet for AD8551 [6] kan vi se, at operationsforstærkeren har en typisk offsetspænding

på 1 µV og et maksimum på 10 µV , hvilket kan give en forskel i vindmålingsresultatet

på maksimalt

VOS

αT

¡

10µV ¡ 152µm s (3.13)

65661µV m s

Denne forskel er så lille, at det ikke har nogen betydning for vindmålingsresultatet.

Offset voltage driften er den faktor, hvormed offset-spændingen ændrer sig i takt med temperaturen.

Denne har en typisk værdi på 5 nV C og en maksimal værdi på 40 nV C,

hvilket svarer til en ændring af vindmåleresultatet på

ΔVOS

αT

ΔT

0 ¡ 040µV

0 ¡ 609µm s

65661µV m s

C (3.14)

Så denne værdi har heller ikke nogen praktisk betydning for vindmåleresultatet.

35


Udgangsegenskaber

KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK

Som tidligere nævnt er AD8551 en rail-to-rail forstærker, hvilket betyder, at den næsten er i

stand til at overføre forsyningsspændingen til udgangen, hvis det er påkrævet. Med næsten

menes der, at der altid vil ligge en lille spænding mellem forsyningsbenet og udgangen.

Denne spænding er en databladsværdi ,VOH og VOL for hhv. den øvre og nedre spænding, og

for AD8551 er disse angivet til maks 10 mV ved en belastning på 100 kΩ. Af figur 6 side 5

i databladet [6] fremgår det af grafen, at hvis belastningen fjernes, vil VOH og VOL gå mod

0.2 mV. Ved konvertertrinets maksimale belastning, 1 µA, kan vi se, at både VOH og VOL vil

ligge på ca. 0.25 mV. Dette kan omsættes til meter per sekund for at klarlægge den egentlige

betydning i vores applikation:

VOH

αT AV

0 ¡ 25mV ¡ 0 0019m s (3.15)

65 661mV m s 1 98

Denne lille afvigelse fra 0 og 5 V betyder, at vi kan udnytte hele konverteringstrinets opløsningsområde,

uden at tage yderligere hensyn til VOH og VOL.

Konvertertrinet trækker højest 1 µA og AD8551 er i stand til at levere 15 mA, så her ses

ingen problemer.

CMRR er af så høj en værdi, at både radiostøj og termisk genereret støj på indgangen vil

blive undertrykt så kraftigt, at det ikke vil kunne påvirke konvertertrinets evne til præcist at

omsætte transducerens DC-signal til en digital værdi. PSRR er på samme høje niveau, og

dette betyder, at man ikke behøver nærafkobling af forsyningen. Omregnes databladsværdien

på 130 dB til en koefficient, kan vi se, at ripple på forsyningsbenene undertrykkes mere

end 3 millioner gange, før det når udgangen:

Uin ripple

Uout ripple

¡ 10 A¡ 20 ¡ 10 130 ¡ 20 ¡ 3162277 (3.16)

CMRR er af samme størrelsesorden, og derfor kan common mode støj betragtes som ikke

eksisterende i forhold til vores udgangssignal.

Frekvensen af signalet har indflydelse på operationsforstærkerens udgangsimpedans, som

det ses af figur 16 på side 6 i databladet [6]. Vi kan endvidere se, at udgangsimpedansen går

mod 0 ved en vilkårlig spændingsforstærkning, mens frekvensen går mod 0 Hz. Allerede

ved 1 kHz kan udgangsimpedansen antages at være 0. Vi kan derfor se bort fra udgangsimpedansen

i vores applikation.

Dynamisk ydelse

Da bufferforstærkeren ikke skal arbejde med AC-spændinger, er data som slewrate og bandwidth

mindre vigtige. For AD8551 er slewrate angivet til 0.4 V µS. Det vil sige, at udgangen kan

gå fra 0 til 5 V på 12.5 µS. Dette er tilstrækkeligt til applikationen.

36


3.2. BUFFERFORSTÆRKER

Gain Bandwidth Product 1 (GBP), er angivet til 1.5 MHz. Derfor kan vi uden nærmere undersøgelser

garantere, at forstærkeren er i stand til at levere en spændingsforstærkning på

1.98 over hele frekvensområdet fra DC til 10 Hz.

Strømforbrug

Den eneste aktive komponent i vores kredsløb er AD8551. Af dennes datablad ser vi på figur

10 på side 6, at ved en forsyningsspænding på 5 V trækker den 725 µA. Ud fra dette kan det

beregnes hvor stor en effekt der afsættes som varme:

P¡ Usupply Isupply ¡ 5V 725µA ¡ 3 625mW (3.17)

Dette kan ses som det samlede strømforbrug for dette delkredsløb.

3.2.4 Komponentvalg

Vi har valgt AD8551 fra Analog Devices, da den er specialiseret til denne applikation. Dette

betyder imidlertid ikke, at den er specielt kostbar. Ved store ordrer koster den under 2$.

Til modkoblingssløjfen skal vi bruge 4 modstande, som bør være af meget høj kvalitet, for

at undgå temperaturdrift. Her vælger vi at benytte 1% metalfilmmodstande, som typisk har

en temperaturkoefficient på under 100 ppm. Dyrere løsninger, som trådviklede modstande,

er ikke nødvendige i denne applikation.

RS er mindre kritisk, og derfor kan der her anvendes f.eks. en 5% kulfilm, eller hvad der i

den givne produktionssituation er billigst.

Analog Devices foreskriver selv, at der ikke er behov for afkobling på AD8551, men for at

undgå problemer i støjfyldte miljøer vælger vi at udstyre den positive forsyning med en 100

nF polyesterkondensator, som effektivt fjerner støj uden at være kostbar.

3.2.5 Simulering

For at kunne undersøge om det designede bufferforstærkerkredsløb opfører sig som forventet,

vil vi udføre en simulering af kredsløbet i programmet CircuitMaker 2000 fra Altium

Limited [4].

Programmet gør det muligt at indprogrammere kredsløbene, der skal simuleres og derefter

foretage virtuelle målinger på udvalgte steder. Vi har valgt at benytte en målemetode, der

hedder DC Sweep. Med denne kan man sætte en spændingskilde til at variere i et interval

med bestemte mellemrum, og derefter påsætte en spændingsmålerprobe et udvalgt sted i

kredsløbet og dermed sammenligne forholdet mellem spændingsgiverens DC værdi og f.eks.

1 produktet af spændingsforstærkning og båndbredde

37


KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK

udgangens DC værdi. Programmet simulerer dette som en række uafhængige målinger ved

DC.

Opsætning

Transducer og Filter

+

UT

-

RS

47k

RG

100k

RM

98k

VDD

5V

U1

AD8551 125R

4pF

Figur 3.8: Bufferforstærkerkredsløb med belastningskredsløb

A/D konverter indgang

3.5pF

1.667V

Som det ses på figur 3.8, har vi indprogrammeret bufferforstærkerkredsløbet og har desuden

tilføjet et belastningskredsløb, som er ækvivalent med A/D konvertermodulets indgang.

Dette ses af databladet for AD7819 [5], figur 5, side 8. Vi har valgt at se bort fra dioderne

i dette kredsløb, da det ikke er muligt for operationsforstærkerne, at afgive en spænding,

som kan forspænde dioderne i lederetningen. De interne komponenter i A/D konverteren er

indsat for at give en realistisk simulering, hvor operationsforstærkeren er belastet på samme

måde, som i vindmåleren. Til operationsforstærkeren benytter vi en model, som er leveret af

Analog Devices [7].

Transduceren og filteret erstatter vi med en DC spændingsforsyning, UT. Det er denne

spændingsforsyning vi sætter til at variere, når vi foretager DC Sweep målingen. Vi er mest

interesserede i at se operationsforstærkerens ydelse i yderpunkterne af dens arbejdsområde,

da det er her, der kan opstå problemer i forbindelse med VOH og VOL. Derfor vil vi lave to

DC Sweep målinger:

1. Måling

2. Måling

Fra 0 mV til 2 mV i 1 µV trin.

Fra 2523 mV til 2525 mV i 1 µV trin.

Proben indsættes på udgangen af operationsforstærkeren, da det er denne der føres videre til

A/D konverteren. Vi refererer til dette punkt med betegnelsen UOUT i det følgende.

38


Resultater

4.000mV

3.500mV

3.000mV

2.500mV

2.000mV

1.500mV

1.000mV

0.500mV

3.2. BUFFERFORSTÆRKER

0.000mV

0.000mV 0.250mV 0.500mV 0.750mV 1.000mV 1.250mV 1.500mV 1.750mV 2.000mV

Figur 3.9: Resultat af første måling. 1. Akse: UT 2. Akse: UOUT

Figur 3.9 viser resultatet af første måling. Vi kan se, at VOL ikke har den ventede virkning,

når udgangsspændingen går mod 0. Grafen viser, at operationsforstærkeren fuldt ud er i

stand til at bevare en konstant AV, mens UOUT går mod 0.

4.9995 V

4.9990 V

4.9985 V

4.9980 V

4.9975 V

4.9970 V

4.9965 V

4.9960 V

4.9955 V

2.52300 V 2.52325 V 2.52350 V 2.52375 V 2.52400 V 2.52425 V 2.52450 V 2.52475 V 2.52500 V

Figur 3.10: Resultat af anden måling. 1. Akse: UT 2. Akse: UOUT

Figur 3.10 viser resultatet af anden måling. Her ser vi en anden situation, hvor operationsforstærkeren

ikke er i stand til at bevare en konstant AV mens UOUT går mod 2525 mV . Ud

fra grafen kan vi se, at VOH er 900 µV , og at dette får en virkning ved UT 2524 8 mV. Det

vil sige, at de sidste 0.2 mV af indgangens arbejdsområde ikke forstærkes ligeså meget som

resten af området. Omregnet til m s, kan vi se, hvilken indflydelse dette har:

Δv ¡ ΔU

αT

¡ 0 2mV

65 661mV m s

3 046mm s (3.18)

Det vil sige, at vindhastigheder større end 39.996954 m s ikke kan gengives på udgangen af

operationsforstærkeren. Dette er ikke noget problem, da A/D konverteren vil afrunde dette

tal til 40 m s alligevel.

På figur 3.10 kan vi desuden se, at grafen ville ramme 4.9995 V, når UT går mod 2525 mV,

hvis ikke VOH havde indvirkning på forstærkningen. Dette viser, at den reelle forstærkning

er 4¡ 9995V

2¡ præcis ¡ 525V 1 98 som dimensioneret.

39


KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK

Ud fra dette kan vi konkludere, at bufferforstærkermodulet i praksis lever op til de krav, vi

har stillet, og i øvrigt kan forudsiges at opføre sig på en så neutral måde, at det ikke vil

påvirke målingernes præcision, i det totale kredsløb det indgår i.

3.3 A/D konverter

For at vælge en A/D konverter, som vil passe til vores kredsløb, må vi først opstille krav, som

den skal kunne opfylde med hensyn til inputsignal, outputsignal og temperaturbelastninger.

3.3.1 Krav til konverteren

Konverteren skal arbejde med et DC-signal, som genereres af transduceren. Konverteren

skal være i stand til at konvertere DC-signalet til et digitalt signal. Vi kan ud fra kravspecifikationen

se, at vi får 81 måleværdier, da den skal være i stand til at måle op til 40 m s med

et interval på 0.5 m s. For at konverteren skal kunne arbejde med 81 måleværdier, skal vi

benytte en 7 bit konverter, som kan udskrive 128 forskellige dataværdier. Vi vælger at bruge

en 8 bit konverter, da det er en standard konverter og dermed billigere end en 7 bit konverter.

Til den senere signalbehandling skal vi bruge et vist antal måleværdier til en senere gennemsnitberegning.

Mange måleværdier vil kræve meget hukommelse af lagringsenheden, derfor

vælger vi, at konverteren skal have en samplingfrekvens på 1 sampling s, da vi mener, det

vil give en brugbar gennemsnitberegning.

Opsamling på kravspecifikation for A/D-konverter

Skal kunne bruges til DC-signal

8 bit output

Sample frekvens på 1 sample s

3.3.2 Valg af konvertertype

I vores produkt vil en A/D konverterkreds blive brugt til at omsætte den analoge værdi, vi

får fra transducerens forstærkerkreds til et digitalt signal, der efterfølgende kan behandles

og videresendes til en digital displayenhed. Vi har valgt at se nærmere på den mest udbredte

udgave til almen brug, nemlig den der kaldes successive approximation A/D konverter, som

vi har beskrevet nærmere i appendiks E.

Successive approximation A/D konverter er den mest anvendte konverter til allround brug.

Denne type konverter betegnes som en både hurtig og præcis konverter. Det vil ikke være

nødvendigt med en hurtig konverter i vores produkt, da vi kun har brug for at foretage en

måling 1 gang per sekund. Derimod er præcision vigtig, da vi ønsker en præcis gengivelse

af vindens hastighed. Vi mener derfor, at denne konvertertype er en passende konverter til

brug i dette modul.

40


3.3.3 Valg af A/D konverter

3.3. A/D KONVERTER

Analog Devices fremstiller blandt andet A/D konvertere. En af deres konvertere, AD7819,

opfylder vores krav.

I følge databladet [5] er AD7819 en integreret 8 bit successive approximation A/D konverter,

der kan arbejde med et inputsignal med en spænding på mellem 0 og 5.5 V. Ligeledes er den

i stand til at arbejde med et DC-signal. Signalet, som genereres af transduceren, er blevet

forstærket af bufferforstærkeren. Vi må derfor stille det krav til denne, at vi ikke får en

spænding på over 5 V, da konverteren vil blive ødelagt ved en spænding større end 5.5 V.

Det giver os en sikkerhedsmargin på 0.5 V.

Konverteren er konstrueret til at bruge en spændingsforsyning på 5 V . Da det ligeledes er

muligt at bruge spændingsforsyningens 5 V til referencespændingen, VREF, vil det simplificere

vores kredsløbsopkobling. VREF er den spænding, som angiver den største gyldige

måleværdi, der accepteres på indgangen.

AD7819 er i stand til at foretage 200000 samplinger s, men vi har tidligere valgt at sætte

samplingraten til 1 sampling s og dette gøres ved at en Timer 1 gang per sekund sender en

impuls ind på CONVST . AD7819 har en automatisk powerdown funktion, som betyder at

konverteren går i standby mellem konverteringerne og det gør det muligt at minimere strømforbruget.

Det betyder at AD7819 har to powermodes som tilpasses efter samplingraten.

Mode 1 bruges ved en samplingrate højere end 100 kSPS 2 . Konverteren foretager ikke et

power-down mellem konverteringerne, da samplingraten er så høj, at forsinkelser i

konverteringen kan medføre fejlkonverteringer.

Mode 2 bruges så ved lavere samplingrates for at mindske strømforbruget mest muligt.

Dette sker ved at CONVST går logisk lav før BUSY, der er et logisk output signal,

der bruges til at indikere at konverteren er i gang med en konvertering. Dette betyder

at konverteren foretager en powerdown. Konverteren startes igen ved at en impuls

sendes ind på CONVST.

Ud fra datasiderne [5] kan vi se, at AD7819 er testet i et temperaturområde mellem -40 C

og +125 C. Det vil sige, at den er i stand til at klare de danske temperaturforandringer.

3.3.4 Kredsløbsopkobling

På kredsløbsdiagrammet i appendiks C ses, at vi har indsat to kondensatorer på hhv. 100 nF

og 10 µF ved spændingsforsyningen, der har til formål at fjerne eventuel støj og kompensere

for momentant større strømforbrug.

Konverterens spændingsforsyning kobles på VDD og er på 5 V .

Det analoge DC-inputsignal, som skal konverteres, sendes ind på VIN. VIN er koblet på bufferforstærkeren

og får en DC-spænding mellem 0 - 5 V.

2 Kilo samples per sekund

41


GND er den analoge og digitale stelforbindelse.

CONVST forbindes til timeren, som styrer samplingraten.

KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK

CS er et inputsignal, der sættes til logisk lav, ved at forbinde den til GND , da vi ikke har

flere chip at vælge mellem.

RD er et inputsignal, der sættes logisk lavt, når konverteren er færdig med en sampling

og man ønsker, at overføre den fundne binære værdi til udgangen. RD skal forbindes til

BUSY da vi så får udlæst den binære værdi, så snart konverteringen er slut. Dette kan ses på

pulsdiagrammet på figur 3.11.

BUSY

RD

CONVST

CS

Figur 3.11: Pulsdiagram for konverteren

BUSY er et outputsignal, der går logisk højt, når konverteren er i gang med en sampling

og derfor ikke klar til at modtage et CONVST signal. BUSY fortæller det efterfølgende

modul, at et nyt gyldigt signal er parat til videre databehandling, når den logisk går lavt. Et

CONVST-signal mens BUSY er logisk høj, vil medføre en fejlkonvertering.

Databenene DB0¢ 7 er de ben, hvor den binære værdi optræder, når RD går lav. Den mindstbetydende

bit, LSB, ligger på DB0, mens den mestbetydende bit, MSB, ligger DB7. DB0¢ 7

forbindes med gennemsnitmodulet.

3.3.5 Timer

Timeren skal generere et signal, CLK, der skal være et firkantsignal med en frekvens på 1

Hz, og en dutycycle 3 på 10%.

Til dette formål vil vi bruge en astabil multivibrator. Det er et kredsløb med en enkelt udgang,

som ikke er stabil i hverken høj eller lav tilstand. Dette vil medføre, at kredsløbet vil

skifte tilstand kontinuerligt. Vi skal opbygge kredsløbet, så tiden, der går mellem tilstandskift,

fører til at signalet lever op til de krav, vi stiller omkring dutycycle og frekvens.

Præcisionen for dette kredsløb er kritisk for hele instrumentet, da senere gennemsnitberegninger

beror på, at målinger udtages med en frekvens på præcis 1 Hz.

Funktionen er lettest tilgængelig ved en specifik opkobling af den integrerede kreds NE555.

Denne kreds tilbydes blandt andre af Fairchild Semiconductor [13].

42

3 Det tidsmæssige forhold mellem høj og lav tilstand på en logisk bølgeform

Lav

T


3.3. A/D KONVERTER

Databladet for NE555 [14] beskriver en astabil multivibratoropkobling af kredsen, men

denne kan kun benyttes, hvis dutycycle ligger over 55%. En velkendt ændring på dette

kredsløb er at tilføje en diode over en af modstandene, og dermed åbne for muligheden

for at have en lavere dutycycle. Hos Williamson Labs [31] har vi fundet formler, hvormed

vi kan beregne komponentværdier til denne opkobling. I appendiks C ses, hvordan kredsen

er opkoblet. De komponenter, der har betydning for frekvens og dutycycle, er RA¤ RB og CC,

og her følger formler til beregninger:

T1 ¡ 2RACC

3

T2 ¡ 2RBCC

3

RA ¡ 3T1

2CC

RB ¡ 3T2

2CC

(3.19)

(3.20)

For hvilket det gælder, at T1 er den periode, hvor kredsen befinder sig i logisk høj tilstand

og T2 er den periode, hvor kredsen befinder sig i logisk lav tilstand. Heraf følger:

Hvor f betegner signalets frekvens.

f ¡ 1

Vi vælger CC til 1 uF, og beregner RA og RB:

Komponentvalg

T1§ T2

RA ¡ ¡ 3T1

2CC

3 0 1S

2 10 6F RB ¡ ¡ 3T2

2CC

3 0 9S

2 10 6F (3.21)

¡ 150kΩ (3.22)

¡ 1350kΩ (3.23)

Af hensyn til præcisionen benytter vi til RA og RB 1% metalfilm modstande som er karakteriserede

ved lav temperaturafhængighed. Til CC benyttes kondensatorer med så høj præcision

som muligt, højest 5% tolerance. Dette kan opnås med f.eks. Vishays 378 serie af polypropylene

kondensatorer.

43


Kapitel 4

Strategiske overvejelser

Dette kapitel beskæftiger sig med strategiske ledelsesmæssige overvejelser i forhold til etablering

af en virksomhed, der producerer og udvikler det designede udlæsningsinstrument.

4.1 Virksomhedens ide og mål

Ideen med virksomheden er, at der bruges tekniske ressourcer til at udvikle et godt produkt,

som opfylder brugernes behov. I vores tilfælde er det et udlæsningsinstrument til en

eksisterende vindmåler.

Virksomheden skal definere nogle mål for, hvorledes ideen skal realiseres. Målene skal

kunne være målbare, så man senere kan se om målene er blevet opfyldt. Vi har defineret

målene for virksomheden således:

Skal give overskud det første år Virksomheden skal give et overskud, der er så stort, at

medejerne tjener penge nok til, at de kan opretholde samme levestandard, som inden

de gik ind i virksomheden. Det vil sige, at der skal være en indtjening på mindst

200 000 kr. pr. medejer det første år.

Vi skal besidde 5 % af det danske marked det første år Med en markedsandel på 5 %

vil virksomheden have gjort sig bemærket på det danske marked, og vil derefter kunne

udbygge sin position yderligere.

Godt arbejdsmiljø Arbejdsmiljøet skal være behageligt og inspirerende, så det er muligt

at opretholde begejstringen for arbejdet. Dette gøres målbart ud fra følgende kriterier:

Hver medarbejder må maksimalt have 5 sygedage om året, og 80 % af de ansatte skal,

i en spørgeskemaundersøgelse, have givet udtryk for, at de er tilfredse med arbejdsmiljøet

på virksomheden.

44


4.2 Selskabsform

4.2. SELSKABSFORM

Det skal være et aktieselskab, hvor de personer, som tager initiativ til at starte virksomheden

op, er både ansatte og aktionærer. Grunden til dette valg af selskabsform er, at aktionærerne

kun hæfter begrænset, og at man undgår dobbeltbeskatning af udbyttet, i modsætning til

et anpartsselskab. Begrænset hæftelse er en klar fordel, hvis virksomheden ikke kan klare

markedsvilkårene, og derfor må lukke. Aktionærerne mister kun deres aktier, men hæfter

derudover ikke personligt.

En ulempe ved aktieselskaber er, at der skal skaffes en aktiekapital på mindst 500 000 kr,

men med 5-6 aktionærer, som tror på ideen, vil det ikke være umuligt. Beslutningsprocessen

kan være besværlig, for selvom der af bestyrelsen er udpeget en direktør, vil større beslutninger

skulle vedtages af bestyrelsen, alt efter hvordan selskabets vedtægter er formuleret.

Aktieselskaber er underlagt kontrol af Selskabsstyrelsen og EU, så der stilles krav, som skal

overholdes, og dette kan indskrænke virksomhedens handlefrihed.

Hvis en aktionær trækker sig tilbage, skal de andre aktionærer købe hans aktier, så aktiekapitalen

hele tiden er på minimum 500 000 kr.

4.3 Nær- og fjernmiljø

Nærmiljø

Kultur

Bank

Lovgivning

Fjernmiljø

Nærmiljø

Leverandører

Carlo Gavazzi

Vetus

Teknologi

Sejlere

Havne

Samfundsøkonomi

Figur 4.1: Virksomhedens nær- og fjernmiljø

En virksomheds nærmiljø er de elementer, hvor virksomheden og elementerne gensidigt

påvirker hinanden. I vores tilfælde vil der være tale om:

45


KAPITEL 4. STRATEGISKE OVERVEJELSER

Kunder Uden kunder tjenes der ikke penge. Kunderne kunne for eksempel være sejlere og

havne rundt om i landet.

Leverandører Uden leverandører kan man ikke levere et produkt, og da virksomheden vil

være kunder hos dens leverandører, opstår der et gensidigt afhængighedsforhold. I

dette tilfælde vil leverandørerne levere komponenter og måske færdige produkter til

videresalg.

Bank Banken er en finansieringskilde, og er nødvendig for at virksomheden kan drives.

Omvendt tjener banken penge på at have virksomheden som kunde.

Konkurrenter Konkurrenterne er en vigtig faktor, virksomheden vil være tæt knyttet til

dem, forstået på den måde, at hvis konkurrenten udvikler et nyt produkt, vil virksomheden

også være nødt til at udvikle sit produkt, da kunderne som regel vil vælge

det nye og forbedrede produkt frem for det ældre. I dette tilfælde kan konkurrenterne

være Vetus, som har leveret havnefogedens transducer og Carlo Gavazzi, som vi besøgte

på ekskursion. Carlo Gavazzi leverer færdige vindmålere. Begge konkurrenter

er allerede veletablerede.

Fjernmiljø

Fjernmiljøet er de elementer, som ikke direkte påvirker virksomheden, men indirekte via de

ændringer, som de fremkalder i nærmiljøet. I vores tilfælde består fjernmiljøet af:

Teknologi Teknologien i samfundet bliver mere og mere avanceret, man bliver nødt til at

følge med, enten ved at udvikle nye produkter, som har flere og mere avancerede

funktioner, eller ved at gøre apparaterne mere simple, så der kan konkurreres på brugervenligheden

i forhold til de mere betjeningstunge apparater.

Samfundsøkonomi Hvis samfundets økonomi er i vækst, vil det være lettere at sælge produktet,

end hvis der er afmatning, da kunders købelyst er meget

mindre, når man har en periode med afmatning.

Kultur Kunder er meget ofte påvirket af trends, som mange gange er styret af kultur. Eksempelvis

er der en del trends, som knytter sig specielt til ungdomskulturen. Specielt

ved modeprodukter er det meget vigtigt at følge trends, for at undgå at produktet

virker utidssvarende. En trend kunne også være, at det bliver moderne at tænke på

sikkerheden, og det ville øge interessen for produktet.

Lovgivning Der kan være lovkrav, produktet skal opfylde for at være lovligt, enten fordi

det kan være farligt for forbrugeren, eller hvis patentregler overtrædes. Derfor må

produktet tilpasses, så det opfylder lovkravene.

4.4 Ansvarsfordeling

Der tages udgangspunkt i, at 5-6 personer får en ide om at starte virksomheden, og det kan

tænkes, at de har forskellige indgangsvinkler til virksomheden grundet forskellige uddannelser

og tidligere arbejdsområder.

46


4.5. SWOT-ANALYSE

Det vil være hensigtsmæssigt med en direktør, som organiserer og koordinerer arbejdet, og

under denne person, vil det være hensigtsmæssigt at dele de ansatte op i små undergrupper,

som tager sig af de forskellige ansvarsområder. Det vil måske være en fordel med mindst

en aktionær i hver undergruppe, så der vil være en person, der styrer undergruppen. Undergrupperne

kunne f.eks. deles op således:

Udvikling Produktet skal udvikles, og her vil det være en fordel med nogle ingeniører, som

i kraft af deres tekniske viden kan varetage denne del og komme med nye ideer til

udvikling, så der kan konkurreres med et stadigt bedre produkt.

Produktion Produktionen er vigtig, men da der er tale om en lille virksomhed, vil produktionen

blive lagt ud til underleverandører, der kan producere komponenter billigere

end den lille virksomhed, da de har det fornødne produktionsapparat. I vores tilfælde

vil denne undergruppes opgave bestå i at udvælge og tage kontakt til underleverandørerne

samt at kontrollere kvaliteten af det leverede. Da dette kræver teknisk viden, vil

det også være en god ide, hvis denne gruppe indeholder ingeniører.

Indkøb Hvis virksomheden selv producerer noget, vil det være nødvendigt med en indkøbsafdeling,

der sørger for at produktionsafdelingen altid har de materialer, som der

er brug for.

Markedsføring/salg Produktet skal sælges, for at der kan tjenes penge, og det vil være

vigtigt med en gruppe, der er blandet af folk med teknisk viden samt folk med viden

omkring markedsføring. Markedsføringsfolkene skal have den fornødne erfaring og

de nødvendige ideer til at få produktet præsenteret. Derudover vil personer med teknisk

baggrund kunne medvirke til at øge produktets troværdighed ved at understøtte

marketingsfolkene med ingeniørernes tekniske viden.

Økonomi/bogholderi For at holde styr på økonomien er det nødvendigt at have en økonomiafdeling,

som tager sig af alle de lovpligtige regnskabsførsler. Det er også nødvendigt

for at kunne holde øje med, om virksomheden giver overskud, eller om man

f.eks. skal holde igen med indkøb i en periode.

Der vil altså være tale om organisation ud fra funktionsprincippet, da vi kun har et produkt,

hvorunder de forskellige grupper er delt op efter deres funktion. Fordelen er en arbejdsdeling,

hvor de ansatte er specialiserede, og tager sig af den opgave, som de er bedst til.

Ulempen er, at de ansatte måske kan have svært ved at se det hele som en helhed, og derfor

kan de forskellige funktioner ikke samarbejde optimalt.

4.5 SWOT-analyse

For at gøre opstarten af virksomheden lettere, har vi valgt at lave en SWOT-analyse, som

kan hjælpe med at vælge en strategi for den videre udvikling af virksomheden.

SWOT-analysemetoden går ud på, at man analyserer virksomhedens interne styrker og svagheder

og de eksterne muligheder og trusler.

47


Interne styrker

KAPITEL 4. STRATEGISKE OVERVEJELSER

Det er et godt produkt, som virker Produktet er udviklet i virksomheden, og det er et produkt,

som kan konkurrere på kvaliteten.

Produktet er udviklet i samarbejde med forbrugeren Via samarbejdet med havnefogeden

i Nibe og spørgeskemaundersøgelsen er produktet udviklet efter forbrugernes behov.

Fleksibilitet Da det kun er en lille virksomhed, kan man let omstille sig til situationen, og

kan så tilbyde meget fleksible løsninger, hvis kunderne ønsker det.

Større service til specifikke forbrugergrupper Der kan ydes større service til specielle

grupper grundet den lille virksomheds fleksibilitet.

Interne svagheder

Mangler kapital Som nystartet virksomhed mangles kapital, det er svært at låne penge til

etablering.

Mangler know-how Det er en svaghed, når man er ny på et marked. Medarbejderne har

viden om elektronik, men kender ikke vindmålermarkedet specielt godt. Specielt i

markedsføringssammenhæng er det svært.

Virksomheden er ikke særlig godt etableret En ny leverandør er ikke kendt hos kunderne,

og når kunderne ikke kender produktet og virksomheden, er det svært at sælge produktet.

Kunderne kender heller ikke kvaliteten af produktet, det kan ikke anbefales af

andre kunder på baggrund af deres manglende erfaringer med produktet.

Afhængighed af andre Det hele er ikke produceret i virksomheden, og det er vigtigt, at der

kan fås transducere, som passer til udlæsningsinstrumentet. Man vil også være afhængig

af transducerproducentens og de andre underleverandørers leveringsdygtighed.

Eksterne muligheder

Der er et behov Vores spørgeskemaundersøgelse har vist, at der er et behov i Danmark. Bl.

a. mener sejlere, at der bør være en vindmåler i alle havne. Derfor er der muligheder

for at afsætte produktet. Hvis der er et behov i Danmark er der også stor sandsynlighed

for, at der er det i andre lande med havne er behov for en vindmåler. Derfor kunne man

ekspandere til andre lande.

Der er allerede kunder Havnefogeden i Nibe er den første kunde, eftersom produktet er

udviklet til ham. Når han får produktet bliver han måske så begejstret, at han anbefaler

det til andre.

Eksterne trusler

Veletableret marked Produktet er ikke banebrydende, og det vil måske være svært at etablere

sig på markedet.

48


4.5. SWOT-ANALYSE

Konkurrenter Netop når produktet ikke er så specielt, vil kunderne nok vælge at købe det

billigste produkt, og dette kan i mange tilfælde være konkurrenterne. Hvis man ender

i en priskrig med konkurrenterne, vil konkurrenterne nok være de stærkeste, da de er

etablerede i forhold til en nystartet virksomhed, som ikke har den store kapital.

4.5.1 SWOT-matrix

For at gøre valget af strategi lettere har vi stillet resultaterne af SWOT-analysen op i en

SWOT-matrix. Strategivalget er skrevet ind i matricen, og valget bliver begrundet senere i

afsnittet.

Interne styrker Interne svagheder

Godt produkt

Udviklet i samarbejde med

forbruger

Fleksibilitet

Større service til specifikke

forbrugergrupper

Mangler kapital

Mangler know-how

Virksomheden er ikke særlig

godt etableret

Afhængige af andre

Eksterne muligheder

Der er et behov maxi-maxi mini-maxi

Der er allerede kunder

Eksterne trusler Konkurrenter

Veletableret marked

4.5.2 Strategivalg

På baggrund af SWOT-matricen har vi valgt at benytte følgende 2 strategier i den nævnte

rækkefølge:

Mini-maxi strategi I starten vil virksomheden benytte denne strategi, da der er nogle svagheder,

som vil gøre virksomheden for sårbar i en konkurrence. Der bør etableres et

samarbejde med et allerede etableret firma, som kender noget til markedet. Samarbejdspartneren

kan så sælge og distribuere produktet. Ulempen er, at man skal passe

på, at det ikke bliver samarbejdspartneren, der er større end den nystartede virksomhed,

som vil forsøge at overtage magten over virksomheden, og måske tvinge den til

at underlægge sig deres krav. Derfor skal der udformes en samarbejdskontrakt, som

tilgodeser begge parters interesser.

Maxi-maxi strategi Når virksomheden senere har fået opbygget en kundekreds og kapital

vil den opsige samarbejdet med partneren, fordi de værste huller så er dækket, og der

kan så arbejdes på de interne styrker.

49


4.6 Sammendrag

KAPITEL 4. STRATEGISKE OVERVEJELSER

I de ovenstående afsnit har vi valgt et aktieselskab som den mest hensigtsmæssige selskabsform

på grund af beskatningsregler og begrænset hæftelse. Der blev også defineret klare

mål, som skal opfyldes. En niveaudelt selskabsform blev valgt for at få en overordnet organisation.

Disse beslutninger, mener vi, vil gøre det muligt at få etableret en bæredygtig virksomhed.

Det skal dog bemærkes, at da markedet for udlæsningsinstrumenter til vindtransducere alene

ikke er særlig stort, vil det ikke være muligt at etablere en virksomhed, der kun udvikler og

producerer udlæsningsinstrumenter.

I SWOT-analysen blev der både defineret styrker og svagheder, og der blev fundet ud af,

hvilke strategier det vil være hensigtsmæssigt at benytte, og hvornår.

Fordelen med SWOT-analysen er, at det er en let og overskuelig måde at vælge strategi på.

Ulempen er, at nogle punkter både kan være en svaghed og en styrke, og det derfor er svært

at sætte punkter ind under svagheder og styrker. Den generelle ulempe ved modeller er, at

de ikke går i dybden med alting, og derfor ikke er fuldstændigt dækkende.

50


Konklusion

I Nibe Havn er der fra havnefogedens side udtrykt et ønske om at kunne yde en ekstra service

til havnens brugere, ved at installere en vindmåler. Vi har derfor udarbejdet en færdig løsningsmodel

til at efterkomme dette ønske. I denne process har vi først foretaget en grundig

problemanalyse, hvor vi har forsøgt at anvende flere metoder til at analysere problemaspekter

forbundet med udviklingen af et færdigt produkt.

I en behovsanalyse har vi ved hjælp af en spørgeskemaundersøgelse påvist, at der er et

reelt behov for en vindmåler. Denne analyse kortlagde de specifikke behov og ønsker, som

brugerne har. På baggrund af dette blev der lavet en produktmatrix, hvor vi prioriterede

produktets forskellige parametre i forhold til hinanden. Dette blev gjort for at bestemme,

hvilke aspekter der skulle tages hensyn til i udviklingen af produktet. Her fandt vi frem til,

at der specielt skulle lægges vægt på produktets pålidelighed og brugervenlighed, men fandt

det også vigtigt at fokusere på at designe et produkt med lave krav til vedligeholdelse.

Da Nibe Havn allerede er i besiddelse af en vindhastighedstransducer, fandt vi det nødvendigt

at analysere denne, for at afgøre, om det er muligt med en implementering sammen

med vores produkt. I denne forbindelse fandt vi det også interessant at se nærmere på andre

transducertyper og sammenligne disse. På trods af flere gode alternativer faldt vores valg

på Nibe Havns transducer, da den efter vores opfattelse var tilfredsstillende til formålet. I

denne afgørelse blev der også taget hensyn til undertemabeskrivelsens krav om hovedvægt

på analog elektronik.

Der er også blevet foretaget undersøgelser og overvejelser angående vind og transducerens

placering, hvor vi fandt ud af, at vi får en acceptabel måling, hvis transduceren er placeret

på taget af havnefogedens kontor.

I afsnittet om displaytyper undersøgte vi de forskellige displaytyper, og fandt et LED-display

bedst egnet til produktet.

Resultater og beslutninger, der er blevet foretaget i problemanalysen, har dannet grundlag

for rapportens næste del; systembeskrivelsen. Her er blevet udarbejdet et principdiagram

for, samt en beskrivelse af, de forskellige moduler, der er nødvendige at implementere i

produktet for at tilfredstille de krav og specifikationer der er angivet i kravspecifikationen.

Systembeskrivelsen har ført til en række tekniske problemer, der bliver behandlet i kapitlet

Design af Elektronik.

RC-filteret er blevet designet for at fjerne støjproblemer, der blev påvist på transducerens

51


. KONKLUSION

signal under analyse af dette. Efter beregninger og design af RC-leddet, konstruerede og

undersøgte vi det i laboratoriet, hvor vi fastslog, at det havde den forventede virkning.

For at undgå en belastning af transduceren fra A/D konverteren, og for at forstærke signalet,

har vi designet en bufferforstærker. For at kunne undersøge om bufferforstærkeren teoretisk

virker efter hensigten, har vi foretaget en computersimulering, hvor vi fandt resultatet

tilfredsstillende.

Vi har undersøgt virkemåden af den mest anvendte allround A/D konverter, og fundet denne

anvendelig i næste led i signalkæden. Et specifikt integreret A/D konverterkredsløb er blevet

valgt og designet.

Vi mener, at det løsningsforslag vi har udviklet, er tilfredsstillende i forhold til vores problemformulering

og projektafgrænsning.

Til slut har vi valgt at lave strategiske overvejelser i forhold til etablering af en virksomhed,

der producerer og udvikler det designede produkt. Vi har fundet at et aktieselskab, hvor

aktionærerne også er ansatte i virksomheden, er at foretrække på grund af økonomiske fordele.

Vi kunne dog konkludere, at det ikke vil være bæredygtigt med en virksomhed, der

kun producerer udlæsningsinstrumenter til vindhastighedstransducere.

52


Litteratur

[1] Adaptive Micro System: http://www.ams-i.com/

[2] Adaptive Micro Systems: Understanding Outdoor LED Electronic Signs Er downloaded

fra http://www.pace-setter.com/docs/understandingoutdoorsigns.pdf - d.

10/12-01. Rapporten er desuden vedlagt på medie.

[3] Svend Albrechtsen: Komma’s bog om søvejsregler, 1. udgave, 1. oplag, 2000, Aschehoug

Dansk Forlag A/S, ISBN 87-11-16236-8

[4] Altium Limited: http://www.circuitmaker.com

[5] Analog Devices: Datablad for AD7819, Er downloadet fra

http://www.analog.com/productSelection/pdf/AD7819_b.pdf - d. 10/12-01.

Databladet er desuden vedlagt på medie.

[6] Analog Devices: Datablad for AD8551, Er downloadet fra

http://www.analog.com/productSelection/pdf/AD8551_2_4_0.pdf - d. 10/12-

01. Databladet er desuden vedlagt på medie.

[7] Analog Devices: SPICE model for AD8551, Er downloadet fra

http://www.analog.com/techSupport/designTools/spiceModels/ad8551.cir - d.

10/12-01. Modellen er desuden vedlagt på medie.

[8] Danish Wind Controller: http://www.dwc-el.dk

[9] Danmarks Meteorologiske Institut: http://www.dmi.dk

[10] Danmarks Meteorologiske Institut - Forskning og Udvikling: http://www.dmi.dk/f+u/

[11] red. Hans Ebert: Elektronik Ståbi, 7. udgave, 1. oplag, 1995, Teknisk Forlag A/S, ISBN

87-571-1481-1

[12] Jan Ebert: Politikens Sejlerbog, 2. udgave, 2. oplag, 1996, Politikens Folag A/S, ISBN

87-567-5394-2

[13] Fairchild Semiconductor: http://www.fairchildsemi.com

[14] Fairchild Semiconductor: Datablad for NE555, Downloaded fra

http://www.fairchildsemi.com/ds/NE/NE555.pdf - d. 10/12-01. Er desuden

vedlagt på medie.

[15] Farnell: Hovedkatalog 2000, Farnell Danmark A/S.

53


LITTERATUR

[16] Steffen H. Hartby: Vindguide - Meteorologi for sejlere, 1. udgave, 1. oplag, 1994, Gyldendalske

Boghandel, ISBN 87-00-16956-0

[17] Ryan Holm: Basis Elektronik, 1. udgave, 4. oplag, 1981, Gyldendalske Boghandel,

ISBN 87-01-23521-4

[18] Erik Hüche & Mogens Probst: Analog Elektronik 1, 2. udgave, 4. oplag, 1985, Teknisk

Forlag A/S, ISBN 87-571-0680-0

[19] Jubii Kort over Nibe havn, Fundet på http://www.jubii.dk Der er klikket på, kort, og

så har vi zoomet ind, indtil vi fandt Nibe Havn. Kortet er Copyright Dansk Vej- og

Adressedatabase.

[20] Brian Lawless: Fundamental Analog Electronics, 1997, Prentice Hall, ISBN 0 13

534298-8

[21] Torben Leinsdorff & Elin Sundgaard: Erhvervsøkonomi - i grundtræk, 4. udgave, 1998,

Handelshøjskolens Forlag, ISBN 87-16-13390-0

[22] Odd Arild Olsen: Instrumenteringsteknikk, Tapir, oplag og ISBN-nr ukendt.

[23] Pacesetter Communication Systems: http://www.pace-setter.com

[24] Karsten Algreen-Petersen: Transducer teknik, Erhvervsskolernes forlag, 1996, ISBN

87-7510-638-8

[25] Marianne Rostgaard: De samfundsmæssige drivræfter bag teknologiudviklingen, intern

note på Aalborg Universitet.

[26] SGS-Thomson: http://www.sgs.co.uk

[27] William D. Stanley: Principles of Electronic Devices, 1995, Prentice Hall, ISBN 0 02

415560-8

[28] E. V. Sørensen m.fl: Elementær Digitalelektronik, 1. udgave 1979, Danmarks tekniske

Højskole, ISBN 87 87245 82-5

[29] Lene Sørensen & Viktor Vidal: strategi og planlægning som læreproces, 1. udgave,

1999, Handelshøjskolens Forlag, ISBN 87-16-13451-6

[30] Vetus den Ouden N. V. http://www.vetus.nl

[31] Williamson Labs: NE555 timer formler, http://www.williamson-labs.com/555tutorial.htm#timing

[32] Vindmølleindustrien: http://www.windpower.dk

[33] Vindmølleindustrien: http://www.windpower.dk/da/tour/wres/shear.htm

[34] Vindmølleindustrien: http://www.windpower.dk/da/tour/wres/turb.htm

[35] Vindmølleindustrien: http://www.windpower.dk/da/tour/wres/obst.htm

54


Appendiks A

Vindtabel

Beaufort Betegnelse Virkning M/s Vindens virkninger på land

0 Stille Blankt vand 0,0-0,2 Røg stiger lige op

1 Næsten stille

2 Svag vind

3 Let vind

4 Jævn vind

5 Frisk vind

6 Hård vind

7 Stiv kuling

8 Hård kuling

9

10

11

12

Stormende

kuling

Storm

(sjælden i

indlandet)

Stærk storm

(meget

sjælden )

Orkan

(overordentlig

sjælden )

Lette krusninger,

evt. blanke partier

Småbølger , der ikke

bryder

Småbølger med

toppe, der

begynder at bryde

uden skum

Mindre bølger med

spredte skumtoppe

Rullende bølger

med markante

skumtoppe

Kraftig sø med

hvide skumtoppe

overalt

Skummet trækkes

ud i bælter, grov sø

Mange og store

brådsøer , skummet

begynder at flyve

Svære brydende

søer , vandet fyger

fra toppene

Havet næsten hvidt

af skum , der også

gennem luften

Voldsomt brydende

sø, luften fyldt med

fygende vand

Havet i vildt oprør ,

luften tyk af vand ,

ophold på dæk

umuligt

0,3-1,5

1,6-3,3

3,4-5,4

5,5-7,9

8,0-10,7

10,8-13,8

13,9-17,1

17,2-20,7

20,8-24,4

24,5-28,4

28,5-32,6

32,7 og

derover

Røgens drift viser netop

vindens retning, vindfløje

påvirkes ikke

Vinden føles i ansigtet; små

blade bevæger sig, vimpel

løftes (i god stand) viser

vindens retning

Blade og små kviste bevæger

sig uafbrudt ; lette flag og

vimpler strækkes

Støv , løs sne og papir løftes ;

kviste og mindre grene

bevæger sig

Små løvtræer begynder at

svaje ; toppede småbølger

viser sig på damme og søer

Store grene bevæger sig ; det

synger i telefonledningerne

Større træer bevæger sig;

trættende at gå imod vinden

Kviste og grene brækkes af

træerne besværligt at gå imod

vinden

Træstammer bevæges stærkt,

store grene knækkes af

træerne; tagsten kan blæse

ned

Træer rives op med rode;

betydelige skader på huse

Talrige ødelæggende

virkninger; for at stå, må man

holde sig fast

Voldsomme ødelæggende

virkninger

Figur A.1: Tabellen er sammensat af 2 kilder [16],[12]

55


Appendiks B

Spørgeskemaundersøgelse

Der blev besvaret 38 spørgeskemaer ved generalforsamlingen i Sejlklubben Limfjorden d.

25. oktober 2001. Denne generalforsamling kom meget belejligt, da vi så kunne undersøge

sejleres behov/meninger vedrørende vindmåling. Vi anser sejlerne i Sejlklubben Limfjorden

for en repræsentativ gruppe, da sejlerne i Nibe og sejlerne fra Sejlklubben Limfjorden begge

interesserer sig for sejlads. Spørgeskemaerne var udarbejdet af gruppe C226, men indholdet

var udformet i samarbejde mellem os og gruppe C226 og C211. (Spørgeskemaet er vedlagt).

Ved uddeling og indsamling af spørgeskemaer var repræsentanter fra vores gruppe C216 og

C226 til stede. Senere blev spørgeskemaerne optalt, og der kom flg. resultater ud af det.

1.1 I hvilken udstrækning anvender du vindhastighedsmålinger?

Antal

12

10

8

6

4

2

0

Lidt Meget -

Vindhastighedsmålinger er meget brugt blandt sejlere, men som det kan ses ud fra grafen,

er der også nogen, som kun bruger det i ringe udstrækning. Dette kan eventuelt skyldes

erfaring, forstået på den måde, at folk med meget erfaring kan se på vandet, om der er for

meget vind til sejlads.

56


1.2 Ville du bruge en vindmåler i en havn?

Antal

35

30

25

20

15

10

5

0

Ja Nej -

Her må der siges at være stor interesse for en vindmåler i en havn, 84% har svaret ja til

spørgsmålet.

Nogle af besvarerne har desuden uddybet deres besvarelser med flg. argumenter:

1. For at tjekke vindhastigheden før afsejling.

2. For at få en bedre måling end i egen båd.

3. For at vurdere sikkerhed.

4. Nysgerrighed

5. Har ingen vindmåler om bord.

1.3 Burde der være én vindmåler i alle havne?

Antal

35

30

25

20

15

10

5

0

Ja Nej -

Også her har 84% svaret ja til spørgsmålet, så der er bred enighed om nødvendigheden af en

vindmåler i alle havne.

57


1.4 Har du selv en vindmåler på din båd?

Antal

30

25

20

15

10

5

0

APPENDIKS B. SPØRGESKEMAUNDERSØGELSE

Ja Nej

63% af de spurgte sejlere har ingen vindmåler i deres egen båd.

2.1 Ville du sejle uden at have undersøgt vindhastighed og retning på forhånd?

Antal

30

25

20

15

10

5

0

Ja Nej -

Ca. 2/3 af sejlerne undersøger vindhastighed og retning inden de forlader havnen.

58


2.2 Hvor vigtig er denne information for sejladsen?

Antal

14

12

10

8

6

4

2

0

Lidt Meget -

Her tænkes på søfartssikkerhed. Størstedelen af alle sejlere finder denne information vigtig.

2.3 Hvor søger du information om vindhastighed?

Antal

16

14

12

10

8

6

4

2

0

DMI

Radio

TV

Havne

Telefon

Vindmåler

Egen vindmåler

Egen fornemmelse

Mulighederne for informationssøgning er mange og flertallet bruger DMI. Det er både gennem

radio/tv og direkte forbindelse til DMI via telefon og Internet.

59


2.4 Hvor stor betydning har vindhastighed for sejlads?

Antal

30

25

20

15

10

5

0

APPENDIKS B. SPØRGESKEMAUNDERSØGELSE

Lidt Meget

3/4 af de adspurgte finder, at vindhastigheden er betydningsfuld for sejlads.

3.1 Vil en vindmåler både skulle oplyse om vindhastighed og vindretning?

Antal

30

25

20

15

10

5

0

Ja Nej -

74% mener, at en vindmåler både bør informere om vindhastighed og retning.

60


3.2 Hvor nøjagtig skal vindhastigheden kunne aflæses?

Antal

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

0,1 m/s 0,5 m/s 1 m/s -

Der er uenighed om hvor vidt nøjagtigheden skal være 0.5 m s eller 1 m s, men dog er der

et lille flertal for en nøjagtighed på 0.5 m s.

3.3 I hvilke enheder vil det være relevant at vise målingerne i?

Antal

40

35

30

25

20

15

10

5

0

m/s km/t knob beaufort

Kun meget få har et ønske om andre udlæsningsenheder end m s, faktisk er der kun en, som

mener, at det ikke vil være relevant med m/s som udlæsningsenhed.

61


APPENDIKS B. SPØRGESKEMAUNDERSØGELSE

3.4 Vil det have relevans, at kunne aflæse andre meteorologiske begreber så som; luftog

vandtemperatur, barometer osv.?

Antal

12

10

8

6

4

2

0

Barometer Vandtemp. Luft Relevant, men ikke

nødvendigt

En del sejlere finder det relevant også at kunne aflæse barometerstand samt luft- og vandtemperatur.

Dog er der mest interesse for visning af barometerstand.

Samlet konklusion

Ud fra dette spørgeskema kan vi konkludere, at vindhastighed spiller en vigtig rolle for

sejlere, men samtidig er det også relevant for flere sejlere at kunne aflæse vindretning og

barometerstand. Der ser også ud til at være brug for en vindmåler i havnen, forstået på

den måde, at sejlerne mener, at der bør være en i alle havne, og de rent faktisk vil bruge

den på trods af, at en del sejlere selv har en vindmåler på deres både. En grund hertil er

bl.a. unøjagtigheden ved de små vindmålere i masten på en båd. Enhedsmæssigt er der bred

enighed om at udlæsningsenheden skal være m s og decimalnøjagtigheden skal enten være

0.5 eller 1 m s.

62


Appendiks C

Samlet eldiagram


Appendiks D

Operationsforstærkere

Betegnelsen operationsforstærker kommer, fordi man i starten brugte dem til at udføre matematiske

operationer i analoge computere. Fordelen ved operationsforstærkere er, at de er

ret enkle at arbejde med, fordi man tilpasser dem til formålet ved at tilslutte udvendige

komponenter som modstande og kondensatorer.

Operationsforstærkere kan både bruges til at forstærke AC- og DC-signaler. De har 2 indgange,

som kaldes den ikke-inverterende og den inverterende indgang. Derudover har de en

udgang, hvor det forstærkede signal kommer ud. Operationsforstærkere kan både bruges til

at forstærke og dæmpe signaler. Hvis signalet forstærkers er forstærkningen større end 1, og

hvis signalet dæmpes er forstærkningen mindre end 1.

Ved ideelle operationsforstærkere (opamps) forstås opamps, hvor forstærkningen AV samt

indgangsmodstanden RIN er uendelige, mens udgangsmodstanden ROUT er 0. Derudover er

båndbredden uendelig og spændingen på de 2 indgange er lige store.

Det skal bemærkes, at ideelle operationsforstærker kun eksisterer i teorien. I praksis er forstærkningen

ikke uendelig, men forstærker typisk max 500-1000 gange. Typisk har operationsforstærkere

også en begrænset båndbredde.

Modkoblingsteori

Der findes forskellige modkoblingstyper for operationsforstærkere. Mest brugt er den inverterende

og den ikke-inverterende kobling. Den inverterende inverterer signalet og forstærker

spændingen, mens den ikke-inverterende kun forstærker spændingen.

Vi vil i det følgende beskæftige os med teorien for den ikke-inverterende kobling, da det er

den, som vi skal bruge i vores produkt.

På grund af den meget store umodkoblede spændingsforstærkning sørger operationsforstærkeren

for at holde spændingen mellem den ikke inverterende indgang og den inverterende

indgang lig med 0 V .

64


+

U IN

-

R S

R G

R M

Figur D.1: Ikke inverterende kobling med indgangsmodstand

+

A

β

+

U OUT

Indgang Udgang

-

Figur D.2: Generel model for modkoblet forstærker

På figur D.2 ses en generel udgave af en forstærkerkobling. A er operationsforstærkerens

forstærkning og β er tilbagekoblingsgraden. Forstærkningen af hele kredsløbet er givet ved:

AV ¡ A

1§ βA

-

(D.1)

Hvor AV er systemets samlede forstærkning, A er den udæmpede forstærkning, og β er

tilbagekoblingsgraden.

Tilbagekoblingsgraden β kan i vores ikke-inverterende kobling på figur D.1 beregnes ved

følgende formel, da modkoblingen består af en spædindingsdeler:

β¡

RG

RM§ RG

(D.2)

For operationsforstærkeren gælder, at A ∞, dvs. at βA ¡ 1, vi kan derfor approximere

formel D.1 og derefter forkorte brøken:

AV

A 1 ¡ ¡ 1§ βA β

RM

RG

(D.3)

65


Offset-fejl

APPENDIKS D. OPERATIONSFORSTÆRKERE

Offset-fejl er en forskydningsfejl, som resulterer i at forstærkningen bliver overlejret med

en DC-spænding. Denne spænding overlejres på indgangen og derfor vil den være AV gange

større på udgangen.

Offset-fejl opstår hvis der er forskel på strømmene til operationsforstærkerens inverterende

og ikke-inverterende indgang, de såkaldte indgangsstrømme. Fejlen opstår også da der er

forskellige tolerancer på operationsforstærkerens interne komponenter. Ved nogle operationsforstærkere

undgås dette ved at lasertrimme de interne komponenter. Dette er en dyr

proces og derfor benytter de fleste operationsforstærkere en teknik hvor man ved hjælp af

et eksternt potentiometer kan indstille DC-balancen og dermed undgå offset. Denne metode

er billig og ikke særligt stabil over lang tids drift. AD8551 [6] benytter en teknik som aktivt

indstiller DC-balancen, og dette afspejles i dens meget gode data på dette område.

For at begrænse operationsforstærkerens DC-offset i den ikke-inverterende kobling, kan man

indsætte en modstand RS i serie med den ikke-inverterende indgang på operationsforstærkeren.

(Se figur D.1). Denne modstand RS skal have en modstand, der er lige så stor som

erstatningsmodstanden for de to parallelkoblede modstande RM og RG, dvs. RS ¡ RM RG,

dvs:

66

RS ¡ RM RG

RM§ RG

(D.4)


Appendiks E

Successive Approximation A/D

konverter

Denne type konvertere hører ind under gruppen feedback analog to digital converters. Det

vil sige, at den bruger en D/A konverter, der er koblet op mod en comparator i et feedbacksystem,

for at approximere værdien af det analoge inputsignal.

Principskema:

Analog Ind

Konverterens funktionsprincip

Track

Hold

D/A konverter 8 bit bus

Digital ud

Comp

digital logisk

enhed

Figur E.1: Principdiagram for A/D succ-aprox konverter

Et analogt signal ligger over indgangen på track&hold enheden. Track&hold enheden er et

system med en analog signalindgang og -udgang, og en digital kontrolindgang. Den digitale

kontrolindgang styrer, om track&hold enheden er i tracking-mode eller hold-mode. Når

enheden er i tracking-mode, vil den analoge udgang have samme værdi som signalet på indgangen.

Når den digitale indgang styrer enheden i hold-mode, vil den "fryse"den analoge

udgangs værdi, til den styres i tracking mode igen. Dette gøres, fordi det er nødvendigt at

67


APPENDIKS E. SUCCESSIVE APPROXIMATION A/D KONVERTER

give konverteren et stabilt indgangssignal i den tid konverteren foretager en konvertering.

Det stabile analoge signal ligger nu over den ikke-inverterende indgang på comparatoren.

Comparatoren er i princippet en operationsforstærker, der bliver brugt uden modkobling,

og som har to output-niveauer: logisk 1 når den inverterende input er mindre end den ikkeinverterende

indgang, og logisk 0 når den inverterende indgang er højere end den ikkeinverterende

indgang. Outputsignalet sendes til indgangen på den digitale logiske enhed.

En digital logisk enhed har til opgave at generere et digitalt binært tal. I en successive approximation

A/D konverter er den logiske enhed programmeret med en algoritme, som gør

at enheden fungerer næsten som en binær tæller. Algoritmen bliver styret af det signal, den

får på indgangen. Den digitale logiske enhed, der ved starten af hver konvertering har alle 8

outputben lig logisk 0, sætter nu det ottende og mest betydningsfulde ben lig logisk 1. Det

giver den binære kode "10000000", der er lig halvdelen af den maksimale værdi en 8-bit

kode kan give. E

Denne binære kode sendes som input til D/A konverteren, der efterfølgende vil give et analog

output, der svarer til halvdelen af den maksimale spænding, referencespændingen. D/A

konvertering er en process, der konverterer værdien af et digitalt signal til et analogt signal,

der har en værdi, der er proportional med den digitale indgangsværdi. Denne udgang bliver

videre koblet til comparatorens inverterende indgang.

Nu vil comparatoren give et logisk 1, hvis inputsignalet fra D/A konverteren er lavere end

inputsignalet fra track&hold enheden og logisk 0, hvis situationen er omvendt. Dette outputsignal

er koblet til den digitale logiske enheds indgang, og hvis signalet er logisk 1, vil den

digitale logiske enhed lade det ottende ben på dens outputsignal blive stående som logisk 1.

Den digitale logiske enhed vil nu sætte ben nummer syv lig logisk 1, sådan at D/A konverteren

får et nyt indgangssignal lig "11000000"og derfor vil øge udgangsspændingen. Comparatoren

vil igen måle, om signalet fra D/A konverteren er højere eller lavere end signalet

fra track&hold enheden. Giver A/D konverteren nu en højere spænding, vil outputsignalet

fra comparatoren blive logisk nul, som resulterer i at den digitale logiske enhed lader ben

nummer syv blive stående lig logisk 0.

Derefter vil den digitale logiske enhed nu sætte ben nummer seks lig logisk 1, sådan at D/A

koverteren får signalet "10100000"og processen bliver gentaget, indtil den har prøvet alle 8

bit-værdier.

Når den digitale logiske enhed så har "vejet"alle bit, har den fuldført en konvertering, og A/D

konverteren giver et binært signal på dens output. Dette er det digitale signal, der repræsenterer

det analoge indgangssignal. Egenskaberne til den digitale logiske enhed bestemmer,

hvilken opløsning outputsignalet får, dvs om det er 8-bit, 16-bit, 32-bit, etc. Denne bitopløsning

fortæller, hvor nøjagtigt niveauet i det digitale signal repræsenterer niveauet i det

analoge indgangssignal. Jo flere bit, desto større nøjagtighed.

Hvis man har en inputspænding, som varierer mellem 0-5 V, VREF, og et 8-bit output, vil

ændringer på kun 19.5 mV på indgangen kunne give udslag i den digitale outputværdi. Dette

sker, fordi et 8-bit digitalt signal har 256 forskellige niveauer, eller tilstande, og derfor kan

68


inddele indgangssignalet op i lige mange dele.

5V

256niveauer

19 5mV ¡

niveau

(E.1)

Tiden, der bliver brugt, kaldes konverteringstiden. Når en konvertering er blevet fuldført, får

track&hold enheden et signal, som sender den i track-mode, og der bliver den, indtil den får

et nyt hold-signal og en ny konvertering kan foretages.

Det binære talsystem

Det digitale 8-bit outputsignal aflæses på 8 mærkede ben, eller bitsignaler. Hvert af disse 8

bitsignaler er en del af den binære kode for digitalsignalets værdi. Disse signaler har kun

to tilstande; enten logisk 1 eller 0. Aflæses disse signaler i rigtig rækkefølge, fra 1 til 8, får

man den binære kode bestående af 8 cifre. F.eks "11001011".

Hvert af disse bit-signaler repræsenterer en talværdi i titalssystemet. Sammenhængen er

som vist i tabellen herunder. Her ser man, at hvert af bitsignalerne repræsenterer forskellige

talværdier, der er afhængige af bitsignalets placering i den binære kode. I den binære kode

"11001011"vil 1-tallet længst til venstre svare til output nr. 8, og 1-tallet længst til højre

svarer til output nr 1.

Output nr. 8 7 6 5 4 3 2 1

Talværdi 128 64 32 16 8 4 2 1

Digitalværdi 1/(0) 1/(0) 1/(0) 1/(0) 1/(0) 1/(0) 1/(0) 1/(0) 255/(0)

For at finde værdien af en binær kode, skal man summere alle talværdier, der hører sammen

med de bitværdier, der logisk viser 1 i den binære kode. Logisk 0 betyder i denne sammenhæng

også talværdien 0. For den binære kode "11001011"får vi talværdien (128+64+0+0+8+0+2+1)=203.

69


Appendiks F

Forsøgsjournal 1

Forsøget foregik på Institut for Energiteknik, Pontoppidanstræde 107, onsdag den 14. november

2001, hvor universitetet har en vindtunnel. Tilstede ved forsøget var Jan og Lars fra

gruppe C216, og repræsentanter fra grupperne C211 og C226. Til tekniske spørgsmål stod

ingeniørassistent Jan Christiansen til rådighed.

Forsøgsformål

Formålet med dette forsøg er, at lave en kvalitativ undersøgelse af udgangssignalet fra transduceren.

Forsøgsbeskrivelse

Apparatur:

1. Vindtunnel, AUC-nr.: Inst. 14, 29809

2. Transducer

3. Oscilloskop, AUC-nr.: TEK-NAT Basis 52329

4. Referencevindmåler, AUC-nr.: Inst. 14, 29259

5. RC-led (R: 100 kΩ, C: 150 nF)

6. Kabler og stativ

7. Diskette

For at klarlægge transducerens signal, må vi simulere en situation hvor transduceren er i

brug. Til dette bruger vi vindtunnelen. Vindtunnelen er en firkantet tunnel, med målene

45X45 cm. Den er tilsluttet en blæser, der sender en laminar luftstrøm gennem tunnelen.

70


Det vil sige at den har en hastighedsprofil, som er jævn over hele tunnelens tværsnit. Transduceren

placeres inde i tunnelen ca. 60 cm fra tunnelens udgang. Ovenover dette punkt, er

der boret et hul i tunnelens øverste sideflade. Herigennem placerede vi et varmtrådsanemometer

1 som referencemåler umiddelbart over transducerens kophjul. Ifølge Jan Christiansen

var varmtrådsanemometeret kalibreret på forhånd. Vindtunnelen kan yde en vindhastighed

på op til 24 m s, og vores målinger ligger i intervallet 0 - 23 m s. Transduceren koblede vi

til et oscilloskop, som kan gemme billeder af displayet som billedfiler på en diskette.

Fremgangsmåde

Figur F.1: Forsøgsopstilling

1. Vi begynder vores måleserie ved en vindhastighed på 2.0 m s, noterer den tilsvarende

spændingsværdi og gemmer et billede af oscilloscopets display.

2. Vi forhøjer vindhastigheden med 0.5 m s, noterer spændingsværdien og gemmer igen

et billede af oscilloskopets display.

3. Punkt 2 gentager vi, indtil vi har nået 10 m s.

4. Herefter foretager vi målingerne med et mellemrum på 1 m s, indtil vindtunnelens

maksimale vindhastighed opnås.

1 varmtrådsanemometeret er tidlige beskrevet i afsnit 1.5.1 på side 13

71


Forsøgsresultater

APPENDIKS F. FORSØGSJOURNAL 1

På de følgende oscilloscopbilleder der er taget ved hhv. 3.5, 6 og 22 m s ses de karakteristiske

træk ved signalet. Ved 3.5 m s ses den overlejrede AC-spænding tydeligt. Ved 5 m s

ses den overlejrede AC-spænding som har en væsentligt højere frekvens end ved 3.5 m s,

samt en del støj. Ved 22 m s har AC-spændingen så høj en frekvens, at de enkelte perioder

ikke længere kan skelnes på oscilloscopbilledet. Til gengæld kan der ses en dominerende

støj med en amplitude på ca. 200 mV.

72

Figur F.2: Oscilloskopbillede ved 3.5 m s

Figur F.3: Oscilloskopbillede ved 10 m s

Figur F.4: Oscilloskopbillede ved 22 m s


Resultatbehandling

Vi observerer, at transduceren ikke producerer et rent DC-signal. På oscilloskopet ser man

tydeligt, at der er en overlejring af en AC-spænding og en del støj. Endvidere kan vi se,

at AC-signalet og støjen forekommer ved enhver vindhastighed, og at det dermed ikke er

enkeltstående tilfælde. Vi har klarlagt hvordan transducerens signal ser ud.

Vi har ved at undersøge forskellige generatortyper fundet frem til, at en tachogenerator udsender

et lignende signal.

Tachogeneratoren er en reaktionshastighedsmåler, og begrebet induktiv bevægelsestransducer

dækker også over denne.

Fejlkilder

Vores referencevindmåler kan være en fejlkilde, men denne er kalibreret inden forsøget, så

det antages at der kan ses bort fra dette.

Konklusion

Vi har gennem den kvalitative analyse fundet ud af, at transduceren afgiver en DC-spænding,

som er overlejret med en AC-spænding og højfrekvent støj. Vi har også klarlagt, at der

virkelig er tale om en induktiv bevægelsestransducer af typen tachogenerator som antydet i

afsnit 1.5.2 på side 13.

73


Appendiks G

Forsøgsjournal 2

Forsøget foregik igen på Institut for Energiteknik, Pontoppidanstræde 107, torsdag den 29.

november 2001. Tilstede ved forsøget var Jan, Thomas, Ragnar og Lars fra gruppe C216.

Til tekniske spørgsmål stod ingeniørassistent Jan Christiansen til rådighed.

Forsøgsformål

Formålet med forsøget er at finde sammenhængen mellem transducerspænding og vindhastighed.

Derudover skal vi gennem målingerne give grundlag for at undersøge om RC-leddet

har haft den forventede virkning.

Forsøgsbeskrivelse

Apparatur:

1. Vindtunnel, AUC-nr.: Inst. 14, 29809

2. Transducer

3. Oscilloskop, AUC-nr.: TEK-NAT Basis 52329

4. Referencevindmåler, AUC-nr.: Inst. 14, 29259

5. RC-led (R: 100 kΩ, C: 150 nF)

6. Kabler og stativ

7. Diskette

Opbygning: Vi monterer transduceren i vindtunnelen efter samme retningslinier som i forsøg

1, dog blev der denne gang foretaget målinger op til 24 m s . På figur G.1 ses hvordan

oscilloskopet er forbundet gennem RC-leddet til transduceren.

74


Referencevindmåler

Vindtunnel

Fremgangsmåde

Transducer

Figur G.1: Forsøgsopstilling

RC led

Oscilloscop

Der henvises til fremgangsmåden for forsøg 1 i appendiks F, da disse er identiske.

Forsøgsresultater

Samtlige billeder fra oscilloscopet kan ses på den vedlagte cd. Vi vil i den videre resultatbehandling

udtage udvalgte billeder og gengive dem i rapporten.

Resultatbehandling

Efter at vi har noteret vores måleværdier i en tabel, tegner vi værdierne ind i et koordinatsystem

og foretager en lineær regression af datapunkterne.

Dette giver os den fuldstændige overføringsfunktion for transduceren:

Fejlkilder

UT

v¡ ¡ αT v§ βT

Der eksisterer de samme fejlkilder som i forsøg 1 i appendiks F.

£ αT ¡ 65 661¤ βT ¡ ¢ 101 85 (G.1)

75


mV

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

Konklusion

APPENDIKS G. FORSØGSJOURNAL 2

0

0 5 10 15 20 25 30

m/s

Figur G.2: Grafisk afbildning af den samlede overføringsfunktion

Vi har gennem forsøget opstillet en samlet overføringsfunktion for transduceren og filteret.

Derudover har vi i kraft af billederne fremstillet den dokumentation der skal bruges til at

sammenligne signalet fra transduceren med og uden RC-led.

76

More magazines by this user
Similar magazines