Projekt
Projekt
Projekt
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Udlæsningsinstrument til<br />
vindhastighedstransducer<br />
Aalborg Universitet<br />
Af C216 - storgruppe 0132<br />
P1-<strong>Projekt</strong>, Efterår 2001
Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet<br />
Aalborg Universitet<br />
Basisuddannelsen<br />
Titel: Udlæsningsinstrument til vindhastighedstransducer<br />
<strong>Projekt</strong>periode:<br />
P1,<br />
8. oktober - 18. december, 2001<br />
<strong>Projekt</strong>gruppe:<br />
0132, C216<br />
Gruppemedlemmer:<br />
Thomas Thorsen<br />
Andreas Popp<br />
Ragnar Herdalur<br />
Jan Stötzel<br />
Eric Jahnsen<br />
Lars Sommer Søndergaard<br />
Michael Pilgaard Nielsen<br />
Hovedvejleder:<br />
Mona Dahms<br />
Bivejleder:<br />
Lone Johansen<br />
Oplag: 16<br />
Sideantal: 78<br />
Bilag:<br />
A - Spørgeskema<br />
CD-ROM vedlagt med:<br />
Datablade for AD8551, AD7819 og<br />
NE555<br />
SPICE model for AD8551<br />
Oscilloskopbilleder fra forsøg<br />
Rapport fra Adaptive Micro Systems:<br />
Understanding LED Outdoor Electronic<br />
Signs<br />
Synopsis:<br />
Denne rapport handler om designet af et udlæsningsinstrument<br />
til Nibe Havns vindhastighedstransducer.<br />
Som hjælp hertil har vi undersøgt<br />
transducerplaceringens betydning for udlæsningens<br />
korrekthed. Desuden har vi lavet<br />
en behovsanalyse med hjælp fra en spørgeskemaundersøgelse<br />
blandt sejlere, der viser et behov<br />
for produktet. Vi har bekræftet, at Nibe<br />
Havns transducer kan anvendes. I afsnittet displaytyper<br />
har vi valgt den bedste displaytype<br />
til formidling af vindhastighed. En produktmatrix<br />
har hjulpet med prioriteringen af forskellige<br />
produktparametre. Dette har resulteret<br />
i forskellige krav til produktet, og derudfra<br />
har vi designet de analoge elementer i udlæsninginstrumentet.<br />
Til sidst har vi stillet forslag<br />
til hvilken strategi man bør benytte, hvis man<br />
vil starte en virksomhed der producerer udlæsningsinstrumenter.
Indhold<br />
Forord IV<br />
Indledning 1<br />
1 Problemanalyse 3<br />
1.1 Vind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3<br />
1.1.1 Vindens opståen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3<br />
1.1.2 Vindhastigheder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4<br />
1.1.3 Lov og forsikring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5<br />
1.1.4 Placering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5<br />
1.2 Behovsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7<br />
1.3 Aktøranalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
1.4 Produktmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10<br />
1.5 Transducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12<br />
1.5.1 Transducertyper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12<br />
1.5.2 Koptransducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13<br />
1.6 Udlæsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />
1.6.1 Visningstyper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />
1.6.2 Et displays visibilitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16<br />
1.6.3 Digitale displaytyper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16<br />
1.6.4 Valg af displaytype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18<br />
1.7 Kravspecifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18<br />
1.8 Problemformulering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20<br />
2 Systembeskrivelse 21<br />
2.1 Beskrivelse af moduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22<br />
2.1.1 Transducer og Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22<br />
2.1.2 Bufferforstærker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22<br />
2.1.3 A/D Konverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22<br />
2.1.4 Gennemsnit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
2.1.5 Binær til BCD Tabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
2.1.6 BCD Dekoder og LED Drivere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25<br />
2.1.7 Displayenhed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
2.2 <strong>Projekt</strong>afgrænsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
3 Design af elektronik 27<br />
3.1 Transducer og filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />
3.1.1 Forsøg med transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />
3.1.2 Design af filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />
II
INDHOLD<br />
3.1.3 Forsøg med transducer og RC-led . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
3.2 Bufferforstærker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32<br />
3.2.1 Krav til bufferforstærker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32<br />
3.2.2 Valg af operationsforstærker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33<br />
3.2.3 Kredsløbsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34<br />
3.2.4 Komponentvalg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37<br />
3.2.5 Simulering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37<br />
3.3 A/D konverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />
3.3.1 Krav til konverteren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />
3.3.2 Valg af konvertertype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />
3.3.3 Valg af A/D konverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41<br />
3.3.4 Kredsløbsopkobling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41<br />
3.3.5 Timer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42<br />
4 Strategiske overvejelser 44<br />
4.1 Virksomhedens ide og mål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44<br />
4.2 Selskabsform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45<br />
4.3 Nær- og fjernmiljø . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45<br />
4.4 Ansvarsfordeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46<br />
4.5 SWOT-analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47<br />
4.5.1 SWOT-matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />
4.5.2 Strategivalg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />
4.6 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50<br />
Konklusion 51<br />
A Vindtabel 55<br />
B Spørgeskemaundersøgelse 56<br />
C Samlet eldiagram 63<br />
D Operationsforstærkere 64<br />
E Successive Approximation A/D konverter 67<br />
F Forsøgsjournal 1 70<br />
G Forsøgsjournal 2 74<br />
III
Forord<br />
Dette P1-projekt er udarbejdet af gruppe C216, tilhørende storgruppe 0132. C216 hører<br />
under Elektronik og elektroteknik ved Aalborg Universitets Teknisk-naturvidenskabelige<br />
Basisuddannelse.<br />
Temaet for denne projektperiode er "Elektriske apparater i hverdagen", som har til formål at<br />
give de studerende en indsigt i grundlæggende analog elektronik. Til valg af projekt havde<br />
vi et projektkatalog med 20 projektforslag, som var udarbejdet af hovedvejlederne.<br />
Rapporten henvender sig hovedsagelig til ingeniører og ingeniørstuderende, men kan læses<br />
af alle, der har interesse for emnet.<br />
Det vil her være på sin plads at takke havnefoged Knud Erik Larsen, som er idémand for<br />
dette projekt. Han afsatte tid til at sætte os ind i baggrunden for projektforslaget, samt hvilke<br />
ønsker og ideer han havde med projektet. Han lånte os sin transducer, hvilket vi har haft meget<br />
glæde af. Vi vil ligeledes takke Danish Wind Controller for et spændende virksomhedsbesøg,<br />
som resulterede i, at vi lånte en transducer, der kunne bruges som alternativ til Nibe<br />
Havns transducer. Vi vil også takke firmaet Carlo Gavazzi for et spændende virksomhedsbesøg.<br />
Vi takker ingeniørassistent Jan Christiansen ved Institut for Energiteknik for teknisk<br />
assistance ved brug af vindtunnelen.<br />
Der findes en udførlig kildeangivelse inden appendiks, der beskriver hvilken kilde, vi har<br />
benyttet. Appendiks og bilag er markeret med et bogstav og findes bagerst i rapporten.<br />
For at gøre klart, hvilke tekniske termer vi har brugt i rapporten, har vi lagt en terminologioversigt<br />
på den vedlagte cd-rom, hvor vi har forklaret de forskellige termer.<br />
IV
<strong>Projekt</strong>et er afleveret tirsdag den 18. december 2001.<br />
Thomas Thorsen Andreas Popp<br />
Ragnar Herdalur Jan Stõtzel<br />
Eric Jahnsen Lars Sommer Søndergaard<br />
Michael Pilgaard Nielsen<br />
V
Indledning<br />
Et kvarters kørsel sydvest for Aalborg ligger byen Nibe ved Limfjorden. I Nibe Havn er<br />
det havnefoged Knud Erik Larsen, som varetager havnens daglige drift. Han mangler et<br />
udlæsningsinstrument til sin eksisterende transducer. Havnefogeden vil gerne have mulighed<br />
for, at han selv og andre kan aflæse vindhastigheden ved hans kontor.<br />
Da gruppe C216 læste om dette problem som projektforslag, syntes alle at det ville være en<br />
spændende udfordring at undersøge sagen nærmere og muligvis sørge for at havnefogden i<br />
Nibe kunne få et udlæsningsinstrument.<br />
Vi forventer at havnefogedens transducer giver et analogt signal. Dette passer godt med de<br />
krav der stilles til det tekniske pensum i P1-projektperioden, hvor der lægges stor vægt på<br />
analog elektronik og derfor har vi baseret projektet på den eksisterende transducer.<br />
Det principielle behov er at kunne aflæse en vindhastighed ved havnefogedens kontor. Vores<br />
opgave er at finde den mest hensigtsmæssige måde at tilfredsstille dette behov på.<br />
Dette fører os til dette initierende problem:<br />
Hvordan kan vindhastigheden målt med den eksisterende transducer bedst gøres<br />
tilgængelig for brugere af Nibe Havn.<br />
1
Aspekter af initierende problem<br />
. INDLEDNING<br />
For at kunne skabe en optimal løsning kræves der, at vi sætter os ind i relevante aspekter<br />
omkring problemstillingen:<br />
2<br />
Forhold omkring vind<br />
Søvejsregler og forsikringsregler på området<br />
Problematik omkring placering af transduceren<br />
Analyse af behovet for en vindmåler<br />
Analyse af aktører<br />
Prioritetsmatrix for produktudvikling<br />
Typer af vindhastighedstransducere<br />
Udlæsningsformer
Kapitel 1<br />
Problemanalyse<br />
Vi vil i dette kapitel foretage en dybere undersøgelse af de aspekter, som ligger i vores<br />
initierende problem, med henblik på at få et forbedret kendskab til den problemstilling vi<br />
skal arbejde videre på i dette projekt.<br />
1.1 Vind<br />
Sejlads kan være farligt, men man kan mindske risici ved at tage tilstrækkelige forholdsregler.<br />
Vind er en af de største farer forbundet med sejlads, og derfor er det nødvendigt som<br />
sejler, at vide noget om vind og at holde sig ajour med vindforholdene.<br />
1.1.1 Vindens opståen<br />
Vind opstår på grund af solens opvarmning af jordkloden. Ækvator er det sted på jorden hvor<br />
solen varmer mest. Varm luft er lettere end kold luft og vil derfor stige op i atmosfæren. Her<br />
vil den fortsætte mod nord- og sydpolen, synke ned og vende tilbage til ækvator igen. På<br />
den nordlige halvkugle opstår en højredrejning af vinden, på grund af corioliskraften, som<br />
opstår som følge af jordens rotation. Omkring den 30. breddegrad forhindrer corioliskraften<br />
luften i at komme længere og luften synker ned igen. Dette skaber et højtryk omkring den<br />
30. breddegrad. Omkring ækvator vil der blive skabt et lavtryk, som tiltrækker luft fra nord<br />
og syd. Sådan skabes de fremherskende vindretninger, der kaldes de geostrofiske vinde som<br />
findes i over 1000 meters højde.<br />
I op til 100 meters højde findes de lokale vinde, som også skabes på grund af solens opvarmning.<br />
Solen opvarmer havet og landjorden om dagen, som derefter afgiver varme til luften<br />
i forskellig grad. Jorden kan ikke optage så meget varme, og luften over land bliver derfor<br />
hurtig varm, hvorimod vand kan indeholde meget varme, og derfor ikke afgiver så meget<br />
varme til luften. Der er nu en forskel i temperaturen mellem land og vand. Den varme luft<br />
over land stiger til vejrs og bevæger sig mod havet. Dette skaber et lavtryk på land, som<br />
tiltrækker den kolde luft fra havet. Dette kaldes en søbrise. Det modsatte sker om natten,<br />
men i mindre grad. Den vind vi normalt bliver udsat for, er summen af de to vinde, den<br />
3
geostrofiske vind og den lokale vind.<br />
På vindmølleindustriens website [32] har vi fundet to nyttige begreber:<br />
Ruhedsklasse<br />
KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE<br />
Et landområdes evne til at yde modstand overfor vinden, betegnes ruhedsklasse. Dette fænomen<br />
kaldes wind shear. Havets ruhedsklasse har på grund af sin meget lave modstand<br />
værdien 0, mens "Landsbyer, mindre byer eller landbrugsområder med mange høje levende<br />
hegn, skov og et meget ru terræn"har værdien 3, og "Store byer med høje bygninger"har<br />
værdien 3.5 [33].<br />
Turbulens<br />
Hvis jordens overflade var dækket af vand, ville vi over hele verden have en jævn vind,<br />
kaldet laminarvind[10]. Denne er defineret som en strøm af luft uden hvirveldannelse, det<br />
vil sige at alle partikler har den samme hastighed over et givet tværsnit. Men da jordens<br />
overflade ikke kun er dækket af vand, får vi også det modsatte af laminarvind; turbulens<br />
[34]. Turbulens opstår, når vinden mødes af fysiske forhindringer, som bakker, træer og<br />
byer. Turbulens er betegnelsen for urolig og hvirvlende vind. Hvis man vil måle vindens<br />
hastighed, er det bedst at finde en placering uden turbulens, eller hæve transduceren over<br />
den forhindring, der skaber turbulensen.<br />
1.1.2 Vindhastigheder<br />
På Danmarks Meteorologiske Instituts, DMI, website [9] er det angivet at den højest målte<br />
middelvindhastighed i Danmark var 41.2 m s, og det højest målte vindstød var 51.4 m s.<br />
Begge målt på Rømø den 3. december 1999.<br />
Tabellen i appendiks A indeholder beskrivelser af de synlig virkninger af vindhastigheder<br />
mellem 0 og 32,7 m s, hvor 0 m s er vindstille og 32,7 m s og derover er orkan. Ud af<br />
tabellen kan vi også se, at orkaner er meget sjældne.<br />
Vindmålinger<br />
På DMI [9] skelnes der mellem to typer vindmålinger:<br />
Middelvinden er af DMI [9] defineret som gennemsnittet af målinger over 10 minutter. Der<br />
refereres til middelvinden, hvis ikke andet bliver nævnt.<br />
Vindstød måles som afvigelser fra middelvinden. Det er i Danmark praksis at opgive vindstød<br />
som de højeste og laveste middelhastigheder i en 3 sekunders periode[9]. Vindstød<br />
svinger meget i hastighed og derfor er det vanskeligt at få brugbare resultater,<br />
hvis man kun foretager en vindstødsmåling.<br />
4
1.1.3 Lov og forsikring<br />
1.1. VIND<br />
Vi har undersøgt søvejsreglerne i bogen Søvejsregler[3], for at finde ud af, om de kan have<br />
indflydelse på produktet. Men vi fandt ingen regler, der forbyder sejlads, ved høje vindhastigheder.<br />
Vi fandt heller ingen regler for offentlige udlæsningsinstrumenter til måling af<br />
vindhastighed.<br />
Dernæst har vi undersøgt en enkelt forsikringspolice, men det eneste den viste var, at policen<br />
gælder sålænge man udviser godt sømandskab. "Godt sømandskab"er ikke defineret nogen<br />
steder, og det er således en subjektiv vurdering.<br />
1.1.4 Placering<br />
På grund af de tidligere beskrevne fænomener, wind shear og turbulens, er det vigtigt at<br />
analysere hvilken placering der vil give den bedste vindmåling.<br />
På figur 1.1 er de tre placeringer vi har valgt at analysere markeret med et kryds.<br />
Figur 1.1: Et oversigtsbillede af Nibe Havn, hvor vi har markeret placeringerne. 1 er ude på vandet, 2 er på<br />
molen og 3 er ved havnefogedens kontor. kilde: [19]<br />
Ude på vandet udenfor havnen<br />
Teoretisk set vil den bedste placering være på en stage ude i fjorden et lille stykke udenfor<br />
havnen, da det er her sejladsen finder sted. Derudover er placeringen midt i et område med<br />
konstant ruhedsklasse. Placeringen giver dog praktiske problemer, f.eks. i forbindelse med<br />
kabeltræk.<br />
5
Inde på molen<br />
KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE<br />
En anden god mulighed ville logisk set være at anbringe transduceren på molen, da det<br />
både er meget tæt på fjorden, og ikke medfører kabeltræk gennem vandet og opsætning af<br />
transducer i fjorden.<br />
Når der er pålandsvind, vil vinden blæse med samme vindhastighed, som ude på vandet,<br />
da vands ruhedsklasse er 0, og der ikke er nogen lægivere til at bremse vinden. Derfor<br />
vil vindmåleren placeret på molen vise en tæt på optimal vindhastighed, sålænge der er<br />
pålandsvind.<br />
Når der er fralandsvind er situationen en helt anden. For nu kommer vinden inde fra land.<br />
Dette betyder at vinden kommer fra et område med en meget højere ruhedsklasse end 0, da<br />
både havnens bygninger, Nibe by, og bakken bag Nibe er forhindringer for vinden. Derfor<br />
vil den vindhastighed som transduceren ude på molen måler, være betydeligt lavere end den<br />
aktuelle vindhastighed på vandet.<br />
Det vil sige, at der er stor forskel på udlæsningen, alt efter om der er pålandsvind eller<br />
fralandsvind. Dette er ikke acceptabelt, da man så ikke kan sammenligne målinger uden at<br />
anføre vindens retning.<br />
På taget af havnefogedens kontor<br />
Placeringen af transduceren på taget af havnefogedens kontor falder naturligt, da udlæsningsinstrumentet<br />
skal placeres ved kontoret. Det turbulente område kan strække sig op til<br />
3 gange bygningens højde [35]. Da havnefogedens kontor er ca. 4 m højt, skal transduceren<br />
op i en højde af 12 m for at få den helt fri af turbulensen.<br />
Når transduceren er placeret her, er der en forholdsvis ensartet ruhedsklasse hele vejen rundt<br />
om transduceren. Måleresultatet afhænger derfor ikke af vindens retning i samme grad som<br />
ved placering 2. Da ruhedsklassen er højere end 0, vil den målte vindhastighed være lavere<br />
end ved placering 1.<br />
Ved denne placering er der færrest praktiske problemer ved installationen, da udlæsningsinstrument<br />
og transducer sidder tæt ved hinanden.<br />
Valg af placering<br />
Placeringen på molen er ikke interessant, da det både er praktisk besværligt og giver en<br />
måleresultat, der afhænger af vindretningen. Valget mellem placeringen i vandet og på taget<br />
er et valg mellem en praktisk let tilgængelig løsning eller en måling der præcist afspejler<br />
vindsituationen, hvor sejladsen finder sted.<br />
Vi mener, at placeringen af transduceren på havnekontorets tag er den mest fornuftige løsning,<br />
hvis vi sammenholder de praktiske problemer med de begrænsede fordele.<br />
6
Valg af måleområde<br />
1.2. BEHOVSANALYSE<br />
Vi har valgt et måleområde på 0 - 40 m s, da der meget sjældent forekommer vindhastigheder<br />
over 32.7 m s. Måleområdet omfatter dermed vindhastigheder, der langt overstiger hvad<br />
der er forsvarligt at foretage sejlads i.<br />
1.2 Behovsanalyse<br />
Det er interessant at klarlægge ønsker for en vindmåler til Nibe Havn, samt fordele og ulemper<br />
forbundet med denne. For at gøre dette har vi haft et møde med havnefogeden, og blandt<br />
sejlerne har vi lavet en spørgeskemaundersøgelse, der er vedlagt som appendiks B.<br />
Havnefogeden i Nibe<br />
Havnefogeden i Nibe mangler et udlæsningsinstrument til sin transducer. Han ønsker, at det<br />
ved hans kontor skal være muligt at kunne få information om vindhastigheden, også selvom<br />
han ikke er til stede. Det må gerne være et display med flydende krystaller, og det skal<br />
være større end sejlklubbens display, da det er meget småt og konstrueret sådan, at man skal<br />
tæt på for at kunne aflæse det. Samtidig skal udlæsningsinstrumentet helst være designet<br />
sådan, at det med hensyn til udseendet optræder som en del af havnekontoret. Havnefogeden<br />
ønsker ligeledes at udlæsningsinstrumentet skal være let at betjene og vedligeholde for<br />
havnefogeden.<br />
Havnefogeden vil få mange fordele ud af instrumentet. Han vil kunne få opfyldt sit ønske om<br />
at informere havnens brugere om den aktuelle vindhastighed, selvom han ikke er til stede.<br />
Hvis instrumentet har tilstrækkelig høj driftssikkerhed, vil det ikke give havnefogeden større<br />
ulemper, end at han skal gøre det rent en gang i mellem.<br />
Sejlere<br />
Spørgeskemaundersøgelsen viser klart lystsejleres behov for en vindmåler. Det ses, at lystsejlere<br />
anvender vindhastighedsmålinger, og faktisk vil 84 % af sejlerne bruge en vindmåler,<br />
hvis den forefindes i havnen. Ligeledes mener 84 % at der bør være en vindmåler i alle<br />
havne. Flertallet af sejlere har ikke selv en vindmåler i deres båd, og 2 3 af dem undersøger<br />
vindhastighed og retning inden de forlader havnen, og denne information søges primært<br />
hos DMI. Samtidig finder størstedelen af sejlerne information om vindhastighed vigtig for<br />
sejladsen. 74 % af de spurgte lystsejlere mener, at en vindmåler skal oplyse både vindhastighed<br />
og retning. Der ønskes m s som udlæsningsenhed og en nøjagtighed på 0.5 m s.<br />
Spørgeskemaundersøgelsen viser, at der er et klart behov for en vindmåler på havnen. Lystsejlerne<br />
vil med vindmåleren kunne få oplysning om den lokale vindhastighed, og dette vil<br />
kunne hjælpe med en bedømmelse af, hvorvidt det er sikkerhedsmæssigt forsvarligt at sejle<br />
ud. Sejlerne vil ikke opleve ulemper ved en vindmåler. En dårlig placering af udlæsningsinstrumentet<br />
kunne resultere i, at sejlerne ikke bruger vindmåleren, da informationen derfor<br />
7
ikke er lettilgængelig.<br />
Andre brugere af havnen<br />
KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE<br />
Da havnen er offentlig tilgængelig, er der også ikke-sejlere der færdes på havnen. De har<br />
ikke et dokumenteret behov for en vindmåler, og derfor er det ikke muligt at analyse deres<br />
behov yderligere.<br />
Sammenfatning<br />
Vi har i ovenstående afsnit dokumenteret, at havnefogeden og sejlerne har behov for en<br />
vindmåler. Havnefogedens behov oprinder af, at han vil betjene havnens brugere så godt<br />
som muligt. Han får ikke store ulemper i forhold til fordelene ved en vindmåler. Sejlerne<br />
har behov for vindmåleren for at kunne holde sig orienteret om vindhastigheden og bruge<br />
denne information til at bedømme, om det er sikkerhedsmæssigt forsvarligt at sejle ud. De<br />
får ikke direkte ulemper af en vindmåler.<br />
1.3 Aktøranalyse<br />
Vi vil i denne analyse anskueliggøre hvilke personer og grupper, der har indflydelse på<br />
udviklingen af produktet. Vi skelner mellem 3 grupper:<br />
Interesseparter: Har interesse i enten selv at benytte produktet eller at andre benytter det.<br />
Aktører: Er med til at udvikle og udforme produktet, samt at tage det i brug. Aktører er<br />
afhængige af det samfund de lever i, og handler ikke uafhængigt af andre.<br />
Sociale bærere af teknologien: Er aktører, som opfylder nogle yderligere krav: De skal<br />
have interesse og tilstrækkelig viden til at vælge og udvikle mindst en af teknologierne<br />
i produktet. Aktørerne skal også have tilstrækkelig social, økonomisk og politisk<br />
magt til både at kunne udvikle og vælge en af teknologierne. De skal have information<br />
om eksistensen af og adgang til teknologien, og have eller tilegne sig viden om<br />
teknologiens anvendelse.<br />
Vi har analyseret forskellige grupper og defineret hvilken af de 3 ovenstående grupper de<br />
tilhører.<br />
Havnefogeden i Nibe<br />
Ved at vise interesse for projektet og udtrykke lyst til at innovere og implementere produktet<br />
til havnen, står det klart at havnefogeden er aktør. Det er han fordi han netop kommer med<br />
potentielle løsningsforslag vedrørende displayet, men samtidig har han ikke tilstrækkelig<br />
8
1.3. AKTØRANALYSE<br />
viden og magt til selv at kunne udvikle produktet, deriblandt at vælge de rette komponenter<br />
og den rette løsningsmodel.<br />
Sejlere<br />
Sejlerne som enkeltpersoner har ingen mulighed for at kunne udvikle vindmålere. De har<br />
interesse i at bruge produktet og falder dermed ind i gruppen interesseparter.<br />
Hvis man analyserer sejlerne som en samlet og organiseret gruppe, f.eks. Dansk Sejlunion<br />
som har til formål at varetage sejlernes interesse, har de bedre muligheder for indflydelse.<br />
De får mulighed for at stille krav til produktet, da de repræsenterer en stor og væsentlig<br />
gruppes meninger. De vil naturligvis også tage produktet i anvendelse, og derfor falder de<br />
ind under aktørgruppen.<br />
Andre brugere af havnen<br />
Andre brugere af havnen er folk, der ikke sejler, men alligevel færdes på havnen. De kan<br />
have interesse i produktet, men er ikke organiserede, og kan heller ikke deltage i udviklingsfasen.<br />
Disse brugere er interesseparter, da de heller ikke får nogen indflydelse på produktet.<br />
Andre producenter<br />
Producenter, der fremstiller det samme produkt som vi udvikler, er også en gruppe, som<br />
vi skal tage hensyn til. En af grundene hertil er patentregler. Det er vigtigt at vide, om<br />
man benytter en teknik eller komponent, som er patenteret, da det kan blive dyrt i form af<br />
kompensation eller tilbagetrækning af produktet. Samtidig kunne andre producenter være<br />
interesserede, hvis vi udviklede en banebrydende teknologi.<br />
Denne gruppe falder ind under gruppen af sociale bærere af teknologien, da de besidder viden<br />
om produktet samtidig med at de har en interesse i produktet, og kender til teknologien.<br />
De har også økonomi til at kunne udvikle og fremstille produktet.<br />
Forsikringsselskaberne<br />
Forsikringsselskaberne har en økonomisk interesse i sejlerne. Sejlerne tegner forsikringer<br />
for at beskytte sig økonomisk, hvis de skader materiel eller personer. Samtidig skal selskaberne<br />
drive en forretning, så de er interesserede i at holde antallet af ulykker på et minimalt<br />
plan. Dette kan bl.a. gøres ved at få sejlerne til at overholde, hvad man kalder "godt sømandskab".<br />
De har ingen direkte indflydelse på produktet, men har interesse i det i kraft af<br />
sejlernes sikkerhedsmæssige fordele af produktet. Derfor falder de ind under interesseparter.<br />
9
KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE<br />
Interesseparter Aktører Sociale bærere<br />
af teknologien<br />
Sejlere som individ<br />
Andre brugere af havnen<br />
Forsikringsselskaber<br />
Sammenfatning<br />
Havnefogeden<br />
Sejlere som gruppe<br />
Andre producenter<br />
Figur 1.2: Skematisk oversigt over gruppe med indflydelse på teknologien.<br />
Som det ses på figur 1.2 er der en del interesseparter, som har gavn af at bruge produktet,<br />
men som ikke har indflydelse på udviklingen. Der er også to aktører, som har indflydelse<br />
på udviklingen. Havnefogeden kommer desuden med konkrete løsningsforslag til produktet.<br />
Andre producenter tilhører gruppen af sociale bærere af teknologien, da de opfylder kravene<br />
hertil. Vi har altså fået gjort klart, hvem der har indflydelse på udviklingen, og dermed hvem<br />
der må tages hensyn til i udviklingen af vores produkt.<br />
1.4 Produktmatrix<br />
Med udgangspunkt i en behovsanalyse, vil vi i denne produktmatrix forsøge at forestille<br />
os produktet i drift, for på den måde at kunne prioritere de forskellige parametre, vi tager<br />
hensyn til i vores produktudvikling.<br />
Produktmatrixen er en del af en brugsundersøgelse. En omfattende og grundig brugsundersøgelse<br />
vil være for tidskrævende til et P1 projekt.<br />
Høj Middel Lav<br />
Funktionalitet X<br />
Brugervenlighed X<br />
Pålidelighed X<br />
Miljø X<br />
Vedligeholdelse X<br />
Sikkerhed X<br />
Design X<br />
Pris X<br />
Funktionalitet beskriver hvor mange funktioner produktet har. Vores produkt vil som udgangspunktet<br />
ikke være af en type, der behøver mange funktioner, da havnefogeden<br />
har efterspurgt et produkt, der udfører den forholdsvis enkle opgave at måle vindhastigheden<br />
og vise den på en udlæsningsenhed. I spørgeskemaundersøgelsen blandt<br />
brugerne er det kommet frem, at en stor del af dem også ønsker at aflæse barometerstand<br />
samt luft- og vandtemperatur. Derudover findes der også en website for Nibe<br />
Havn hvor udlæsningen fra vores produkt kan være til stor nytte. Her må lægges vægt<br />
på, at havnefogeden har efterspurgt produktet netop for at servicere brugerne. Vi bør<br />
derfor prioritere at efterkomme brugernes ønsker, men dog bør dette ikke medføre at<br />
10
1.4. PRODUKTMATRIX<br />
det færdige produkt behøver mere vedligeholdelsesarbejde. Vi bør i disse prioriteringer<br />
også tage hensyn til, at vi har relativt kort tid i projektperioden, og derfor først og<br />
fremmest lægge vægt på havnefogedens ønsker.<br />
Brugervenlighed er et udtryk for hvor godt produktets funktioner servicerer brugerne. Brugervenligheden<br />
prioriteres højest, eftersom produktet er blevet efterspurgt netop for at<br />
kunne yde en service ovenfor brugerne. Eftersom produktets funktioner har til formål<br />
at informere brugerne, er det vigtig at fokusere på udlæsningsenheden; hvis brugerne<br />
har vanskeligt ved at finde informationen, vil brugen af produktet blive reduceret. Her<br />
må lægges vægt på at informationen må kunne ses på afstand såvel i mørke som i<br />
dagslys, siden brugerne kan tænkes at have nytte af informationen på alle tider af<br />
døgnet og ikke nødvendigvis befinder sig i en armlængdes afstand fra produktet. Det<br />
kan tænkes at de opholder sig i deres både. Af samme grund yder produktet bedst<br />
service, hvis brugerne ikke behøver at betjene det for at få den ønskede information<br />
vist.<br />
Pålidelighed er udtryk for hvor lang tid der går mellem driftsforstyrrelser, udtrykt ved<br />
MTBF 1 . I definitionen af pålidelighed ligger der også at produktets funktioner udføres<br />
korrekt. Denne parameter skal sammen med brugervenlighed prioriteres højest,<br />
da produktet skal fremvise information der kan have indflydelse på sejlernes sikkerhedsmæssige<br />
vurderinger. Vindforholdene har stor betydning for dem der færdes på<br />
havet, og det kan tænkes at denne information kan have afgørende betydning f.eks.<br />
ved konkurrencer på søen.<br />
Miljø er udtryk for hvor skånsomt produktet er mod miljøet. De miljømæssige aspekter<br />
nedprioriteres eftersom det ikke kan tænkes at produktet, eller noget af dens indhold,<br />
kan få nogen indflydelse på miljøet i brugssituationen. Dette er derfor den parameter<br />
vi vil lægge mindst vægt på. Dog bør der tages hensyn til at produktet ved destruktion<br />
vil blive sorteret sammen med andet elektronikaffald.<br />
Vedligeholdelse er et udtryk for hvor lidt arbejdskraft der skal bruges til at vedligeholde<br />
produktet. Denne parameter bør prioriteres højt, men dog ikke så meget som brugervenlighed<br />
og pålidelighed. Der bør lægges stor vægt på at produktet, efter at det er sat<br />
i drift, ikke skal være generende for havnens daglige virke. Dette kan bedst gøres ved<br />
at gøre produktet vedligeholdelsesfrit.<br />
Sikkerhed angiver produktets faremomenter ovenfor mennesker, dyr og andre produkter.<br />
Næst efter miljø er dette det mindst prioriterede parameter. Det er fordi vi ikke kan<br />
forestille os nogen faremomenter.<br />
Design er produktets fysiske udformning. Designparametret vil på samme måde som med<br />
vedligeholdelse blive højt prioriteret. Vedrørende designet er der to aspekter der bør<br />
vurderes. Designet må kunne beskytte mod de ydre miljømæssige påvirkninger, da<br />
dele af produktet skal monteres udendørs i et miljø hvor:<br />
der er stor temperaturforskel mellem sommer og vinter.<br />
der er meget salt i luften.<br />
der kan forekomme høj luftfugtighed/regn.<br />
der er nedbør i form af sne, regn og hagl.<br />
1 Mean Time Between Failure<br />
11
der kan forekomme is/frost om vinteren.<br />
det kan blæse kraftigt.<br />
KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE<br />
Videre er det også ønskeligt at integrere produktet på en hensynsfuld og æstetisk måde<br />
i havnen.<br />
Pris er omkostningerne ved at producere et færdigt produkt. Prisen bør ikke være toneangivende<br />
for udformningen af produktet, siden det er efterspurgt specielt af havnefogeden<br />
i Nibe. Havnefogeden er heller ikke kommet med nogen specifikationer angående<br />
produktets pris, og vi bør derfor hellere fokusere på at lave et tilfredstillende produkt<br />
fremfor et billigt produkt.<br />
1.5 Transducere<br />
Til måling og udlæsning af vindhastighed, bruger man et anemometer 2 . Disse apparater kan<br />
variere i form, materialer, opbygning, pris og virkemåde. Fælles for alle disse apparater er,<br />
at de indeholder en elektrisk transducer:<br />
En elektrisk transducer kan omsætte fysisk energiudførelse til en ændring af elektrisk<br />
karakter, eller omvendt.<br />
1.5.1 Transducertyper<br />
I dette afsnit betragtes de 3 mest almindelige transducertyper til måling af vindhastighed.<br />
Ultralydstransduceren , som er fuldt ud digital, bliver regnet for den mest nøjagtige type<br />
vindhastigheds-transducer. Den er baseret på tre ultralydbølgers interferens i vinden.<br />
Den behøver ikke at tage højde for faktorer såsom fugtighed, lufttryk og temperatur.<br />
I forhold til andre typer af transducere, reagerer den med det samme på ændringer<br />
i vindhastigheden. Ydermere har den ingen bevægelige dele, som kan påvirkes af<br />
vinden, eller slides op med tiden. Denne teknologi er meget kostbar.<br />
12<br />
2 Græsk/Nylatin for vindhastighedsmåler<br />
Figur 1.3: Eksempel på en ultralydstransducer
1.5. TRANSDUCERE<br />
Varmtrådstransduceren opererer efter et termisk princip. En strøm gennemløber en tråd<br />
der er placeret i vinden der ønskes målt. Denne strøm vil opvarme tråden til en temperatur<br />
der ligger over omgivelsernes temperatur på grund af den elektriske modstand.<br />
Den forbipasserende vind vil afkøle sensoren. Da trådens temperatur er medbestemmende<br />
for den elektriske modstand, vil strømmen i tråden variere med vindens hastighed.<br />
Ulempen ved denne vindhastighedsmåler er, at den også reagerer på luftfugtighed.<br />
Hvis luftfugtigheden er høj eller det eksempelvis regner, vil der sætte sig vand<br />
på sensoren. Den vil miste varme ved fordampningen af vandet, og målingerne af<br />
vindhastigheden vil derfor blive ukorrekte. Barometriske forhold og luftens temperatur<br />
spiller også en rolle i afkølingen af sensoren. Denne transducertype er derfor kun<br />
brugbar i et miljø, hvor vindhastigheden alene ændres.<br />
Figur 1.4: Eksempel på et varmtrådsanemometer<br />
Koptransduceren er den mest almindelige transducertype. Princippet består i, at et kophjul<br />
bliver sat i bevægelse af vinden, og energien herfra omdannes i selve transduceren,<br />
som kan være opbygget på flere måder. Kophjulets rotationshastighed er proportional<br />
med vindhastigheden. Koptransducerens virkemåde kan derfor inddeles i følgende<br />
faser:<br />
1. Den kinetiske energi i vinden afsættes i kophjulet hvorved det kommer i rotation.<br />
2. Rotationen fortsætter ned i huset, hvor transducerfunktionen finder sted.<br />
Selve transducerfunktionen kan udformes på mange forskellige måder, ved at anvende eksisterende<br />
teknologier til aflæsning af cirkulære bevægelser.<br />
Valg af transducertype<br />
Ultralydstransducere foretager de mest præcise målinger af de transducertyper vi har undersøgt.<br />
Pålideligheden er høj, men alligevel vælger vi ultralydstypen fra, da vi synes den er for<br />
kostbar til applikationen. Da transduceren skal stå udenfor, skal den ikke kunne påvirkes af<br />
fugtighed, lufttryk og temperatur, og derfor kan varmtrådstransduceren ikke bruges. Tilbage<br />
har vi koptransduceren, som efter vores mening, er bedst egnet til formålet.<br />
1.5.2 Koptransducere<br />
Der tages nu udgangspunkt i to koptransducere, hvor selve transducerfunktionen er udført<br />
forskellig.<br />
13
KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE<br />
Den første transducer har vi lånt af Danish Wind Controller [8], DWC. Den anden ejes af<br />
Nibe Havn.<br />
Transduceren fra DWC<br />
Transduceren fra DWC er en ny model, der ifølge DWC er markant bedre end konkurrenters<br />
produkter. Den har en markedspris på ca. 3000 kr.<br />
Figur 1.5: Transduceren fra DWC.<br />
Kophjul og hus er udelukkende af metal. Bladene er monteret på en kappe. Denne har lameller<br />
siddende på indersiden, som sørger for at snavs, eksempelvis sand, ikke kan trænge ind i<br />
huset og forårsage slitage. Transduceren i denne er baseret på, at en eller op til tre sensorer<br />
kan tilkobles uafhængigt af hinanden. At have tre sensorer tilkoblet gør pålideligheden høj.<br />
Man får tre uafhængige målinger til beregning af en gennemsnitlig vindhastighed. Hvis én<br />
sensor går i stykker, har man stadig to sensorer til at foretage målingerne. Dermed undgås<br />
driftforstyrelser medmindre alle sensorer fejler mellem serviceftersyn.<br />
Transduceren fra Nibe Havn<br />
Den anden transducer har været i brug af havnefogeden i Nibe i mange år. Det er en udgået<br />
hollandsk model produceret af firmaet Vetus [30]. Selve transducerfunktionen foretages<br />
sandsynligvis af en en induktiv bevægelsestransducer, der skaber et elektrisk signal, når<br />
kophjulet roterer.<br />
14<br />
Figur 1.6: Transduceren fra Nibe Havn
Valg af transducer<br />
1.6. UDLÆSNING<br />
Vi vælger Nibe Havns eksisterende transducer, da den er bedst egnet, når man sammenholder<br />
vores prioriteringer med de egenskaber transducerne har. Transduceren er i stand til at udføre<br />
den funktion der kræves, på en tilfredsstillende måde, til en mindre pris end med DWC’s<br />
model.<br />
1.6 Udlæsning<br />
Vi vil i dette afsnit undersøge de ting, der knytter sig til displayenheden, herunder valget mellem<br />
digital og analog visning, samt foretage en nærmere undersøgelse af hvilke forskellige<br />
displaytyper der findes. Derudover vil der være en undersøgelse af et displays visibilitet 3 .<br />
1.6.1 Visningstyper<br />
Et digitalt display er en visningstype, som kun kan udlæse et definitivt antal forskellige værdier.<br />
Et analogt display kan udlæse et uendeligt antal værdier i det interval det er konstrueret<br />
til at udlæse i.<br />
Digitale displays er ofte opbygget, så udlæsningen kan foretages i en velkendt notationsform,<br />
som det decimale talsystem, men displays som er bygget til det hexadecimale talsystem,<br />
er også almindelige.<br />
Analoge displays er karakteriseret ved at bestå af en mekanisk viser, som skal aflæses sammen<br />
med en skala. For en bruger er den største forskel, at ved en analog udlæsning afhænger<br />
den aflæste værdi af, hvordan man sammenholder viseren med skalaen, og derefter foretager<br />
notationen i et talsystem i hovedet.<br />
Ved digital udlæsning kan der kun aflæses én værdi, da notationen allerede er gennemført.<br />
Med hensyn til visibilitet er et digitalt display fordelagtigt, fordi det kun er cifrene, der skal<br />
forstørres for at forbedre visibiliteten. På et analogt display skal både skalaen og viseren<br />
gøres større, og præcisionen af aflæsningen er ikke den samme ved alle afstande til instrumentet,<br />
fordi det bliver gradvist sværere at sammenholde viseren og skalaen, når afstanden<br />
stiger.<br />
Ud fra dette vælger vi den digitale udlæsning, da dette er den mest behagelige metode for<br />
brugeren. Der er ganske enkelt ingen tvivl om kongruensen mellem udlæsningen og aflæsningen,<br />
og der skal fra brugerens side ikke foretages nogen sammenholdning af en viser og<br />
en skala, med efterfølgende notation og eventuel afvigelse til følge.<br />
3 Afsnit 1.6.2 på side 16 uddyber begrebet visibilitet<br />
15
1.6.2 Et displays visibilitet<br />
KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE<br />
I dette afsnit vil vi klarlægge, hvilken visibilitet man kan forvente i forhold til den tegnstørrelse<br />
man benytter på displays. Disse informationer er baseret på erfaringerne fra Adaptive<br />
Micro Systems rapport "Understanding Outdoor LED Electronic Signs" [2].<br />
Her beskæftiger man sig med begrebet Legibility Index (LI), og dette er et udtryk for hvor<br />
mange fod væk fra skiltet man kan læse tekst med 1 tommers højde 4 . Adaptive Micro Systems<br />
har i deres rapport konkluderet at det Legibility Index som anbefales af de amerikanske<br />
myndigheder i "The manual of uniform traffic devices" fra 1978 er for optimistisk. De<br />
anbefaler derfor, at man regner med LI=30 i stedet for LI=50. Omregnet til meter per tommer<br />
ligger disse to påstande på hhv. 15.24 m tomme og 9.14 m tomme. Vi vil derfor i dette<br />
projekt bruge tallet 10 m tomme da dette giver os de fornødne forudsætninger for at forudsige<br />
med tilstrækkelig nøjagtighed hvilken afstand det kan forventes at displayet mindst kan<br />
ses fra.<br />
Igennem Farnells katalog [15] har vi fundet information omkring alle de tidligere beskrevne<br />
displaytypers tegnhøjde. Både LCD og VFD er ikke tilgængelige med tegnhøjder over 12.5<br />
mm, og det tillader kun ca. 5 meters visibilitet. En undtagelse er en serie af informationsstandere<br />
fra Starcom Message Displays, af typen VFD der angiveligt kan ses på en afstand<br />
af 26 m, i kraft af en tegnhøjde på 26 mm. Prisen er over 10 000 kr<br />
LED displays af syvsegmenttypen fås i Farnells katalog [15] i størrelser op til 4 tommer,<br />
hvilket så skulle kunne give mindst 40 meters visibilitet. Hertil kommer muligheden for at<br />
konstruere denne type display af enkelte lysdioder, og dermed få endnu større visibilitet eller<br />
større lysstyrke.<br />
1.6.3 Digitale displaytyper<br />
I dette afsnit vil vi undersøge, hvilke digitale displaytyper der findes, for senere at kunne<br />
klarlægge hvilke der bedst egner sig til vores produkt. Formålet er, at vores elektronik designes<br />
ud fra nogle forudsætninger for input, bestemt af transduceren, og nogle forudsætninger<br />
for output, bestemt af den valgte displayenhed.<br />
Light Emitting Diode displays<br />
En Light Emitting Diode 5 konverterer elektrisk energi til lys. Farven på det emitterede lys<br />
der udsendes afhænger af de materialer, lysdioden er fremstillet af.<br />
Fordelene ved dioder er høj driftssikkerhed; en diode har en levetid på mindst 50000 timer,<br />
og i praksis kan man ofte forvente det dobbelte. Amerikanske Adapative Micro Systems<br />
[1] har et diodedisplay, der er over 20 år gammelt, som aldrig har haft en eneste diodefejl.<br />
Lysdioder er også meget effektive, sammenlignet med f.eks. glødelamper.<br />
16<br />
4 1 tomme = 2.54cm, man angiver normalt tegnstørrelser i tommer<br />
5 benævnes ofte i taleform som lysdiode eller LED
1.6. UDLÆSNING<br />
Lysdioder er tilmed meget billige at fremstille, og der findes mange færdige løsninger til at<br />
vise de almindelige tegn. I vores tilfælde er det mest tal, der er interessante, og der findes en<br />
samlet komponent, som består af 8 uafhængige lysdioder, arrangeret så man kan frembringe<br />
alle decimale tal, og derudover kan man aktivere et decimalpunkt med den 8. lysdiode. Dette<br />
kaldes et 7-segment display. Ved at kombinere flere af disse komponenter er man i stand til<br />
på en enkelt måde at fremstille et display, som kan vise større tal på en fornuftig måde. Et<br />
eksempel på et enkelt 7-segment display ses på figur 2.2 på side 25.<br />
Disse displays er så udbredte at der findes en meget stor del af integrerede kredse, der er<br />
beregnet på at drive disse ud fra forskellige input. Dette er i høj grad med til at simplificere<br />
designet af produktet og dermed også mindske muligheden for fejl.<br />
For at kunne se et lysdiodedisplay udendørs om dagen, kræves der en vis lysstyrke af displayet.<br />
En lysdiodes emittering af lys i en given retning betegnes som lysstyrke, og måles<br />
i candela (cd). Et diodedisplay til udendørs brug skal, som tommelfingerregel, have en lysstyrke<br />
på mindst 3000 mcd i følge Pacesetter Communication Systems [23], der er et firma,<br />
som specialiserer sig i udendørs LED displays. Det er kun lysdioder med farvebetegnelsen<br />
HE Red og Amber (rav), der er i stand til at afgive den fornødne lysstyrke, som kræves af<br />
et udendørs display. Disse farver ligger ikke i det mest følsomme område i øjet, men de<br />
materialer, som bruges i en lysdiode, der udsender disse farver, gør dioden mere effektiv.<br />
Amber er den mest synlige, fordi bølgelængden af det lys den udsender, ligger tættest på<br />
den bølgelængde, der bedst opfattes af øjet.<br />
Liquid Crystal Displays<br />
Denne teknologi er udviklet med henblik på at minimere strømforbruget i mobile applikationer.<br />
Det er opnået ved at lave et gennemsigtigt passivt display på en reflekterende baggrund.<br />
For at frembringe tegn, påtrykkes en spænding på forudskabte opdelinger af den gennemsigtige<br />
del, som dermed skifter til ikke længere at være gennemsigtig. Dermed kan den del af<br />
den reflektive baggrund, som ligger under feltet, ikke længere tilbagekaste lyset fra rummet.<br />
Dette gør naturligvis, at displayet ikke kan ses i mørke, da der så ikke vil være noget lys<br />
at tilbagekaste. Dette kan omgås ved at erstatte den reflektive baggrund med en lyskilde.<br />
Dette kaldes backlight. Displaytypen er kostbar og derfor findes den ikke med specielt store<br />
tegnstørrelser. Et typisk display af LCD typen har tegn med en højde på under 1 cm.<br />
Vacuum Fluoroscent Displays<br />
Ligesom med LED teknologien er det selve tegnene, der udsender lyset. Dette gør dem<br />
synlige både nat og dag i modsætning til et LCD display uden backlight. Teknologien minder<br />
meget om lysstofrør, og giver et klart blåt lys. Typen ses meget ofte anvendt i f.eks. CDafspillere<br />
og sodavandsautomater.<br />
Ligesom LCD displays er der tale om en kostbar teknologi, og derfor fås disse typisk heller<br />
ikke i større størrelser.<br />
17
1.6.4 Valg af displaytype<br />
KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE<br />
Det er klart LED teknologien, der egner sig bedst til vores projekt, da det er den displaytype,<br />
der er mest synlig i dagslys. Derudover er den væsentligt billigere end de to andre displaytyper,<br />
samtidig med at det opfylder de krav til visning, der stilles. De egenskaber vi lægger<br />
vægt på, er:<br />
Mulighed for store displays med god visibilitet<br />
Høj driftssikkerhed og lang levetid<br />
Ikke kostbare<br />
God understøttelse fra integrerede kredse<br />
Fleksibilitet gennem stort udvalg og kombinationsmuligheder<br />
God synlighed i dagslys<br />
Vi vælger derfor at vores displayenhed skal udstyres med 7-segment displays baseret på<br />
LED teknologi, enten i form af færdige 7-segment displays, eller konstrueret af almindelige<br />
lysdioder.<br />
1.7 Kravspecifikation<br />
Vi vil nu opsummere de enkeltstående konklusioner i problemanalysen til en samlet specifikation<br />
af de krav og funktioner, som produktet skal opfylde og tilbyde. Dette skal være<br />
en "blackbox" betragtning. Det vil sige, at vi ikke vil gå ind på hvordan det enkelte krav<br />
opfyldes, eller hvordan en funktion rent teknisk tilbydes.<br />
Det overordnede krav til udlæsningsinstrumentet er, at det er i stand til at vise den af vindmåleren<br />
målte vindhastighed til brugeren.<br />
Vi er af den opfattelse, at instrumentet først og fremmest skal være let at anvende for brugeren.<br />
Vi vil derfor lave instrumentet uden brugerbetjening, da det så ikke vil kræve indsigt at<br />
benytte.<br />
Vi mener, det er nødvendigt at lægge stor vægt på driftssikkerheden. Det er ikke muligt<br />
hverken at skabe eller eftervise 100% driftssikkerhed, men det er vores mål at skabe et<br />
produkt, som kan køre mindst 1 år mellem eventuelle driftsforstyrrelser.<br />
Vi kan naturligvis ikke garantere denne driftssikkerhed ved naturkatastrofer som f.eks. orkan,<br />
og vi vil ikke forsøge at sikre instrumentet mod driftsforstyrrelser, som skyldes påvirkninger<br />
af denne voldsomme karakter.<br />
En af de motiverende kræfter bag dette projekt var ønsket om at sejlerne kunne holde sig<br />
ajour med vindhastigheden, og derfor vil det være en fordel at vindmåleren kan ses på god<br />
afstand. Ud fra havnefogedens ønsker om at brugere skal kunne aflæse vindhastigheden uden<br />
18
1.7. KRAVSPECIFIKATION<br />
at komme ind på kontoret, vælger vi at displayenheden skal kunne aflæses fra en afstand på<br />
mindst 10 meter.<br />
En digital udlæsning giver os de bedste muligheder for at opfylde kravet om 10 meters<br />
visibilitet, og for at fremstille et entydigt resultat for brugeren. Herudover vil det også være<br />
LED teknologien, der i forhold til omkostninger egner sig bedst til et udendørs display med<br />
høj visibilitet. Vores krav er derfor, at der benyttes et digitalt LED display.<br />
Installationen skal være så let, at en mand uden teknisk indsigt i apparatets virkemåde vil<br />
være i stand til at installere apparatet, simpelthen ved at tilslutte ledningerne hvor stikkene<br />
passer. Derfor skal apparatet have funktionsspecifikke stik.<br />
Havnefogeden er i forvejen optaget af sine sædvanlige pligter og arbejdsopgaver, og derfor<br />
er det vigtigt, at der ikke forekommer ekstra vedligeholdelse ved udlæsningsinstrumentet.<br />
Vitale dele skal derfor beskyttes mod miljøet på en sådan måde, at man ikke behøver at<br />
rengøre disse dele. Det vil dog ikke kunne undgås at displayenheden skal have rengjort sin<br />
overflade når snavs nedsætter visibiliteten.<br />
Udlæsningsenhed, opløsning og måleområde, er ting som er væsentlige både for designet<br />
af produktet og for brugeren. Gennem vores behovsanalyse har vi fundet, at den typiske<br />
bruger ønsker, at udlæsningsenheden skal være meter per sekund. Derudover har den vist<br />
at opløsningen for udlæsningen skal være mindst 0.5 m s. På baggrund af undersøgelser i<br />
afsnit 1.1 på side 3 har vi besluttet, at det ikke er nødvendigt at måle højere vindhastigheder<br />
end 40 m s.<br />
Som forklaret i afsnittet 1.1 på side 3 vil det være en fordel at kunne fremstille en måling<br />
som et gennemsnit over en vis forgangen periode. Standarden i Danmark er, i følge DMI<br />
[9], at målinger foretages som gennemsnit over en periode på 10 min.<br />
Med hensyn til design er det vigtigt at produktet, ud fra vores egen vurdering, har et attraktivt<br />
design, som ikke virker skæmmende for havnen. Heri ligger, at elektronikken og teknikken<br />
skal gemmes væk, så hovedvægten af indtrykket ligger på udlæsning og ikke den tekniske<br />
løsning der ligger bag. Nøgleordene er således diskret og funktionel.<br />
Af yderligere funktioner har vi mulighed for at tilslutte udlæsningsinstrumentet til en webserver.<br />
Dermed kan brugere undersøge om vindforholdene er passende til en sejltur, før de<br />
forlader deres hjem. Derudover har vi gennem spørgeskemaundersøgelsen erfaret, at der er<br />
en vis interesse for at kunne aflæse vindretning, lufttryk og temperaturer i vand og luft.<br />
Her følger så en listeform af de ovenfor beskrevne krav og specifikationer:<br />
Digital udlæsning på LED display<br />
Tydelig displayenhed - skal kunne ses på 10 meters afstand<br />
Attraktivt design - subjektivt vurderet<br />
Funtionsspecifikke stik<br />
Vitale dele beskyttet mod miljøet<br />
Betjeningsfri<br />
19
Tilslutning for Nibe Havns transducer<br />
Yderligere tilslutninger 6<br />
Høj driftssikkerhed - mindst 1 år mellem driftsforstyrrelser<br />
Udlæsningsenhed i meter per sekund<br />
Opløsning på mindst 0.5 m s<br />
Maksimal måleværdi på 40 m s<br />
Gennemsnitsmålinger over 10 minutter<br />
1.8 Problemformulering<br />
KAPITEL 1. PROBLEMANALYSE<br />
At havnefogeden i Nibe mangler et udlæsningsinstrument til sin eksisterende transducer til<br />
vindmåling, har givet os indgangsvinklen til emnet for projektet.<br />
I behovsanalysen og den tilhørende spørgeskemaundersøgelse har vi fundet ud af, at det har<br />
stor betydning for sejlere at kende vindhastigheden inden de sejler ud, både af ren interesse,<br />
og også af sikkerhedsmæssige grunde, så sejladsen kan ske under forsvarlige forhold.<br />
Vi har fundet Nibe Havns transducer anvendelig til produktet. I afsnittet om displaytyper<br />
fandt vi ud af, at et LED-display er den mest optimale displaytype.<br />
Arbejdet med problemanalysen har resulteret i følgende spørgsmål, som det senere projektarbejde<br />
skal baseres på:<br />
Hvordan kan vi konstruere et udlæsningsinstrument til Nibe Havns transducer,<br />
baseret på LED-teknologi, som opfylder kravene opstillet i kravspecifikationen?<br />
Da vi i behovsanalysen har fundet ud af, at der er et behov for vindmålere, har vi desuden et<br />
yderligere spørgsmål:<br />
20<br />
Hvilken strategi skal lægges, hvis man vil etablere en virksomhed, der producerer<br />
produktet?<br />
6 Vindretning, luftryk og luft- og vandtemperatur, samt webserver
Kapitel 2<br />
Systembeskrivelse<br />
I dette kapitel vil vi beskrive det overordnede princip for det samlede udlæsningsinstrument<br />
og dettes forbindelse med transduceren. Vi vil dermed for første gang komme nærmere ind<br />
på indholdet af den "blackbox" vi har analyseret i problemanalysen.<br />
Til dette formål har vi udformet et principdiagram, som viser hvilke dele det samlede produkt<br />
består af, og hvordan disse er forbundet med hinanden:<br />
Transducer<br />
Displayenhed<br />
A<br />
Analog signalkæde<br />
Filter<br />
BCD Decoder<br />
&<br />
LED Drivere<br />
f<br />
Digital signalkæde<br />
Buffer<br />
forstærker<br />
Binær til BCD<br />
Tabel<br />
Figur 2.1: Principdiagram for det samlede udlæsningsinstrument<br />
Dette principdiagram ligger til grund for den følgende inddeling i moduler<br />
A/D<br />
Konverter<br />
10110<br />
Gennemsnit<br />
21
2.1 Beskrivelse af moduler<br />
KAPITEL 2. SYSTEMBESKRIVELSE<br />
Vi vil i de efterfølgende underafsnit beskrive de enkelte moduler i principdiagrammet og<br />
deres behandling af signalet. Der vil i disse beskrivelser indgå resultater af beslutninger og<br />
beregninger, som foretages senere i denne rapport, uden at der vil fremgå argumentering<br />
eller beslutningsgrundlag for disse.<br />
2.1.1 Transducer og Filter<br />
Transduceren er ikke en del af det, vi forstår ved et udlæsningsinstrument, men er alligevel<br />
integreret i principdiagrammet for at vise dets forbindelse med resten af signalkæden. Den<br />
givne transducer er blevet underkastet en analyse for at klarlægge, hvilket elektrisk signal<br />
den genererer.<br />
Filteret omfatter den elektronik, der skal bruges i forbindelse med transduceren, for at skabe<br />
et entydigt elektrisk signal, som defineres af vindhastigheden. Med entydigt forstås, at det<br />
skal tilstræbes, at et givet signal fra transduceren til enhver tid kan ækvivaleres med en og<br />
kun en vindhastighed. Er signalet en spænding, accepteres der således ikke en betydende<br />
overlejring af AC, som vil fordreje målinger, der ikke foretages kontinuert i den senere<br />
signalkæde. Dette kan opstå, hvis A/D konverteren ved tilfælde eller rytme foretager alle<br />
samplinger, mens AC-komponenten er i top eller bund. Dette omfatter et eller flere passive<br />
kredsløb der opererer som lavpas filter.<br />
Endvidere skal der foreligge en samlet overføringsfunktion, v¡ UT , som viser sammenhængen<br />
mellem signalværdi for modulets udgang og vindhastighed.<br />
2.1.2 Bufferforstærker<br />
Det anbefales af fabrikanten, at A/D konverterens indgangssignal forsynes fra en buffer,<br />
for at undgå at belaste foranliggende kredsløb. Dette forhindrer, at transduceren skal levere<br />
energi til at oplade track&hold kondensatoren i indgangen på konverteren og dermed belastes.<br />
Med bufferen er der også mulighed for at benytte en spændingsforstærkning, så spændingen<br />
på udgangen tilpasses konverteren. Dermed kan konverterkredsløbet forenkles, da forsyningen<br />
også kan bruges som referencespænding, VREF, uden at opløsningsområdet kun udnyttes<br />
delvist. Derfor skal spændingsforstærkningen, AV, for modulet sættes, så 5 V på udgangen<br />
svarer til en vindhastighed på 40 m s. Til dette benyttes den samlede overføringsfunktion<br />
for transduceren og filteret.<br />
2.1.3 A/D Konverter<br />
I dette modul omsættes det analoge signal fra bufferforstærkeren til en 8 bit binær digital<br />
værdi. Denne konvertering foretages med en frekvens på 1 Hz. Vi har antaget at denne<br />
målefrekvens giver tilstrækkeligt mange målinger til at give et brugbart gennemsnit over 10<br />
22
2.1. BESKRIVELSE AF MODULER<br />
minutter. Antallet af samtidigt eksisterende målinger i et gennemsnit er 1Hz 60sek min<br />
10min¡ 600.<br />
Udgangssignalet nærmer sig den decimale værdi 0, når spændingen på indgangen går mod<br />
0. I den modsatte ende nærmer udgangssignalet sig den decimale værdi 2 8¢ 1¡ 255, når<br />
spændingen på indgangen nærmer sig referencespændingen. Derfor skal indgangssignalet<br />
fra bufferforstærkeren ligge mellem 0 V og referencespændingen, mens vores krav om målinger<br />
op til 40 m s giver os at indgangsspændingen skal være mindre end referencespændingen<br />
når vindhastigheden går mod 40 m s.<br />
Udgangssignalet indeholder foruden de 8 bit et styresignal, som angiver når der er en ny og<br />
gyldig værdi til det efterfølgende modul.<br />
2.1.4 Gennemsnit<br />
Dette moduls opgave er at opsamle og sammenføje de 600 målinger, der foretages over<br />
10 minutter, til én 8 bit binær værdi som udtrykker den gennemsnitlige vindhastighed over<br />
de sidste 10 minutter. For måleserien £ v1¤ v2¤ ¤ v600¥ findes det eksakte gennemsnit ved<br />
følgende formel:<br />
600 1<br />
600 ∑<br />
n¦ 1<br />
vn ¡ v1§ v2§ § v600<br />
600<br />
Forudsætningen, for at dette er korrekt, er at sammenhængen mellem vindhastighed og bitværdi<br />
er lineær i hele måleområdet.<br />
(2.1)<br />
Udgangssignalet fra dette modul er stadig 8 bit, og der er ikke længere behov for et styresignal,<br />
da dette modul til enhver tid skal fastholde den værdi på udgangen, som ønskes vist<br />
på displayenheden. Hvert sekund vil der foretages en ny måling og derfor vil udgangen fra<br />
dette modul også skifte hvert sekund og fastholde det nye gennemsnit i et sekund.<br />
2.1.5 Binær til BCD Tabel<br />
Dette modul indeholder to funktioner, som fysisk set udføres på én gang:<br />
1. Implementerer den samlede overføringsfunktion for transducer og filter<br />
2. Konverterer 8 bit binær værdi til 12 bit binær BCD kode<br />
Implementeringen af overføringsfunktionen finder sted som en del af den process, der omsætter<br />
de 8 bit til 12 bit BCD kode.<br />
BCD kode er en binær repræsentation af tallene fra 0 til 9 i form af 4 binære cifre. 4 binære<br />
cifre er i stand til at antage 16 forskellige værdier, men i BCD kode udnyttes kun de første<br />
23
KAPITEL 2. SYSTEMBESKRIVELSE<br />
10 fra 0000 til 1001. BCD kode benyttes ofte i forbindelse med udlæsning i det decimale talsystem.<br />
Der gælder de normale regler for omregning mellem decimal og binær for decimale<br />
værdier mindre end 10, svarende til binære værdier mindre end 1010.<br />
De førnævnte funktioner udføres lettest samlet med en 12 bit parallel EEPROM 1 på mindst<br />
2 8 12bit<br />
8bit ¡ byte ¡ 384 byte.<br />
En EEPROM er en adresserbar hukommelse, som for et input har et programmerbart output.<br />
Dette output defineres ved at brænde EEPROM’en med en tabel. For at beregne den tabel,<br />
som denne EEPROM skal indeholde, skal man kende koefficienter for den samlede lineære<br />
overføringsfunktion for transduceren og filteret (αT og βT ) samt spændingsforstærkningen<br />
for bufferforstærkeren (AV ) og referencespændingen på AD konverteren (VREF). Disse 4<br />
størrelser vil blive uddybet i kapitel 3, som begynder på side 27.<br />
I det følgende skema ses den generelle form, samt nogle få eksempler. Indholdet af EE-<br />
PROM’en er søjle 3, og søjle 1 kan opfattes som adresse i dennes hukommelse.:<br />
8 bit binært input (vbin) Vindhastighed (v) 12 bit BCD output<br />
0000 0000 < 02.0 0000 0000 0000<br />
0000 0001 01.7 0000 0001 0111<br />
0000 0010 01.9 0000 0001 1001<br />
0000 0011 02.0 0000 0010 0000<br />
.<br />
.<br />
.<br />
1000 1101 22.8 0010 0010 1000<br />
.<br />
.<br />
.<br />
1111 1101 39.7 0011 1001 0111<br />
1111 1110 39.9 0011 1001 1001<br />
1111 1111 40.0 0100 0000 0000<br />
For de fundne værdier for v er der brugt disse data: AV ¡ 1 98¤ VREF ¡ 5000mV¤ αT ¡<br />
65 661¤ βT ¡ ¢ 101 85<br />
For vbin ¢ 00000011 ses en konflikt. I praksis vil dette ikke måles, fordi vores transducer<br />
ikke kan måle under 2 m s, og overføringsfunktionen er derfor ikke gyldig når v ¢ 2m s.<br />
Udlæsningsværdier under 2 m s vil dog kunne opstå som følge af gennemsnitmodulet. Derfor<br />
bør de stadig være repræsenteret i tabellen. Transduceren vil dog for vindhastigheder<br />
under 2 m s altid afgive spændingen 0 V og derfor falde i kategorien v ¢ 2 m s, der i gennemsnitberegninger<br />
opfattes som 0 m s.<br />
v findes ud fra vbin ved hjælp af denne formel:<br />
Hvor det gælder at:<br />
24<br />
v ¡ UT ¢ βT<br />
αT<br />
1 Electrically Erasable Programmable Read Only Memory<br />
£<br />
UT ¡ vbinVREF<br />
255AV<br />
(2.2)
v er den vindhastighed der ønskes udlæst på displayenheden [m s]<br />
UT er den spænding, der kan måles efter filteret [mV ]<br />
vbin er den binære værdi som dannes af AD konverteren<br />
αT og βT er koefficienter i overføringsfunktionen<br />
VREF er AD konverterens referencespænding [mV]<br />
AV er bufferforstærkerens spændingsforstærkning<br />
2.1. BESKRIVELSE AF MODULER<br />
BCD koden dannes ud fra v, som afrundes til at indeholde 1 decimal, og cifferet 0 sættes<br />
ind foran tallet såfremt v ¢ 10. Hermed dannes der i alle tilfælde et 3-cifret tal som ciffervis<br />
konverteres til binært format. Det giver 12 bit information i BCD format, og dette sendes<br />
direkte til næste modul. Eventuelt kan det foranstillede 0 konverteres til den ugyldige BCD<br />
værdi 1111, da dette vil føre til, at det efterfølgende modul slukker helt for dette ciffer.<br />
2.1.6 BCD Dekoder og LED Drivere<br />
Denne enhed består af en BCD til 7 segment dekoder. På denne illustration ses et diagram<br />
for et 7 segment display:<br />
Figur 2.2: Diagram for 7 segment display<br />
Da der skal bruges 7 signaler til hvert ciffer, skal dette modul konvertere en 12 bit kode<br />
til en 21 bit kode. Dette modul skal desuden forsyne dioderne i displayenheden med den<br />
elektriske energi, der skal omsættes til lys.<br />
Til dette formål er der allerede udviklet integrerede løsninger. Betegnelsen for den chip vi<br />
har fundet, der har denne funktion, er 74HC4511 og laves bl.a. af SGS-Thomson Microelectronics<br />
[26], men andre firmaer er i stand til at levere den, da den tilhører den velkendte<br />
74-serie. Denne chip er både i stand til at foretage BCD til 7 segment konverteringen og<br />
direkte drive dioderne i 7 segment displayet, ved at sende forsyningsspændingen videre<br />
gennem en MOSFET 2 . Hver 74HC4511 chip kan drive et 7 segment display, så der skal<br />
bruges 3 chips.<br />
2 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor<br />
25
2.1.7 Displayenhed<br />
KAPITEL 2. SYSTEMBESKRIVELSE<br />
Denne består af 3 individuelle 7 segment displays, som hver drives direkte af de 7 styresignaler,<br />
som udgår fra hver 74HC4511 chip i forrige modul. Decimalpunktet på det andet<br />
display skal være tændt hele tiden, og de 2 andre decimalpunkter skal være slukket hele<br />
tiden, så de forbindes fast. Der henvises til afsnit 1.6.3 på side 16 for yderligere information.<br />
2.2 <strong>Projekt</strong>afgrænsning<br />
I henhold til systembeskrivelsen er det samlede udlæsningsinstrument ret omfattende, og det<br />
er baseret på både analog og digital elektronik. Til et P1 projekt vil det være for omfattende<br />
at gå tilstrækkeligt i dybden med hele instrumentet. Vi har valgt kun at koncentrere os om<br />
den analoge del af projektet, da der under P1 netop lægges vægt på analog elektronik. De<br />
moduler, som problemløsningen kommer til at omhandle, er:<br />
1. Filter<br />
2. Bufferforstærker<br />
3. A/D konverter<br />
Vi vil foretage en analyse og design af kredsløbet på de tre moduler, samt foretage en simulering<br />
i dertil egnede computerprogrammer.<br />
Vi har valgt ikke at konstruere et produkt. Dette er ikke et krav til P1 projektet. Kravet om<br />
laboratoriearbejde opfyldes ved at foretage målinger på transduceren og filteret.<br />
Derudover har vi valgt at lave overvejelser om, hvilke strategier der bør vælges, hvis man<br />
vil etablere en virksomhed, der producerer vores produkt.<br />
26
Kapitel 3<br />
Design af elektronik<br />
I det følgende kapitel vil vi i henhold til vores problemformulering og projektafgrænsning<br />
designe og beskrive de elektroniske kredsløb, der er nødvendige for at omsætte vindhastigheden,<br />
målt af transduceren, til et digital signal, der kan bruges af en displayenhed, med<br />
tilhørende drivkredsløb, til at præsentere en visning for en bruger.<br />
3.1 Transducer og filter<br />
For at designe et kredsløb, må vi kende transducerens udgangssignal, og eventuelt tilpasse<br />
det. En visuel undersøgelse af transduceren afslørede ikke nogle kendetegn, som kunne afsløre<br />
hvilken transducertype, der er tale om. Vi betragter derfor transduceren som en "black<br />
box", og foretager en primært kvalitativ analyse af udgangssignalet.<br />
3.1.1 Forsøg med transducer<br />
Vi udfører forsøget, som er beskrevet i appendiks F.<br />
Ud fra resultaterne af dette forsøg kan vi slutte, at der er behov for et filter der dæmper<br />
AC-spændingen og støjen, er nødvendig. Det skal vi designe, hvorefter nye forsøg med det<br />
påkoblede filter skal udføres.<br />
3.1.2 Design af filter<br />
AC-spændingen og støjen er et problem for det videre kredsløb. En AC overlejret DCspænding<br />
vil påvirke målingerne, som beskrevet i systembeskrivelsen i afsnit 2.1.1 på side<br />
22. Derfor vil vi undersøge, hvordan vi kan filtrere støjen og AC-spændingen fra. Dette kan<br />
gøres ved at tilføje et RC-led[17].<br />
Der findes to typer RC-led, et lavpasfilter og et højpasfilter. Et RC-led består af en kondensator<br />
og en modstand. Figur 3.1 forestiller et RC-lavpasfilter. Ved et RC-højpasfilter ville R<br />
27
og C være byttet om.<br />
R<br />
+ +<br />
U IN<br />
KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK<br />
C<br />
U OUT<br />
- -<br />
Figur 3.1: Diagram for RC-led<br />
Et lavpasfilter lader lave frekvenser passere og dæmper høje frekvenser og et højpasfilter<br />
lader høje frekvenser passere og dæmper lave frekvenser.<br />
0<br />
-3<br />
A [dB]<br />
f c<br />
f [Hz]<br />
Figur 3.2: Grafen for et lavpas RC-leds dæmpning<br />
Figur 3.2 beskriver RC-leddets dæmpning i forhold til frekvens. Med stiplede linier er placeringen<br />
af cutoff-frekvensen, fc, markeret. Cutoff-frekvensen er den frekvens, hvor dæmpningen<br />
er 3 dB.<br />
Da frekvensen ved DC er 0 skal vi teoretisk set dæmpe alt over det, og derfor skal vi bruge<br />
et lavpasfilter. På figur 3.2 ses det at RC-leddet også har en vis dæmpning inden fc, og derfor<br />
skal vi have sat fc så langt væk fra 0, at det ikke forstyrrer DC-spændingen, og samtidig så<br />
tæt på at dæmpningen af støjen er tilfredsstillende.<br />
Vi skal nu have fundet fc. Formlen for denne er fundet i [17], og ser således ud:<br />
fc ¡ 1<br />
2πRC<br />
Hvor R er modstanden og C er kondensatorens kapacitet.<br />
(3.1)<br />
Hvis vi kigger på figur F.2 i appendiks F kan vi iagttage periodiske svingninger med en<br />
frekvens på ca. 12 Hz.<br />
Dette vil vi indtil videre bruge som cut-off frekvens, og afprøve hvordan det teoretisk fungerer.<br />
Vi vælger en stor modstand på 100 kΩ modstand, sætter dernæst de fundne tal ind i<br />
28
formlen, og løser den med hensyn til C:<br />
C¡<br />
3.1. TRANSDUCER OG FILTER<br />
1 ¡ 132 629nF (3.2)<br />
2π 100kΩ 12Hz<br />
Ved at vælge en stor modstand behøver vi kun en lille kondensator for at få den samme<br />
cutoff-frekvens. Dermed undgår vi at benytte store kondensatorer, som er dyre.<br />
Kondensatorværdien på 132.629 nF er ikke en standardværdi, så vi vælger den nærmeste på<br />
150 nF.<br />
Vi indsætter denne værdi i formel 3.1 og får fc til 10.61 hz. Dernæst undersøger vi om denne<br />
dæmpning vil have nogen indflydelse på DC-signalet. Til dette bruger vi spændingsdelerformlen:<br />
hvor<br />
Uin er indgangsspændingen;<br />
Uout er udgangsspændingen;<br />
Z1 = R<br />
Z2 = 1<br />
2π fC ;<br />
f er frekvensen og<br />
C er kondensatorens kapacitet<br />
Uout ¡ Uin<br />
Z2<br />
Z1§ Z2<br />
(3.3)<br />
Da vi vil undersøge om dæmpningen har nogen indflydelse på DC-signalet sætter vi Uin =<br />
1 V og f = 0.1 hz, da frekvensen ved DC er 0, men da dette vil medføre division med 0,<br />
anvender vi en tilnærmet værdi.<br />
Uout ¡ ¡<br />
100k٧<br />
1V<br />
Z2<br />
0 9907V<br />
Z2<br />
£ ¡ Z2<br />
1<br />
2π 0 1hz 150nF<br />
Forskel på Uin og Uout ved DC er 1 V - 0.9907 V = 9.3 mV<br />
Dette kan omregnes til en dæmpning på:<br />
(3.4)<br />
A¡ 20 log Uin ¡ ¡<br />
Uout<br />
1V<br />
20 log 0 0812dB<br />
0 9907V<br />
(3.5)<br />
A er dæmpning i dB.<br />
Altså ændres DC-signalet forsvindende lidt. Vi behøver ikke indføre ekstra komponenter<br />
for at kompensere for disse ændringer, da denne lille ændring vil afspejles i de målinger, der<br />
foretages når RC-leddet er koblet til transduceren.<br />
29
3.1.3 Forsøg med transducer og RC-led<br />
KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK<br />
Det dimensionerede RC-led konstrueres og monteres på transduceren, og denne opsætning<br />
danner grundlag for forsøg 2. Vi udfører forsøget, som er beskrevet i appendiks G.<br />
Sammenligning af resultater<br />
Ved hjælp af resultaterne fra begge forsøg kan vi nu vurdere om RC-leddet har den forventede<br />
virkning: Først vil vi sammenligne to målinger ved stor vindhastighed(22 m s):<br />
Figur 3.3: Billede fra oscilloskopet ved 22 m/s, forsøg uden RC-led<br />
Figur 3.4: Billede fra oscilloskopet ved 22 m/s, forsøg med RC-led<br />
På billedet uden RC-led, figur 3.3, kan vi tydeligt se dominerende støj med en amplitude på<br />
200 mV, samt regelmæssige spikes. På billedet med RC-led, figur 3.4, er støjen undertrykt så<br />
den ikke bevæger sig mere end ca. 15 mV fra den gennemsnitlige værdi, og de store spikes<br />
30
3.1. TRANSDUCER OG FILTER<br />
er elimineret. Dermed har vi fundet ud af, at RC-leddet ved store hastigheder har virket helt<br />
efter hensigten.<br />
Vi vil nu sammenligne to målinger ved lav hastighed. Læg mærke til at benævnelsen op af<br />
y-aksen er dobbelt så stor på billedet uden RC-led, 200 mV pr. tern, som på billedet med<br />
RC-led, 100 mV pr. tern.<br />
Figur 3.5: Billede fra oscilloskopet ved 5 m s, forsøg uden RC-led<br />
Figur 3.6: Billede fra oscilloskopet ved 5 m s, forsøg med RC-led<br />
På billedet uden RC-led, figur 3.5 kan vi iagttage en amplitude på ca. 30 mV samt regelmæsssige<br />
spikes. På billedet med RC-led, figur 3.6, kan vi iagttage, at støjen ved denne måling<br />
er blevet undertrykt, så vi nu kun har en amplitude på ca. 10 mV. De største spikes er også<br />
blevet elimineret. Vi har dermed fundet ud af, at RC-leddet også ved lave hastigheder har<br />
virket efter hensigten.<br />
Vi kan hermed konkludere at RC-leddet har fungeret som forventet, i og med at transduceren<br />
og filteret afgiver en entydig spænding som defineres af den aktuelle vindhastighed.<br />
31
KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK<br />
Denne spænding er udtrykt i den totale overføringsfunktion for transduceren og filteret:<br />
UT<br />
v¡ ¡ αT v§ βT<br />
3.2 Bufferforstærker<br />
£ αT ¡ 65 661¤ βT ¡ ¢ 101 85 (3.6)<br />
Formålet med dette trin er at fungere som indgangsbuffer for det efterfølgende A/D konvertermodul.<br />
Vi er desuden interesserede i at dette trin indeholder en spændingsforstærkning<br />
således at hele konverteringstrinets opløsningsområde udnyttes. Ved at benytte en forstærker<br />
med fast høj indgangsimpedans og balancerede indgange, opnår vi også at få en høj<br />
undertrykkelse af common mode støj, samt at eventuelle varierende belastninger fra konverteringstrinets<br />
track&hold kredsløb ikke får lov til at påvirke den foranliggende transducer.<br />
Det signal, som skal behandles, består af en DC-spænding, som er proportional med vindhastigheden.<br />
Ud fra overføringsfunktionen v¡ UT , kan vi finde spændingen der modtages ved<br />
vindhastigheden 40 m s:<br />
UT<br />
40¡ ¡ 65 661 mV<br />
m s 40m s¢ 101 85mV ¡ 2525mV (3.7)<br />
Det kan på grund af det foregående moduls opbygning fastslås, at der ikke vil modtages<br />
signaler med en frekvens over 10 Hz. Der vil heller ikke optræde negative spændinger.<br />
På udgangssiden skal der foreligge et signal, som varierer mellem 0 og 5 V , svarende til et<br />
vindhastighedsinterval fra 0 til 40 m s. Det efterfølgende trin vil belaste dette trin med maksimalt<br />
1 µA, som det fremgår af databladet for denne komponent [5]. Dette vil ved 5 V svare<br />
til en ohmsk belastning på 5 MΩ. Belastningen vil endvidere være svagt kapacitiv, idet den<br />
skal op- og aflade en lille kondensator i det track&hold indgangstrin, der eksisterer på A/D<br />
konverterens indgangstrin, hvilket underbygger behovet for dette buffertrin. Track&hold er<br />
uddybet i appendiks E.<br />
3.2.1 Krav til bufferforstærker<br />
Vi er interesserede i at konstruere en DC-forstærker, som ikke belaster foranliggende kredsløb<br />
nævneværdigt. Dermed forstås at der ikke må flyde andre strømme i indgangen end den<br />
uundgåelige lækstrøm på en FET gate.<br />
Udgangsimpedansen skal være så lav, at den maksimale belastningsstrøm på 1 µA ikke skaber<br />
et spændingsfald, som vil påvirke konverteringstrinets præcision.<br />
Spændingsforstærkningen skal omsætte spændingsområdet fra 0 til 2525 mV DC til det<br />
større spændingsområde fra 0 til 5 V på udgangen. Vi vil i den senere dimensionering se<br />
nærmere på dette.<br />
I et DC forstærkertrin er det endvidere af meget høj vigtighed for præcisionen at offset<br />
32
3.2. BUFFERFORSTÆRKER<br />
voltage og drift på denne minimeres til et niveau, hvor den ikke længere har betydning<br />
for præcisionen hverken på kort eller langt sigt. I appendiks D er begrebet offset voltage<br />
beskrevet.<br />
Powersupply og common mode rejection ratio er et udtryk for hvor meget støj på hhv. forsyningsledere<br />
og indgangsledere undertrykkes. Disse benævnes i datablade hhv. PSRR og<br />
CMRR. Det er to værdier, som vi ikke stiller specielt store krav til, da alle operationsforstærkere<br />
vi har undersøgt, har data som i vores frekvensområde ikke vil få indflydelse på<br />
præcisionen. Vi sætter dog vores krav til mindst 80 dB for begge, da dette effektivt vil undertrykke<br />
støj i en sådan grad, at det ikke har betydning for præcisionen, selv i elektrisk<br />
meget støjfulde områder. Derudover vil vi benytte god afkobling af forsyningen for yderligere<br />
at minimere PSRR.<br />
Der er ikke nogen specielle krav til slewrate, da selv de mest langsomme transistortrin og<br />
operationsforstærkeres hastighed langt overstiger enhver koptransducers evne til at skifte<br />
hastighed. Dette skyldes både den kinetiske energi, der er opladet i kopperne, som forhindrer<br />
hurtig deceleration, og den modstand der ydes i lejet, som forhindrer hurtig acceleration.<br />
3.2.2 Valg af operationsforstærker<br />
Vi har valgt at benytte en højt specialiseret operationsforstærker fra Analog Devices, som<br />
benævnes AD8551. Til komponenten er hæftet et datablad [6], som vi i nærværende afsnit<br />
vil referere til gentagne gange. AD8551 er rettet mod markedet for DC præcisionsmåling,<br />
og indeholder en speciel autozero teknologi, som gør den i stand til at opnå exceptionelt<br />
gode data for:<br />
DC-Offset (µV -området)<br />
DC-Offset drift (nV -området)<br />
Power supply rejection ratio (Typ: 130 dB)<br />
Common mode rejection ratio (Typ: 130 dB)<br />
Ulemperne ved teknologien er en begrænset båndbredde og lavere slewrate, samt et biprodukt<br />
af autozerokredsløbets clockfrekvens på udgangen ved 4 kHz samt ved de harmoniske<br />
overtoner. Dette er dog alle ting, der kan ses bort fra i lige præcis vores applikation.<br />
Endvidere er forstærkeren karakteriseret ved at være singlesupply. Dermed kan vi nøjes med<br />
en +5 V spændingsforsyning, i stedet for symmetrisk spændingsforsyning. Hertil kommer<br />
rail-to-rail egenskaben, der gør den i stand til at lade forsyningsspændingen gå igennem til<br />
udgangen. Disse to egenskaber skulle muliggøre en minimering af forsyningskredsløbene.<br />
I indgangen på operationsforstærkeren sidder der en field effect transistor og derfor vil der<br />
kun gå en lækstrøm på 20 pA i indgangen.<br />
AD8551 er designet til at operere i omgivelsestemperaturer mellem -40 C og<br />
+125 C.<br />
33
3.2.3 Kredsløbsanalyse<br />
KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK<br />
Vi vil nu analysere det kredsløb, som vi har valgt at bygge op omkring AD8551 med henblik<br />
på at undersøge om trinet kan overholde de krav, vi stiller til det.<br />
Den valgte kobling<br />
Ved en operationsforstærker regulerer man forstærkningen ved at lave en modkobling. Vi<br />
vil i vores tilfælde anvende den ikke-inverterende kobling, da det forstærkede signal så bibeholder<br />
fortegnet.<br />
+<br />
U IN<br />
-<br />
R S<br />
R G<br />
R M<br />
Figur 3.7: Ikke inverterende kobling med indgangsmodstand<br />
Ud over standardkoblingens modkoblingskomponenter, RG og RM, indgår der en formodstand,<br />
RS, som har til opgave at begrænse DC-offset. Der henvises til appendiks D for en<br />
uddybning af modkobling og DC-offset for den ikke-inverterende kobling.<br />
I formel 3.7 har vi fundet den spænding, som skal forstærkes op til 5 V , og ud fra dette kan<br />
vi beregne spændingsforstærkningen, AV, for trinet:<br />
AV ¡ ¡ 5V<br />
1 980198<br />
2 525V<br />
1 98 (3.8)<br />
Da vi runder ned, sikres det at 40 m s kan nås.<br />
Denne værdi for forstærkningen kan vi gange αT og βT med, og dermed få nogle nye koefficienter,<br />
som danner grundlag for følgende overføringsfunktion:<br />
UF<br />
v¡ ¡ αFv§ βF<br />
+<br />
U OUT<br />
£ αF ¡ 130 009¤ βF ¡ ¢ 201 663 (3.9)<br />
Hvor v er vindhastigheden i m s, og v¡ UF er den forstærkede spænding i mV .<br />
For at opnå den ønskede forstærkning, må vi vælge 2 modstande, som indbyrdes passer<br />
sådan sammen, at de giver den ønskede forstærkning. Forstærkningen udregnes ud fra følgende<br />
udtryk af RG og RM:<br />
34<br />
-
AV ¡ 1§ RM<br />
RG<br />
3.2. BUFFERFORSTÆRKER<br />
(3.10)<br />
Udledningen af denne formel er foretaget i appendiks D. Vi kan herefter vælge en modstand,<br />
som vi vil sætte ind som RG, og vi vælger 100kΩ, da vi forudsiger at det vil give et rundt tal<br />
for RM, og udregner så RM ved hjælp af en omformning af 3.10.<br />
RM ¡ RG AV¢ 1¡ ¡ 100kΩ 1 98¢ 1¡ ¡ 98kΩ (3.11)<br />
Da vi er nødt til at have den faste modstand, må vi enten konstruere os til denne modstandsværdi<br />
ved en seriekobling af 2 15kΩ og én 68kΩ fra E6 rækken. Vi kan også vælge at bruge<br />
et potentiometer, så vi selv kan indstille modstanden. Den sidste løsning vil dog være mindre<br />
heldig i produktionssammenhæng, da det vil tilføje et unødvendigt led i produktionen.<br />
For at mindske DC-offsetfejl, som fordrejer måleresultatet, skal vi indsætte en modstand,<br />
RS, i serie med den ikke-inverterende indgang. Dette er forklaret nærmere i appendiks D.<br />
Følgende formel er udledt i samme appendiks og beregner RS:<br />
47kΩ fra E6 rækken vælges.<br />
Input DC-præcision<br />
RS ¡ RG RM<br />
RG§ RM<br />
100kΩ ¡ ¡ 98kΩ<br />
49 49kΩ (3.12)<br />
98kΩ<br />
100k٧<br />
Af databladet for AD8551 [6] kan vi se, at operationsforstærkeren har en typisk offsetspænding<br />
på 1 µV og et maksimum på 10 µV , hvilket kan give en forskel i vindmålingsresultatet<br />
på maksimalt<br />
VOS<br />
αT<br />
¡<br />
10µV ¡ 152µm s (3.13)<br />
65661µV m s<br />
Denne forskel er så lille, at det ikke har nogen betydning for vindmålingsresultatet.<br />
Offset voltage driften er den faktor, hvormed offset-spændingen ændrer sig i takt med temperaturen.<br />
Denne har en typisk værdi på 5 nV C og en maksimal værdi på 40 nV C,<br />
hvilket svarer til en ændring af vindmåleresultatet på<br />
ΔVOS<br />
αT<br />
ΔT<br />
0 ¡ 040µV<br />
0 ¡ 609µm s<br />
65661µV m s<br />
C (3.14)<br />
Så denne værdi har heller ikke nogen praktisk betydning for vindmåleresultatet.<br />
35
Udgangsegenskaber<br />
KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK<br />
Som tidligere nævnt er AD8551 en rail-to-rail forstærker, hvilket betyder, at den næsten er i<br />
stand til at overføre forsyningsspændingen til udgangen, hvis det er påkrævet. Med næsten<br />
menes der, at der altid vil ligge en lille spænding mellem forsyningsbenet og udgangen.<br />
Denne spænding er en databladsværdi ,VOH og VOL for hhv. den øvre og nedre spænding, og<br />
for AD8551 er disse angivet til maks 10 mV ved en belastning på 100 kΩ. Af figur 6 side 5<br />
i databladet [6] fremgår det af grafen, at hvis belastningen fjernes, vil VOH og VOL gå mod<br />
0.2 mV. Ved konvertertrinets maksimale belastning, 1 µA, kan vi se, at både VOH og VOL vil<br />
ligge på ca. 0.25 mV. Dette kan omsættes til meter per sekund for at klarlægge den egentlige<br />
betydning i vores applikation:<br />
VOH<br />
αT AV<br />
0 ¡ 25mV ¡ 0 0019m s (3.15)<br />
65 661mV m s 1 98<br />
Denne lille afvigelse fra 0 og 5 V betyder, at vi kan udnytte hele konverteringstrinets opløsningsområde,<br />
uden at tage yderligere hensyn til VOH og VOL.<br />
Konvertertrinet trækker højest 1 µA og AD8551 er i stand til at levere 15 mA, så her ses<br />
ingen problemer.<br />
CMRR er af så høj en værdi, at både radiostøj og termisk genereret støj på indgangen vil<br />
blive undertrykt så kraftigt, at det ikke vil kunne påvirke konvertertrinets evne til præcist at<br />
omsætte transducerens DC-signal til en digital værdi. PSRR er på samme høje niveau, og<br />
dette betyder, at man ikke behøver nærafkobling af forsyningen. Omregnes databladsværdien<br />
på 130 dB til en koefficient, kan vi se, at ripple på forsyningsbenene undertrykkes mere<br />
end 3 millioner gange, før det når udgangen:<br />
Uin ripple<br />
Uout ripple<br />
¡ 10 A¡ 20 ¡ 10 130 ¡ 20 ¡ 3162277 (3.16)<br />
CMRR er af samme størrelsesorden, og derfor kan common mode støj betragtes som ikke<br />
eksisterende i forhold til vores udgangssignal.<br />
Frekvensen af signalet har indflydelse på operationsforstærkerens udgangsimpedans, som<br />
det ses af figur 16 på side 6 i databladet [6]. Vi kan endvidere se, at udgangsimpedansen går<br />
mod 0 ved en vilkårlig spændingsforstærkning, mens frekvensen går mod 0 Hz. Allerede<br />
ved 1 kHz kan udgangsimpedansen antages at være 0. Vi kan derfor se bort fra udgangsimpedansen<br />
i vores applikation.<br />
Dynamisk ydelse<br />
Da bufferforstærkeren ikke skal arbejde med AC-spændinger, er data som slewrate og bandwidth<br />
mindre vigtige. For AD8551 er slewrate angivet til 0.4 V µS. Det vil sige, at udgangen kan<br />
gå fra 0 til 5 V på 12.5 µS. Dette er tilstrækkeligt til applikationen.<br />
36
3.2. BUFFERFORSTÆRKER<br />
Gain Bandwidth Product 1 (GBP), er angivet til 1.5 MHz. Derfor kan vi uden nærmere undersøgelser<br />
garantere, at forstærkeren er i stand til at levere en spændingsforstærkning på<br />
1.98 over hele frekvensområdet fra DC til 10 Hz.<br />
Strømforbrug<br />
Den eneste aktive komponent i vores kredsløb er AD8551. Af dennes datablad ser vi på figur<br />
10 på side 6, at ved en forsyningsspænding på 5 V trækker den 725 µA. Ud fra dette kan det<br />
beregnes hvor stor en effekt der afsættes som varme:<br />
P¡ Usupply Isupply ¡ 5V 725µA ¡ 3 625mW (3.17)<br />
Dette kan ses som det samlede strømforbrug for dette delkredsløb.<br />
3.2.4 Komponentvalg<br />
Vi har valgt AD8551 fra Analog Devices, da den er specialiseret til denne applikation. Dette<br />
betyder imidlertid ikke, at den er specielt kostbar. Ved store ordrer koster den under 2$.<br />
Til modkoblingssløjfen skal vi bruge 4 modstande, som bør være af meget høj kvalitet, for<br />
at undgå temperaturdrift. Her vælger vi at benytte 1% metalfilmmodstande, som typisk har<br />
en temperaturkoefficient på under 100 ppm. Dyrere løsninger, som trådviklede modstande,<br />
er ikke nødvendige i denne applikation.<br />
RS er mindre kritisk, og derfor kan der her anvendes f.eks. en 5% kulfilm, eller hvad der i<br />
den givne produktionssituation er billigst.<br />
Analog Devices foreskriver selv, at der ikke er behov for afkobling på AD8551, men for at<br />
undgå problemer i støjfyldte miljøer vælger vi at udstyre den positive forsyning med en 100<br />
nF polyesterkondensator, som effektivt fjerner støj uden at være kostbar.<br />
3.2.5 Simulering<br />
For at kunne undersøge om det designede bufferforstærkerkredsløb opfører sig som forventet,<br />
vil vi udføre en simulering af kredsløbet i programmet CircuitMaker 2000 fra Altium<br />
Limited [4].<br />
Programmet gør det muligt at indprogrammere kredsløbene, der skal simuleres og derefter<br />
foretage virtuelle målinger på udvalgte steder. Vi har valgt at benytte en målemetode, der<br />
hedder DC Sweep. Med denne kan man sætte en spændingskilde til at variere i et interval<br />
med bestemte mellemrum, og derefter påsætte en spændingsmålerprobe et udvalgt sted i<br />
kredsløbet og dermed sammenligne forholdet mellem spændingsgiverens DC værdi og f.eks.<br />
1 produktet af spændingsforstærkning og båndbredde<br />
37
KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK<br />
udgangens DC værdi. Programmet simulerer dette som en række uafhængige målinger ved<br />
DC.<br />
Opsætning<br />
Transducer og Filter<br />
+<br />
UT<br />
-<br />
RS<br />
47k<br />
RG<br />
100k<br />
RM<br />
98k<br />
VDD<br />
5V<br />
U1<br />
AD8551 125R<br />
4pF<br />
Figur 3.8: Bufferforstærkerkredsløb med belastningskredsløb<br />
A/D konverter indgang<br />
3.5pF<br />
1.667V<br />
Som det ses på figur 3.8, har vi indprogrammeret bufferforstærkerkredsløbet og har desuden<br />
tilføjet et belastningskredsløb, som er ækvivalent med A/D konvertermodulets indgang.<br />
Dette ses af databladet for AD7819 [5], figur 5, side 8. Vi har valgt at se bort fra dioderne<br />
i dette kredsløb, da det ikke er muligt for operationsforstærkerne, at afgive en spænding,<br />
som kan forspænde dioderne i lederetningen. De interne komponenter i A/D konverteren er<br />
indsat for at give en realistisk simulering, hvor operationsforstærkeren er belastet på samme<br />
måde, som i vindmåleren. Til operationsforstærkeren benytter vi en model, som er leveret af<br />
Analog Devices [7].<br />
Transduceren og filteret erstatter vi med en DC spændingsforsyning, UT. Det er denne<br />
spændingsforsyning vi sætter til at variere, når vi foretager DC Sweep målingen. Vi er mest<br />
interesserede i at se operationsforstærkerens ydelse i yderpunkterne af dens arbejdsområde,<br />
da det er her, der kan opstå problemer i forbindelse med VOH og VOL. Derfor vil vi lave to<br />
DC Sweep målinger:<br />
1. Måling<br />
2. Måling<br />
Fra 0 mV til 2 mV i 1 µV trin.<br />
Fra 2523 mV til 2525 mV i 1 µV trin.<br />
Proben indsættes på udgangen af operationsforstærkeren, da det er denne der føres videre til<br />
A/D konverteren. Vi refererer til dette punkt med betegnelsen UOUT i det følgende.<br />
38
Resultater<br />
4.000mV<br />
3.500mV<br />
3.000mV<br />
2.500mV<br />
2.000mV<br />
1.500mV<br />
1.000mV<br />
0.500mV<br />
3.2. BUFFERFORSTÆRKER<br />
0.000mV<br />
0.000mV 0.250mV 0.500mV 0.750mV 1.000mV 1.250mV 1.500mV 1.750mV 2.000mV<br />
Figur 3.9: Resultat af første måling. 1. Akse: UT 2. Akse: UOUT<br />
Figur 3.9 viser resultatet af første måling. Vi kan se, at VOL ikke har den ventede virkning,<br />
når udgangsspændingen går mod 0. Grafen viser, at operationsforstærkeren fuldt ud er i<br />
stand til at bevare en konstant AV, mens UOUT går mod 0.<br />
4.9995 V<br />
4.9990 V<br />
4.9985 V<br />
4.9980 V<br />
4.9975 V<br />
4.9970 V<br />
4.9965 V<br />
4.9960 V<br />
4.9955 V<br />
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<br />
Figur 3.10: Resultat af anden måling. 1. Akse: UT 2. Akse: UOUT<br />
Figur 3.10 viser resultatet af anden måling. Her ser vi en anden situation, hvor operationsforstærkeren<br />
ikke er i stand til at bevare en konstant AV mens UOUT går mod 2525 mV . Ud<br />
fra grafen kan vi se, at VOH er 900 µV , og at dette får en virkning ved UT 2524 8 mV. Det<br />
vil sige, at de sidste 0.2 mV af indgangens arbejdsområde ikke forstærkes ligeså meget som<br />
resten af området. Omregnet til m s, kan vi se, hvilken indflydelse dette har:<br />
Δv ¡ ΔU<br />
αT<br />
¡ 0 2mV<br />
65 661mV m s<br />
3 046mm s (3.18)<br />
Det vil sige, at vindhastigheder større end 39.996954 m s ikke kan gengives på udgangen af<br />
operationsforstærkeren. Dette er ikke noget problem, da A/D konverteren vil afrunde dette<br />
tal til 40 m s alligevel.<br />
På figur 3.10 kan vi desuden se, at grafen ville ramme 4.9995 V, når UT går mod 2525 mV,<br />
hvis ikke VOH havde indvirkning på forstærkningen. Dette viser, at den reelle forstærkning<br />
er 4¡ 9995V<br />
2¡ præcis ¡ 525V 1 98 som dimensioneret.<br />
39
KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK<br />
Ud fra dette kan vi konkludere, at bufferforstærkermodulet i praksis lever op til de krav, vi<br />
har stillet, og i øvrigt kan forudsiges at opføre sig på en så neutral måde, at det ikke vil<br />
påvirke målingernes præcision, i det totale kredsløb det indgår i.<br />
3.3 A/D konverter<br />
For at vælge en A/D konverter, som vil passe til vores kredsløb, må vi først opstille krav, som<br />
den skal kunne opfylde med hensyn til inputsignal, outputsignal og temperaturbelastninger.<br />
3.3.1 Krav til konverteren<br />
Konverteren skal arbejde med et DC-signal, som genereres af transduceren. Konverteren<br />
skal være i stand til at konvertere DC-signalet til et digitalt signal. Vi kan ud fra kravspecifikationen<br />
se, at vi får 81 måleværdier, da den skal være i stand til at måle op til 40 m s med<br />
et interval på 0.5 m s. For at konverteren skal kunne arbejde med 81 måleværdier, skal vi<br />
benytte en 7 bit konverter, som kan udskrive 128 forskellige dataværdier. Vi vælger at bruge<br />
en 8 bit konverter, da det er en standard konverter og dermed billigere end en 7 bit konverter.<br />
Til den senere signalbehandling skal vi bruge et vist antal måleværdier til en senere gennemsnitberegning.<br />
Mange måleværdier vil kræve meget hukommelse af lagringsenheden, derfor<br />
vælger vi, at konverteren skal have en samplingfrekvens på 1 sampling s, da vi mener, det<br />
vil give en brugbar gennemsnitberegning.<br />
Opsamling på kravspecifikation for A/D-konverter<br />
Skal kunne bruges til DC-signal<br />
8 bit output<br />
Sample frekvens på 1 sample s<br />
3.3.2 Valg af konvertertype<br />
I vores produkt vil en A/D konverterkreds blive brugt til at omsætte den analoge værdi, vi<br />
får fra transducerens forstærkerkreds til et digitalt signal, der efterfølgende kan behandles<br />
og videresendes til en digital displayenhed. Vi har valgt at se nærmere på den mest udbredte<br />
udgave til almen brug, nemlig den der kaldes successive approximation A/D konverter, som<br />
vi har beskrevet nærmere i appendiks E.<br />
Successive approximation A/D konverter er den mest anvendte konverter til allround brug.<br />
Denne type konverter betegnes som en både hurtig og præcis konverter. Det vil ikke være<br />
nødvendigt med en hurtig konverter i vores produkt, da vi kun har brug for at foretage en<br />
måling 1 gang per sekund. Derimod er præcision vigtig, da vi ønsker en præcis gengivelse<br />
af vindens hastighed. Vi mener derfor, at denne konvertertype er en passende konverter til<br />
brug i dette modul.<br />
40
3.3.3 Valg af A/D konverter<br />
3.3. A/D KONVERTER<br />
Analog Devices fremstiller blandt andet A/D konvertere. En af deres konvertere, AD7819,<br />
opfylder vores krav.<br />
I følge databladet [5] er AD7819 en integreret 8 bit successive approximation A/D konverter,<br />
der kan arbejde med et inputsignal med en spænding på mellem 0 og 5.5 V. Ligeledes er den<br />
i stand til at arbejde med et DC-signal. Signalet, som genereres af transduceren, er blevet<br />
forstærket af bufferforstærkeren. Vi må derfor stille det krav til denne, at vi ikke får en<br />
spænding på over 5 V, da konverteren vil blive ødelagt ved en spænding større end 5.5 V.<br />
Det giver os en sikkerhedsmargin på 0.5 V.<br />
Konverteren er konstrueret til at bruge en spændingsforsyning på 5 V . Da det ligeledes er<br />
muligt at bruge spændingsforsyningens 5 V til referencespændingen, VREF, vil det simplificere<br />
vores kredsløbsopkobling. VREF er den spænding, som angiver den største gyldige<br />
måleværdi, der accepteres på indgangen.<br />
AD7819 er i stand til at foretage 200000 samplinger s, men vi har tidligere valgt at sætte<br />
samplingraten til 1 sampling s og dette gøres ved at en Timer 1 gang per sekund sender en<br />
impuls ind på CONVST . AD7819 har en automatisk powerdown funktion, som betyder at<br />
konverteren går i standby mellem konverteringerne og det gør det muligt at minimere strømforbruget.<br />
Det betyder at AD7819 har to powermodes som tilpasses efter samplingraten.<br />
Mode 1 bruges ved en samplingrate højere end 100 kSPS 2 . Konverteren foretager ikke et<br />
power-down mellem konverteringerne, da samplingraten er så høj, at forsinkelser i<br />
konverteringen kan medføre fejlkonverteringer.<br />
Mode 2 bruges så ved lavere samplingrates for at mindske strømforbruget mest muligt.<br />
Dette sker ved at CONVST går logisk lav før BUSY, der er et logisk output signal,<br />
der bruges til at indikere at konverteren er i gang med en konvertering. Dette betyder<br />
at konverteren foretager en powerdown. Konverteren startes igen ved at en impuls<br />
sendes ind på CONVST.<br />
Ud fra datasiderne [5] kan vi se, at AD7819 er testet i et temperaturområde mellem -40 C<br />
og +125 C. Det vil sige, at den er i stand til at klare de danske temperaturforandringer.<br />
3.3.4 Kredsløbsopkobling<br />
På kredsløbsdiagrammet i appendiks C ses, at vi har indsat to kondensatorer på hhv. 100 nF<br />
og 10 µF ved spændingsforsyningen, der har til formål at fjerne eventuel støj og kompensere<br />
for momentant større strømforbrug.<br />
Konverterens spændingsforsyning kobles på VDD og er på 5 V .<br />
Det analoge DC-inputsignal, som skal konverteres, sendes ind på VIN. VIN er koblet på bufferforstærkeren<br />
og får en DC-spænding mellem 0 - 5 V.<br />
2 Kilo samples per sekund<br />
41
GND er den analoge og digitale stelforbindelse.<br />
CONVST forbindes til timeren, som styrer samplingraten.<br />
KAPITEL 3. DESIGN AF ELEKTRONIK<br />
CS er et inputsignal, der sættes til logisk lav, ved at forbinde den til GND , da vi ikke har<br />
flere chip at vælge mellem.<br />
RD er et inputsignal, der sættes logisk lavt, når konverteren er færdig med en sampling<br />
og man ønsker, at overføre den fundne binære værdi til udgangen. RD skal forbindes til<br />
BUSY da vi så får udlæst den binære værdi, så snart konverteringen er slut. Dette kan ses på<br />
pulsdiagrammet på figur 3.11.<br />
BUSY<br />
RD<br />
CONVST<br />
CS<br />
Figur 3.11: Pulsdiagram for konverteren<br />
BUSY er et outputsignal, der går logisk højt, når konverteren er i gang med en sampling<br />
og derfor ikke klar til at modtage et CONVST signal. BUSY fortæller det efterfølgende<br />
modul, at et nyt gyldigt signal er parat til videre databehandling, når den logisk går lavt. Et<br />
CONVST-signal mens BUSY er logisk høj, vil medføre en fejlkonvertering.<br />
Databenene DB0¢ 7 er de ben, hvor den binære værdi optræder, når RD går lav. Den mindstbetydende<br />
bit, LSB, ligger på DB0, mens den mestbetydende bit, MSB, ligger DB7. DB0¢ 7<br />
forbindes med gennemsnitmodulet.<br />
3.3.5 Timer<br />
Timeren skal generere et signal, CLK, der skal være et firkantsignal med en frekvens på 1<br />
Hz, og en dutycycle 3 på 10%.<br />
Til dette formål vil vi bruge en astabil multivibrator. Det er et kredsløb med en enkelt udgang,<br />
som ikke er stabil i hverken høj eller lav tilstand. Dette vil medføre, at kredsløbet vil<br />
skifte tilstand kontinuerligt. Vi skal opbygge kredsløbet, så tiden, der går mellem tilstandskift,<br />
fører til at signalet lever op til de krav, vi stiller omkring dutycycle og frekvens.<br />
Præcisionen for dette kredsløb er kritisk for hele instrumentet, da senere gennemsnitberegninger<br />
beror på, at målinger udtages med en frekvens på præcis 1 Hz.<br />
Funktionen er lettest tilgængelig ved en specifik opkobling af den integrerede kreds NE555.<br />
Denne kreds tilbydes blandt andre af Fairchild Semiconductor [13].<br />
42<br />
3 Det tidsmæssige forhold mellem høj og lav tilstand på en logisk bølgeform<br />
Lav<br />
T
3.3. A/D KONVERTER<br />
Databladet for NE555 [14] beskriver en astabil multivibratoropkobling af kredsen, men<br />
denne kan kun benyttes, hvis dutycycle ligger over 55%. En velkendt ændring på dette<br />
kredsløb er at tilføje en diode over en af modstandene, og dermed åbne for muligheden<br />
for at have en lavere dutycycle. Hos Williamson Labs [31] har vi fundet formler, hvormed<br />
vi kan beregne komponentværdier til denne opkobling. I appendiks C ses, hvordan kredsen<br />
er opkoblet. De komponenter, der har betydning for frekvens og dutycycle, er RA¤ RB og CC,<br />
og her følger formler til beregninger:<br />
T1 ¡ 2RACC<br />
3<br />
T2 ¡ 2RBCC<br />
3<br />
RA ¡ 3T1<br />
2CC<br />
RB ¡ 3T2<br />
2CC<br />
(3.19)<br />
(3.20)<br />
For hvilket det gælder, at T1 er den periode, hvor kredsen befinder sig i logisk høj tilstand<br />
og T2 er den periode, hvor kredsen befinder sig i logisk lav tilstand. Heraf følger:<br />
Hvor f betegner signalets frekvens.<br />
f ¡ 1<br />
Vi vælger CC til 1 uF, og beregner RA og RB:<br />
Komponentvalg<br />
T1§ T2<br />
RA ¡ ¡ 3T1<br />
2CC<br />
3 0 1S<br />
2 10 6F RB ¡ ¡ 3T2<br />
2CC<br />
3 0 9S<br />
2 10 6F (3.21)<br />
¡ 150kΩ (3.22)<br />
¡ 1350kΩ (3.23)<br />
Af hensyn til præcisionen benytter vi til RA og RB 1% metalfilm modstande som er karakteriserede<br />
ved lav temperaturafhængighed. Til CC benyttes kondensatorer med så høj præcision<br />
som muligt, højest 5% tolerance. Dette kan opnås med f.eks. Vishays 378 serie af polypropylene<br />
kondensatorer.<br />
43
Kapitel 4<br />
Strategiske overvejelser<br />
Dette kapitel beskæftiger sig med strategiske ledelsesmæssige overvejelser i forhold til etablering<br />
af en virksomhed, der producerer og udvikler det designede udlæsningsinstrument.<br />
4.1 Virksomhedens ide og mål<br />
Ideen med virksomheden er, at der bruges tekniske ressourcer til at udvikle et godt produkt,<br />
som opfylder brugernes behov. I vores tilfælde er det et udlæsningsinstrument til en<br />
eksisterende vindmåler.<br />
Virksomheden skal definere nogle mål for, hvorledes ideen skal realiseres. Målene skal<br />
kunne være målbare, så man senere kan se om målene er blevet opfyldt. Vi har defineret<br />
målene for virksomheden således:<br />
Skal give overskud det første år Virksomheden skal give et overskud, der er så stort, at<br />
medejerne tjener penge nok til, at de kan opretholde samme levestandard, som inden<br />
de gik ind i virksomheden. Det vil sige, at der skal være en indtjening på mindst<br />
200 000 kr. pr. medejer det første år.<br />
Vi skal besidde 5 % af det danske marked det første år Med en markedsandel på 5 %<br />
vil virksomheden have gjort sig bemærket på det danske marked, og vil derefter kunne<br />
udbygge sin position yderligere.<br />
Godt arbejdsmiljø Arbejdsmiljøet skal være behageligt og inspirerende, så det er muligt<br />
at opretholde begejstringen for arbejdet. Dette gøres målbart ud fra følgende kriterier:<br />
Hver medarbejder må maksimalt have 5 sygedage om året, og 80 % af de ansatte skal,<br />
i en spørgeskemaundersøgelse, have givet udtryk for, at de er tilfredse med arbejdsmiljøet<br />
på virksomheden.<br />
44
4.2 Selskabsform<br />
4.2. SELSKABSFORM<br />
Det skal være et aktieselskab, hvor de personer, som tager initiativ til at starte virksomheden<br />
op, er både ansatte og aktionærer. Grunden til dette valg af selskabsform er, at aktionærerne<br />
kun hæfter begrænset, og at man undgår dobbeltbeskatning af udbyttet, i modsætning til<br />
et anpartsselskab. Begrænset hæftelse er en klar fordel, hvis virksomheden ikke kan klare<br />
markedsvilkårene, og derfor må lukke. Aktionærerne mister kun deres aktier, men hæfter<br />
derudover ikke personligt.<br />
En ulempe ved aktieselskaber er, at der skal skaffes en aktiekapital på mindst 500 000 kr,<br />
men med 5-6 aktionærer, som tror på ideen, vil det ikke være umuligt. Beslutningsprocessen<br />
kan være besværlig, for selvom der af bestyrelsen er udpeget en direktør, vil større beslutninger<br />
skulle vedtages af bestyrelsen, alt efter hvordan selskabets vedtægter er formuleret.<br />
Aktieselskaber er underlagt kontrol af Selskabsstyrelsen og EU, så der stilles krav, som skal<br />
overholdes, og dette kan indskrænke virksomhedens handlefrihed.<br />
Hvis en aktionær trækker sig tilbage, skal de andre aktionærer købe hans aktier, så aktiekapitalen<br />
hele tiden er på minimum 500 000 kr.<br />
4.3 Nær- og fjernmiljø<br />
Nærmiljø<br />
Kultur<br />
Bank<br />
Lovgivning<br />
Fjernmiljø<br />
Nærmiljø<br />
Leverandører<br />
Carlo Gavazzi<br />
Vetus<br />
Teknologi<br />
Sejlere<br />
Havne<br />
Samfundsøkonomi<br />
Figur 4.1: Virksomhedens nær- og fjernmiljø<br />
En virksomheds nærmiljø er de elementer, hvor virksomheden og elementerne gensidigt<br />
påvirker hinanden. I vores tilfælde vil der være tale om:<br />
45
KAPITEL 4. STRATEGISKE OVERVEJELSER<br />
Kunder Uden kunder tjenes der ikke penge. Kunderne kunne for eksempel være sejlere og<br />
havne rundt om i landet.<br />
Leverandører Uden leverandører kan man ikke levere et produkt, og da virksomheden vil<br />
være kunder hos dens leverandører, opstår der et gensidigt afhængighedsforhold. I<br />
dette tilfælde vil leverandørerne levere komponenter og måske færdige produkter til<br />
videresalg.<br />
Bank Banken er en finansieringskilde, og er nødvendig for at virksomheden kan drives.<br />
Omvendt tjener banken penge på at have virksomheden som kunde.<br />
Konkurrenter Konkurrenterne er en vigtig faktor, virksomheden vil være tæt knyttet til<br />
dem, forstået på den måde, at hvis konkurrenten udvikler et nyt produkt, vil virksomheden<br />
også være nødt til at udvikle sit produkt, da kunderne som regel vil vælge<br />
det nye og forbedrede produkt frem for det ældre. I dette tilfælde kan konkurrenterne<br />
være Vetus, som har leveret havnefogedens transducer og Carlo Gavazzi, som vi besøgte<br />
på ekskursion. Carlo Gavazzi leverer færdige vindmålere. Begge konkurrenter<br />
er allerede veletablerede.<br />
Fjernmiljø<br />
Fjernmiljøet er de elementer, som ikke direkte påvirker virksomheden, men indirekte via de<br />
ændringer, som de fremkalder i nærmiljøet. I vores tilfælde består fjernmiljøet af:<br />
Teknologi Teknologien i samfundet bliver mere og mere avanceret, man bliver nødt til at<br />
følge med, enten ved at udvikle nye produkter, som har flere og mere avancerede<br />
funktioner, eller ved at gøre apparaterne mere simple, så der kan konkurreres på brugervenligheden<br />
i forhold til de mere betjeningstunge apparater.<br />
Samfundsøkonomi Hvis samfundets økonomi er i vækst, vil det være lettere at sælge produktet,<br />
end hvis der er afmatning, da kunders købelyst er meget<br />
mindre, når man har en periode med afmatning.<br />
Kultur Kunder er meget ofte påvirket af trends, som mange gange er styret af kultur. Eksempelvis<br />
er der en del trends, som knytter sig specielt til ungdomskulturen. Specielt<br />
ved modeprodukter er det meget vigtigt at følge trends, for at undgå at produktet<br />
virker utidssvarende. En trend kunne også være, at det bliver moderne at tænke på<br />
sikkerheden, og det ville øge interessen for produktet.<br />
Lovgivning Der kan være lovkrav, produktet skal opfylde for at være lovligt, enten fordi<br />
det kan være farligt for forbrugeren, eller hvis patentregler overtrædes. Derfor må<br />
produktet tilpasses, så det opfylder lovkravene.<br />
4.4 Ansvarsfordeling<br />
Der tages udgangspunkt i, at 5-6 personer får en ide om at starte virksomheden, og det kan<br />
tænkes, at de har forskellige indgangsvinkler til virksomheden grundet forskellige uddannelser<br />
og tidligere arbejdsområder.<br />
46
4.5. SWOT-ANALYSE<br />
Det vil være hensigtsmæssigt med en direktør, som organiserer og koordinerer arbejdet, og<br />
under denne person, vil det være hensigtsmæssigt at dele de ansatte op i små undergrupper,<br />
som tager sig af de forskellige ansvarsområder. Det vil måske være en fordel med mindst<br />
en aktionær i hver undergruppe, så der vil være en person, der styrer undergruppen. Undergrupperne<br />
kunne f.eks. deles op således:<br />
Udvikling Produktet skal udvikles, og her vil det være en fordel med nogle ingeniører, som<br />
i kraft af deres tekniske viden kan varetage denne del og komme med nye ideer til<br />
udvikling, så der kan konkurreres med et stadigt bedre produkt.<br />
Produktion Produktionen er vigtig, men da der er tale om en lille virksomhed, vil produktionen<br />
blive lagt ud til underleverandører, der kan producere komponenter billigere<br />
end den lille virksomhed, da de har det fornødne produktionsapparat. I vores tilfælde<br />
vil denne undergruppes opgave bestå i at udvælge og tage kontakt til underleverandørerne<br />
samt at kontrollere kvaliteten af det leverede. Da dette kræver teknisk viden, vil<br />
det også være en god ide, hvis denne gruppe indeholder ingeniører.<br />
Indkøb Hvis virksomheden selv producerer noget, vil det være nødvendigt med en indkøbsafdeling,<br />
der sørger for at produktionsafdelingen altid har de materialer, som der<br />
er brug for.<br />
Markedsføring/salg Produktet skal sælges, for at der kan tjenes penge, og det vil være<br />
vigtigt med en gruppe, der er blandet af folk med teknisk viden samt folk med viden<br />
omkring markedsføring. Markedsføringsfolkene skal have den fornødne erfaring og<br />
de nødvendige ideer til at få produktet præsenteret. Derudover vil personer med teknisk<br />
baggrund kunne medvirke til at øge produktets troværdighed ved at understøtte<br />
marketingsfolkene med ingeniørernes tekniske viden.<br />
Økonomi/bogholderi For at holde styr på økonomien er det nødvendigt at have en økonomiafdeling,<br />
som tager sig af alle de lovpligtige regnskabsførsler. Det er også nødvendigt<br />
for at kunne holde øje med, om virksomheden giver overskud, eller om man<br />
f.eks. skal holde igen med indkøb i en periode.<br />
Der vil altså være tale om organisation ud fra funktionsprincippet, da vi kun har et produkt,<br />
hvorunder de forskellige grupper er delt op efter deres funktion. Fordelen er en arbejdsdeling,<br />
hvor de ansatte er specialiserede, og tager sig af den opgave, som de er bedst til.<br />
Ulempen er, at de ansatte måske kan have svært ved at se det hele som en helhed, og derfor<br />
kan de forskellige funktioner ikke samarbejde optimalt.<br />
4.5 SWOT-analyse<br />
For at gøre opstarten af virksomheden lettere, har vi valgt at lave en SWOT-analyse, som<br />
kan hjælpe med at vælge en strategi for den videre udvikling af virksomheden.<br />
SWOT-analysemetoden går ud på, at man analyserer virksomhedens interne styrker og svagheder<br />
og de eksterne muligheder og trusler.<br />
47
Interne styrker<br />
KAPITEL 4. STRATEGISKE OVERVEJELSER<br />
Det er et godt produkt, som virker Produktet er udviklet i virksomheden, og det er et produkt,<br />
som kan konkurrere på kvaliteten.<br />
Produktet er udviklet i samarbejde med forbrugeren Via samarbejdet med havnefogeden<br />
i Nibe og spørgeskemaundersøgelsen er produktet udviklet efter forbrugernes behov.<br />
Fleksibilitet Da det kun er en lille virksomhed, kan man let omstille sig til situationen, og<br />
kan så tilbyde meget fleksible løsninger, hvis kunderne ønsker det.<br />
Større service til specifikke forbrugergrupper Der kan ydes større service til specielle<br />
grupper grundet den lille virksomheds fleksibilitet.<br />
Interne svagheder<br />
Mangler kapital Som nystartet virksomhed mangles kapital, det er svært at låne penge til<br />
etablering.<br />
Mangler know-how Det er en svaghed, når man er ny på et marked. Medarbejderne har<br />
viden om elektronik, men kender ikke vindmålermarkedet specielt godt. Specielt i<br />
markedsføringssammenhæng er det svært.<br />
Virksomheden er ikke særlig godt etableret En ny leverandør er ikke kendt hos kunderne,<br />
og når kunderne ikke kender produktet og virksomheden, er det svært at sælge produktet.<br />
Kunderne kender heller ikke kvaliteten af produktet, det kan ikke anbefales af<br />
andre kunder på baggrund af deres manglende erfaringer med produktet.<br />
Afhængighed af andre Det hele er ikke produceret i virksomheden, og det er vigtigt, at der<br />
kan fås transducere, som passer til udlæsningsinstrumentet. Man vil også være afhængig<br />
af transducerproducentens og de andre underleverandørers leveringsdygtighed.<br />
Eksterne muligheder<br />
Der er et behov Vores spørgeskemaundersøgelse har vist, at der er et behov i Danmark. Bl.<br />
a. mener sejlere, at der bør være en vindmåler i alle havne. Derfor er der muligheder<br />
for at afsætte produktet. Hvis der er et behov i Danmark er der også stor sandsynlighed<br />
for, at der er det i andre lande med havne er behov for en vindmåler. Derfor kunne man<br />
ekspandere til andre lande.<br />
Der er allerede kunder Havnefogeden i Nibe er den første kunde, eftersom produktet er<br />
udviklet til ham. Når han får produktet bliver han måske så begejstret, at han anbefaler<br />
det til andre.<br />
Eksterne trusler<br />
Veletableret marked Produktet er ikke banebrydende, og det vil måske være svært at etablere<br />
sig på markedet.<br />
48
4.5. SWOT-ANALYSE<br />
Konkurrenter Netop når produktet ikke er så specielt, vil kunderne nok vælge at købe det<br />
billigste produkt, og dette kan i mange tilfælde være konkurrenterne. Hvis man ender<br />
i en priskrig med konkurrenterne, vil konkurrenterne nok være de stærkeste, da de er<br />
etablerede i forhold til en nystartet virksomhed, som ikke har den store kapital.<br />
4.5.1 SWOT-matrix<br />
For at gøre valget af strategi lettere har vi stillet resultaterne af SWOT-analysen op i en<br />
SWOT-matrix. Strategivalget er skrevet ind i matricen, og valget bliver begrundet senere i<br />
afsnittet.<br />
Interne styrker Interne svagheder<br />
Godt produkt<br />
Udviklet i samarbejde med<br />
forbruger<br />
Fleksibilitet<br />
Større service til specifikke<br />
forbrugergrupper<br />
Mangler kapital<br />
Mangler know-how<br />
Virksomheden er ikke særlig<br />
godt etableret<br />
Afhængige af andre<br />
Eksterne muligheder<br />
Der er et behov maxi-maxi mini-maxi<br />
Der er allerede kunder<br />
Eksterne trusler Konkurrenter<br />
Veletableret marked<br />
4.5.2 Strategivalg<br />
På baggrund af SWOT-matricen har vi valgt at benytte følgende 2 strategier i den nævnte<br />
rækkefølge:<br />
Mini-maxi strategi I starten vil virksomheden benytte denne strategi, da der er nogle svagheder,<br />
som vil gøre virksomheden for sårbar i en konkurrence. Der bør etableres et<br />
samarbejde med et allerede etableret firma, som kender noget til markedet. Samarbejdspartneren<br />
kan så sælge og distribuere produktet. Ulempen er, at man skal passe<br />
på, at det ikke bliver samarbejdspartneren, der er større end den nystartede virksomhed,<br />
som vil forsøge at overtage magten over virksomheden, og måske tvinge den til<br />
at underlægge sig deres krav. Derfor skal der udformes en samarbejdskontrakt, som<br />
tilgodeser begge parters interesser.<br />
Maxi-maxi strategi Når virksomheden senere har fået opbygget en kundekreds og kapital<br />
vil den opsige samarbejdet med partneren, fordi de værste huller så er dækket, og der<br />
kan så arbejdes på de interne styrker.<br />
49
4.6 Sammendrag<br />
KAPITEL 4. STRATEGISKE OVERVEJELSER<br />
I de ovenstående afsnit har vi valgt et aktieselskab som den mest hensigtsmæssige selskabsform<br />
på grund af beskatningsregler og begrænset hæftelse. Der blev også defineret klare<br />
mål, som skal opfyldes. En niveaudelt selskabsform blev valgt for at få en overordnet organisation.<br />
Disse beslutninger, mener vi, vil gøre det muligt at få etableret en bæredygtig virksomhed.<br />
Det skal dog bemærkes, at da markedet for udlæsningsinstrumenter til vindtransducere alene<br />
ikke er særlig stort, vil det ikke være muligt at etablere en virksomhed, der kun udvikler og<br />
producerer udlæsningsinstrumenter.<br />
I SWOT-analysen blev der både defineret styrker og svagheder, og der blev fundet ud af,<br />
hvilke strategier det vil være hensigtsmæssigt at benytte, og hvornår.<br />
Fordelen med SWOT-analysen er, at det er en let og overskuelig måde at vælge strategi på.<br />
Ulempen er, at nogle punkter både kan være en svaghed og en styrke, og det derfor er svært<br />
at sætte punkter ind under svagheder og styrker. Den generelle ulempe ved modeller er, at<br />
de ikke går i dybden med alting, og derfor ikke er fuldstændigt dækkende.<br />
50
Konklusion<br />
I Nibe Havn er der fra havnefogedens side udtrykt et ønske om at kunne yde en ekstra service<br />
til havnens brugere, ved at installere en vindmåler. Vi har derfor udarbejdet en færdig løsningsmodel<br />
til at efterkomme dette ønske. I denne process har vi først foretaget en grundig<br />
problemanalyse, hvor vi har forsøgt at anvende flere metoder til at analysere problemaspekter<br />
forbundet med udviklingen af et færdigt produkt.<br />
I en behovsanalyse har vi ved hjælp af en spørgeskemaundersøgelse påvist, at der er et<br />
reelt behov for en vindmåler. Denne analyse kortlagde de specifikke behov og ønsker, som<br />
brugerne har. På baggrund af dette blev der lavet en produktmatrix, hvor vi prioriterede<br />
produktets forskellige parametre i forhold til hinanden. Dette blev gjort for at bestemme,<br />
hvilke aspekter der skulle tages hensyn til i udviklingen af produktet. Her fandt vi frem til,<br />
at der specielt skulle lægges vægt på produktets pålidelighed og brugervenlighed, men fandt<br />
det også vigtigt at fokusere på at designe et produkt med lave krav til vedligeholdelse.<br />
Da Nibe Havn allerede er i besiddelse af en vindhastighedstransducer, fandt vi det nødvendigt<br />
at analysere denne, for at afgøre, om det er muligt med en implementering sammen<br />
med vores produkt. I denne forbindelse fandt vi det også interessant at se nærmere på andre<br />
transducertyper og sammenligne disse. På trods af flere gode alternativer faldt vores valg<br />
på Nibe Havns transducer, da den efter vores opfattelse var tilfredsstillende til formålet. I<br />
denne afgørelse blev der også taget hensyn til undertemabeskrivelsens krav om hovedvægt<br />
på analog elektronik.<br />
Der er også blevet foretaget undersøgelser og overvejelser angående vind og transducerens<br />
placering, hvor vi fandt ud af, at vi får en acceptabel måling, hvis transduceren er placeret<br />
på taget af havnefogedens kontor.<br />
I afsnittet om displaytyper undersøgte vi de forskellige displaytyper, og fandt et LED-display<br />
bedst egnet til produktet.<br />
Resultater og beslutninger, der er blevet foretaget i problemanalysen, har dannet grundlag<br />
for rapportens næste del; systembeskrivelsen. Her er blevet udarbejdet et principdiagram<br />
for, samt en beskrivelse af, de forskellige moduler, der er nødvendige at implementere i<br />
produktet for at tilfredstille de krav og specifikationer der er angivet i kravspecifikationen.<br />
Systembeskrivelsen har ført til en række tekniske problemer, der bliver behandlet i kapitlet<br />
Design af Elektronik.<br />
RC-filteret er blevet designet for at fjerne støjproblemer, der blev påvist på transducerens<br />
51
. KONKLUSION<br />
signal under analyse af dette. Efter beregninger og design af RC-leddet, konstruerede og<br />
undersøgte vi det i laboratoriet, hvor vi fastslog, at det havde den forventede virkning.<br />
For at undgå en belastning af transduceren fra A/D konverteren, og for at forstærke signalet,<br />
har vi designet en bufferforstærker. For at kunne undersøge om bufferforstærkeren teoretisk<br />
virker efter hensigten, har vi foretaget en computersimulering, hvor vi fandt resultatet<br />
tilfredsstillende.<br />
Vi har undersøgt virkemåden af den mest anvendte allround A/D konverter, og fundet denne<br />
anvendelig i næste led i signalkæden. Et specifikt integreret A/D konverterkredsløb er blevet<br />
valgt og designet.<br />
Vi mener, at det løsningsforslag vi har udviklet, er tilfredsstillende i forhold til vores problemformulering<br />
og projektafgrænsning.<br />
Til slut har vi valgt at lave strategiske overvejelser i forhold til etablering af en virksomhed,<br />
der producerer og udvikler det designede produkt. Vi har fundet at et aktieselskab, hvor<br />
aktionærerne også er ansatte i virksomheden, er at foretrække på grund af økonomiske fordele.<br />
Vi kunne dog konkludere, at det ikke vil være bæredygtigt med en virksomhed, der<br />
kun producerer udlæsningsinstrumenter til vindhastighedstransducere.<br />
52
Litteratur<br />
[1] Adaptive Micro System: http://www.ams-i.com/<br />
[2] Adaptive Micro Systems: Understanding Outdoor LED Electronic Signs Er downloaded<br />
fra http://www.pace-setter.com/docs/understandingoutdoorsigns.pdf - d.<br />
10/12-01. Rapporten er desuden vedlagt på medie.<br />
[3] Svend Albrechtsen: Komma’s bog om søvejsregler, 1. udgave, 1. oplag, 2000, Aschehoug<br />
Dansk Forlag A/S, ISBN 87-11-16236-8<br />
[4] Altium Limited: http://www.circuitmaker.com<br />
[5] Analog Devices: Datablad for AD7819, Er downloadet fra<br />
http://www.analog.com/productSelection/pdf/AD7819_b.pdf - d. 10/12-01.<br />
Databladet er desuden vedlagt på medie.<br />
[6] Analog Devices: Datablad for AD8551, Er downloadet fra<br />
http://www.analog.com/productSelection/pdf/AD8551_2_4_0.pdf - d. 10/12-<br />
01. Databladet er desuden vedlagt på medie.<br />
[7] Analog Devices: SPICE model for AD8551, Er downloadet fra<br />
http://www.analog.com/techSupport/designTools/spiceModels/ad8551.cir - d.<br />
10/12-01. Modellen er desuden vedlagt på medie.<br />
[8] Danish Wind Controller: http://www.dwc-el.dk<br />
[9] Danmarks Meteorologiske Institut: http://www.dmi.dk<br />
[10] Danmarks Meteorologiske Institut - Forskning og Udvikling: http://www.dmi.dk/f+u/<br />
[11] red. Hans Ebert: Elektronik Ståbi, 7. udgave, 1. oplag, 1995, Teknisk Forlag A/S, ISBN<br />
87-571-1481-1<br />
[12] Jan Ebert: Politikens Sejlerbog, 2. udgave, 2. oplag, 1996, Politikens Folag A/S, ISBN<br />
87-567-5394-2<br />
[13] Fairchild Semiconductor: http://www.fairchildsemi.com<br />
[14] Fairchild Semiconductor: Datablad for NE555, Downloaded fra<br />
http://www.fairchildsemi.com/ds/NE/NE555.pdf - d. 10/12-01. Er desuden<br />
vedlagt på medie.<br />
[15] Farnell: Hovedkatalog 2000, Farnell Danmark A/S.<br />
53
LITTERATUR<br />
[16] Steffen H. Hartby: Vindguide - Meteorologi for sejlere, 1. udgave, 1. oplag, 1994, Gyldendalske<br />
Boghandel, ISBN 87-00-16956-0<br />
[17] Ryan Holm: Basis Elektronik, 1. udgave, 4. oplag, 1981, Gyldendalske Boghandel,<br />
ISBN 87-01-23521-4<br />
[18] Erik Hüche & Mogens Probst: Analog Elektronik 1, 2. udgave, 4. oplag, 1985, Teknisk<br />
Forlag A/S, ISBN 87-571-0680-0<br />
[19] Jubii Kort over Nibe havn, Fundet på http://www.jubii.dk Der er klikket på, kort, og<br />
så har vi zoomet ind, indtil vi fandt Nibe Havn. Kortet er Copyright Dansk Vej- og<br />
Adressedatabase.<br />
[20] Brian Lawless: Fundamental Analog Electronics, 1997, Prentice Hall, ISBN 0 13<br />
534298-8<br />
[21] Torben Leinsdorff & Elin Sundgaard: Erhvervsøkonomi - i grundtræk, 4. udgave, 1998,<br />
Handelshøjskolens Forlag, ISBN 87-16-13390-0<br />
[22] Odd Arild Olsen: Instrumenteringsteknikk, Tapir, oplag og ISBN-nr ukendt.<br />
[23] Pacesetter Communication Systems: http://www.pace-setter.com<br />
[24] Karsten Algreen-Petersen: Transducer teknik, Erhvervsskolernes forlag, 1996, ISBN<br />
87-7510-638-8<br />
[25] Marianne Rostgaard: De samfundsmæssige drivræfter bag teknologiudviklingen, intern<br />
note på Aalborg Universitet.<br />
[26] SGS-Thomson: http://www.sgs.co.uk<br />
[27] William D. Stanley: Principles of Electronic Devices, 1995, Prentice Hall, ISBN 0 02<br />
415560-8<br />
[28] E. V. Sørensen m.fl: Elementær Digitalelektronik, 1. udgave 1979, Danmarks tekniske<br />
Højskole, ISBN 87 87245 82-5<br />
[29] Lene Sørensen & Viktor Vidal: strategi og planlægning som læreproces, 1. udgave,<br />
1999, Handelshøjskolens Forlag, ISBN 87-16-13451-6<br />
[30] Vetus den Ouden N. V. http://www.vetus.nl<br />
[31] Williamson Labs: NE555 timer formler, http://www.williamson-labs.com/555tutorial.htm#timing<br />
[32] Vindmølleindustrien: http://www.windpower.dk<br />
[33] Vindmølleindustrien: http://www.windpower.dk/da/tour/wres/shear.htm<br />
[34] Vindmølleindustrien: http://www.windpower.dk/da/tour/wres/turb.htm<br />
[35] Vindmølleindustrien: http://www.windpower.dk/da/tour/wres/obst.htm<br />
54
Appendiks A<br />
Vindtabel<br />
Beaufort Betegnelse Virkning M/s Vindens virkninger på land<br />
0 Stille Blankt vand 0,0-0,2 Røg stiger lige op<br />
1 Næsten stille<br />
2 Svag vind<br />
3 Let vind<br />
4 Jævn vind<br />
5 Frisk vind<br />
6 Hård vind<br />
7 Stiv kuling<br />
8 Hård kuling<br />
9<br />
10<br />
11<br />
12<br />
Stormende<br />
kuling<br />
Storm<br />
(sjælden i<br />
indlandet)<br />
Stærk storm<br />
(meget<br />
sjælden )<br />
Orkan<br />
(overordentlig<br />
sjælden )<br />
Lette krusninger,<br />
evt. blanke partier<br />
Småbølger , der ikke<br />
bryder<br />
Småbølger med<br />
toppe, der<br />
begynder at bryde<br />
uden skum<br />
Mindre bølger med<br />
spredte skumtoppe<br />
Rullende bølger<br />
med markante<br />
skumtoppe<br />
Kraftig sø med<br />
hvide skumtoppe<br />
overalt<br />
Skummet trækkes<br />
ud i bælter, grov sø<br />
Mange og store<br />
brådsøer , skummet<br />
begynder at flyve<br />
Svære brydende<br />
søer , vandet fyger<br />
fra toppene<br />
Havet næsten hvidt<br />
af skum , der også<br />
gennem luften<br />
Voldsomt brydende<br />
sø, luften fyldt med<br />
fygende vand<br />
Havet i vildt oprør ,<br />
luften tyk af vand ,<br />
ophold på dæk<br />
umuligt<br />
0,3-1,5<br />
1,6-3,3<br />
3,4-5,4<br />
5,5-7,9<br />
8,0-10,7<br />
10,8-13,8<br />
13,9-17,1<br />
17,2-20,7<br />
20,8-24,4<br />
24,5-28,4<br />
28,5-32,6<br />
32,7 og<br />
derover<br />
Røgens drift viser netop<br />
vindens retning, vindfløje<br />
påvirkes ikke<br />
Vinden føles i ansigtet; små<br />
blade bevæger sig, vimpel<br />
løftes (i god stand) viser<br />
vindens retning<br />
Blade og små kviste bevæger<br />
sig uafbrudt ; lette flag og<br />
vimpler strækkes<br />
Støv , løs sne og papir løftes ;<br />
kviste og mindre grene<br />
bevæger sig<br />
Små løvtræer begynder at<br />
svaje ; toppede småbølger<br />
viser sig på damme og søer<br />
Store grene bevæger sig ; det<br />
synger i telefonledningerne<br />
Større træer bevæger sig;<br />
trættende at gå imod vinden<br />
Kviste og grene brækkes af<br />
træerne besværligt at gå imod<br />
vinden<br />
Træstammer bevæges stærkt,<br />
store grene knækkes af<br />
træerne; tagsten kan blæse<br />
ned<br />
Træer rives op med rode;<br />
betydelige skader på huse<br />
Talrige ødelæggende<br />
virkninger; for at stå, må man<br />
holde sig fast<br />
Voldsomme ødelæggende<br />
virkninger<br />
Figur A.1: Tabellen er sammensat af 2 kilder [16],[12]<br />
55
Appendiks B<br />
Spørgeskemaundersøgelse<br />
Der blev besvaret 38 spørgeskemaer ved generalforsamlingen i Sejlklubben Limfjorden d.<br />
25. oktober 2001. Denne generalforsamling kom meget belejligt, da vi så kunne undersøge<br />
sejleres behov/meninger vedrørende vindmåling. Vi anser sejlerne i Sejlklubben Limfjorden<br />
for en repræsentativ gruppe, da sejlerne i Nibe og sejlerne fra Sejlklubben Limfjorden begge<br />
interesserer sig for sejlads. Spørgeskemaerne var udarbejdet af gruppe C226, men indholdet<br />
var udformet i samarbejde mellem os og gruppe C226 og C211. (Spørgeskemaet er vedlagt).<br />
Ved uddeling og indsamling af spørgeskemaer var repræsentanter fra vores gruppe C216 og<br />
C226 til stede. Senere blev spørgeskemaerne optalt, og der kom flg. resultater ud af det.<br />
1.1 I hvilken udstrækning anvender du vindhastighedsmålinger?<br />
Antal<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
Lidt Meget -<br />
Vindhastighedsmålinger er meget brugt blandt sejlere, men som det kan ses ud fra grafen,<br />
er der også nogen, som kun bruger det i ringe udstrækning. Dette kan eventuelt skyldes<br />
erfaring, forstået på den måde, at folk med meget erfaring kan se på vandet, om der er for<br />
meget vind til sejlads.<br />
56
1.2 Ville du bruge en vindmåler i en havn?<br />
Antal<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
Ja Nej -<br />
Her må der siges at være stor interesse for en vindmåler i en havn, 84% har svaret ja til<br />
spørgsmålet.<br />
Nogle af besvarerne har desuden uddybet deres besvarelser med flg. argumenter:<br />
1. For at tjekke vindhastigheden før afsejling.<br />
2. For at få en bedre måling end i egen båd.<br />
3. For at vurdere sikkerhed.<br />
4. Nysgerrighed<br />
5. Har ingen vindmåler om bord.<br />
1.3 Burde der være én vindmåler i alle havne?<br />
Antal<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
Ja Nej -<br />
Også her har 84% svaret ja til spørgsmålet, så der er bred enighed om nødvendigheden af en<br />
vindmåler i alle havne.<br />
57
1.4 Har du selv en vindmåler på din båd?<br />
Antal<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
APPENDIKS B. SPØRGESKEMAUNDERSØGELSE<br />
Ja Nej<br />
63% af de spurgte sejlere har ingen vindmåler i deres egen båd.<br />
2.1 Ville du sejle uden at have undersøgt vindhastighed og retning på forhånd?<br />
Antal<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
Ja Nej -<br />
Ca. 2/3 af sejlerne undersøger vindhastighed og retning inden de forlader havnen.<br />
58
2.2 Hvor vigtig er denne information for sejladsen?<br />
Antal<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
Lidt Meget -<br />
Her tænkes på søfartssikkerhed. Størstedelen af alle sejlere finder denne information vigtig.<br />
2.3 Hvor søger du information om vindhastighed?<br />
Antal<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
DMI<br />
Radio<br />
TV<br />
Havne<br />
Telefon<br />
Vindmåler<br />
Egen vindmåler<br />
Egen fornemmelse<br />
Mulighederne for informationssøgning er mange og flertallet bruger DMI. Det er både gennem<br />
radio/tv og direkte forbindelse til DMI via telefon og Internet.<br />
59
2.4 Hvor stor betydning har vindhastighed for sejlads?<br />
Antal<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
APPENDIKS B. SPØRGESKEMAUNDERSØGELSE<br />
Lidt Meget<br />
3/4 af de adspurgte finder, at vindhastigheden er betydningsfuld for sejlads.<br />
3.1 Vil en vindmåler både skulle oplyse om vindhastighed og vindretning?<br />
Antal<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
Ja Nej -<br />
74% mener, at en vindmåler både bør informere om vindhastighed og retning.<br />
60
3.2 Hvor nøjagtig skal vindhastigheden kunne aflæses?<br />
Antal<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
0,1 m/s 0,5 m/s 1 m/s -<br />
Der er uenighed om hvor vidt nøjagtigheden skal være 0.5 m s eller 1 m s, men dog er der<br />
et lille flertal for en nøjagtighed på 0.5 m s.<br />
3.3 I hvilke enheder vil det være relevant at vise målingerne i?<br />
Antal<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
m/s km/t knob beaufort<br />
Kun meget få har et ønske om andre udlæsningsenheder end m s, faktisk er der kun en, som<br />
mener, at det ikke vil være relevant med m/s som udlæsningsenhed.<br />
61
APPENDIKS B. SPØRGESKEMAUNDERSØGELSE<br />
3.4 Vil det have relevans, at kunne aflæse andre meteorologiske begreber så som; luftog<br />
vandtemperatur, barometer osv.?<br />
Antal<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
Barometer Vandtemp. Luft Relevant, men ikke<br />
nødvendigt<br />
En del sejlere finder det relevant også at kunne aflæse barometerstand samt luft- og vandtemperatur.<br />
Dog er der mest interesse for visning af barometerstand.<br />
Samlet konklusion<br />
Ud fra dette spørgeskema kan vi konkludere, at vindhastighed spiller en vigtig rolle for<br />
sejlere, men samtidig er det også relevant for flere sejlere at kunne aflæse vindretning og<br />
barometerstand. Der ser også ud til at være brug for en vindmåler i havnen, forstået på<br />
den måde, at sejlerne mener, at der bør være en i alle havne, og de rent faktisk vil bruge<br />
den på trods af, at en del sejlere selv har en vindmåler på deres både. En grund hertil er<br />
bl.a. unøjagtigheden ved de små vindmålere i masten på en båd. Enhedsmæssigt er der bred<br />
enighed om at udlæsningsenheden skal være m s og decimalnøjagtigheden skal enten være<br />
0.5 eller 1 m s.<br />
62
Appendiks C<br />
Samlet eldiagram
Appendiks D<br />
Operationsforstærkere<br />
Betegnelsen operationsforstærker kommer, fordi man i starten brugte dem til at udføre matematiske<br />
operationer i analoge computere. Fordelen ved operationsforstærkere er, at de er<br />
ret enkle at arbejde med, fordi man tilpasser dem til formålet ved at tilslutte udvendige<br />
komponenter som modstande og kondensatorer.<br />
Operationsforstærkere kan både bruges til at forstærke AC- og DC-signaler. De har 2 indgange,<br />
som kaldes den ikke-inverterende og den inverterende indgang. Derudover har de en<br />
udgang, hvor det forstærkede signal kommer ud. Operationsforstærkere kan både bruges til<br />
at forstærke og dæmpe signaler. Hvis signalet forstærkers er forstærkningen større end 1, og<br />
hvis signalet dæmpes er forstærkningen mindre end 1.<br />
Ved ideelle operationsforstærkere (opamps) forstås opamps, hvor forstærkningen AV samt<br />
indgangsmodstanden RIN er uendelige, mens udgangsmodstanden ROUT er 0. Derudover er<br />
båndbredden uendelig og spændingen på de 2 indgange er lige store.<br />
Det skal bemærkes, at ideelle operationsforstærker kun eksisterer i teorien. I praksis er forstærkningen<br />
ikke uendelig, men forstærker typisk max 500-1000 gange. Typisk har operationsforstærkere<br />
også en begrænset båndbredde.<br />
Modkoblingsteori<br />
Der findes forskellige modkoblingstyper for operationsforstærkere. Mest brugt er den inverterende<br />
og den ikke-inverterende kobling. Den inverterende inverterer signalet og forstærker<br />
spændingen, mens den ikke-inverterende kun forstærker spændingen.<br />
Vi vil i det følgende beskæftige os med teorien for den ikke-inverterende kobling, da det er<br />
den, som vi skal bruge i vores produkt.<br />
På grund af den meget store umodkoblede spændingsforstærkning sørger operationsforstærkeren<br />
for at holde spændingen mellem den ikke inverterende indgang og den inverterende<br />
indgang lig med 0 V .<br />
64
+<br />
U IN<br />
-<br />
R S<br />
R G<br />
R M<br />
Figur D.1: Ikke inverterende kobling med indgangsmodstand<br />
+<br />
A<br />
β<br />
+<br />
U OUT<br />
Indgang Udgang<br />
-<br />
Figur D.2: Generel model for modkoblet forstærker<br />
På figur D.2 ses en generel udgave af en forstærkerkobling. A er operationsforstærkerens<br />
forstærkning og β er tilbagekoblingsgraden. Forstærkningen af hele kredsløbet er givet ved:<br />
AV ¡ A<br />
1§ βA<br />
-<br />
(D.1)<br />
Hvor AV er systemets samlede forstærkning, A er den udæmpede forstærkning, og β er<br />
tilbagekoblingsgraden.<br />
Tilbagekoblingsgraden β kan i vores ikke-inverterende kobling på figur D.1 beregnes ved<br />
følgende formel, da modkoblingen består af en spædindingsdeler:<br />
β¡<br />
RG<br />
RM§ RG<br />
(D.2)<br />
For operationsforstærkeren gælder, at A ∞, dvs. at βA ¡ 1, vi kan derfor approximere<br />
formel D.1 og derefter forkorte brøken:<br />
AV<br />
A 1 ¡ ¡ 1§ βA β<br />
RM<br />
RG<br />
(D.3)<br />
65
Offset-fejl<br />
APPENDIKS D. OPERATIONSFORSTÆRKERE<br />
Offset-fejl er en forskydningsfejl, som resulterer i at forstærkningen bliver overlejret med<br />
en DC-spænding. Denne spænding overlejres på indgangen og derfor vil den være AV gange<br />
større på udgangen.<br />
Offset-fejl opstår hvis der er forskel på strømmene til operationsforstærkerens inverterende<br />
og ikke-inverterende indgang, de såkaldte indgangsstrømme. Fejlen opstår også da der er<br />
forskellige tolerancer på operationsforstærkerens interne komponenter. Ved nogle operationsforstærkere<br />
undgås dette ved at lasertrimme de interne komponenter. Dette er en dyr<br />
proces og derfor benytter de fleste operationsforstærkere en teknik hvor man ved hjælp af<br />
et eksternt potentiometer kan indstille DC-balancen og dermed undgå offset. Denne metode<br />
er billig og ikke særligt stabil over lang tids drift. AD8551 [6] benytter en teknik som aktivt<br />
indstiller DC-balancen, og dette afspejles i dens meget gode data på dette område.<br />
For at begrænse operationsforstærkerens DC-offset i den ikke-inverterende kobling, kan man<br />
indsætte en modstand RS i serie med den ikke-inverterende indgang på operationsforstærkeren.<br />
(Se figur D.1). Denne modstand RS skal have en modstand, der er lige så stor som<br />
erstatningsmodstanden for de to parallelkoblede modstande RM og RG, dvs. RS ¡ RM RG,<br />
dvs:<br />
66<br />
RS ¡ RM RG<br />
RM§ RG<br />
(D.4)
Appendiks E<br />
Successive Approximation A/D<br />
konverter<br />
Denne type konvertere hører ind under gruppen feedback analog to digital converters. Det<br />
vil sige, at den bruger en D/A konverter, der er koblet op mod en comparator i et feedbacksystem,<br />
for at approximere værdien af det analoge inputsignal.<br />
Principskema:<br />
Analog Ind<br />
Konverterens funktionsprincip<br />
Track<br />
Hold<br />
D/A konverter 8 bit bus<br />
Digital ud<br />
Comp<br />
digital logisk<br />
enhed<br />
Figur E.1: Principdiagram for A/D succ-aprox konverter<br />
Et analogt signal ligger over indgangen på track&hold enheden. Track&hold enheden er et<br />
system med en analog signalindgang og -udgang, og en digital kontrolindgang. Den digitale<br />
kontrolindgang styrer, om track&hold enheden er i tracking-mode eller hold-mode. Når<br />
enheden er i tracking-mode, vil den analoge udgang have samme værdi som signalet på indgangen.<br />
Når den digitale indgang styrer enheden i hold-mode, vil den "fryse"den analoge<br />
udgangs værdi, til den styres i tracking mode igen. Dette gøres, fordi det er nødvendigt at<br />
67
APPENDIKS E. SUCCESSIVE APPROXIMATION A/D KONVERTER<br />
give konverteren et stabilt indgangssignal i den tid konverteren foretager en konvertering.<br />
Det stabile analoge signal ligger nu over den ikke-inverterende indgang på comparatoren.<br />
Comparatoren er i princippet en operationsforstærker, der bliver brugt uden modkobling,<br />
og som har to output-niveauer: logisk 1 når den inverterende input er mindre end den ikkeinverterende<br />
indgang, og logisk 0 når den inverterende indgang er højere end den ikkeinverterende<br />
indgang. Outputsignalet sendes til indgangen på den digitale logiske enhed.<br />
En digital logisk enhed har til opgave at generere et digitalt binært tal. I en successive approximation<br />
A/D konverter er den logiske enhed programmeret med en algoritme, som gør<br />
at enheden fungerer næsten som en binær tæller. Algoritmen bliver styret af det signal, den<br />
får på indgangen. Den digitale logiske enhed, der ved starten af hver konvertering har alle 8<br />
outputben lig logisk 0, sætter nu det ottende og mest betydningsfulde ben lig logisk 1. Det<br />
giver den binære kode "10000000", der er lig halvdelen af den maksimale værdi en 8-bit<br />
kode kan give. E<br />
Denne binære kode sendes som input til D/A konverteren, der efterfølgende vil give et analog<br />
output, der svarer til halvdelen af den maksimale spænding, referencespændingen. D/A<br />
konvertering er en process, der konverterer værdien af et digitalt signal til et analogt signal,<br />
der har en værdi, der er proportional med den digitale indgangsværdi. Denne udgang bliver<br />
videre koblet til comparatorens inverterende indgang.<br />
Nu vil comparatoren give et logisk 1, hvis inputsignalet fra D/A konverteren er lavere end<br />
inputsignalet fra track&hold enheden og logisk 0, hvis situationen er omvendt. Dette outputsignal<br />
er koblet til den digitale logiske enheds indgang, og hvis signalet er logisk 1, vil den<br />
digitale logiske enhed lade det ottende ben på dens outputsignal blive stående som logisk 1.<br />
Den digitale logiske enhed vil nu sætte ben nummer syv lig logisk 1, sådan at D/A konverteren<br />
får et nyt indgangssignal lig "11000000"og derfor vil øge udgangsspændingen. Comparatoren<br />
vil igen måle, om signalet fra D/A konverteren er højere eller lavere end signalet<br />
fra track&hold enheden. Giver A/D konverteren nu en højere spænding, vil outputsignalet<br />
fra comparatoren blive logisk nul, som resulterer i at den digitale logiske enhed lader ben<br />
nummer syv blive stående lig logisk 0.<br />
Derefter vil den digitale logiske enhed nu sætte ben nummer seks lig logisk 1, sådan at D/A<br />
koverteren får signalet "10100000"og processen bliver gentaget, indtil den har prøvet alle 8<br />
bit-værdier.<br />
Når den digitale logiske enhed så har "vejet"alle bit, har den fuldført en konvertering, og A/D<br />
konverteren giver et binært signal på dens output. Dette er det digitale signal, der repræsenterer<br />
det analoge indgangssignal. Egenskaberne til den digitale logiske enhed bestemmer,<br />
hvilken opløsning outputsignalet får, dvs om det er 8-bit, 16-bit, 32-bit, etc. Denne bitopløsning<br />
fortæller, hvor nøjagtigt niveauet i det digitale signal repræsenterer niveauet i det<br />
analoge indgangssignal. Jo flere bit, desto større nøjagtighed.<br />
Hvis man har en inputspænding, som varierer mellem 0-5 V, VREF, og et 8-bit output, vil<br />
ændringer på kun 19.5 mV på indgangen kunne give udslag i den digitale outputværdi. Dette<br />
sker, fordi et 8-bit digitalt signal har 256 forskellige niveauer, eller tilstande, og derfor kan<br />
68
inddele indgangssignalet op i lige mange dele.<br />
5V<br />
256niveauer<br />
19 5mV ¡<br />
niveau<br />
(E.1)<br />
Tiden, der bliver brugt, kaldes konverteringstiden. Når en konvertering er blevet fuldført, får<br />
track&hold enheden et signal, som sender den i track-mode, og der bliver den, indtil den får<br />
et nyt hold-signal og en ny konvertering kan foretages.<br />
Det binære talsystem<br />
Det digitale 8-bit outputsignal aflæses på 8 mærkede ben, eller bitsignaler. Hvert af disse 8<br />
bitsignaler er en del af den binære kode for digitalsignalets værdi. Disse signaler har kun<br />
to tilstande; enten logisk 1 eller 0. Aflæses disse signaler i rigtig rækkefølge, fra 1 til 8, får<br />
man den binære kode bestående af 8 cifre. F.eks "11001011".<br />
Hvert af disse bit-signaler repræsenterer en talværdi i titalssystemet. Sammenhængen er<br />
som vist i tabellen herunder. Her ser man, at hvert af bitsignalerne repræsenterer forskellige<br />
talværdier, der er afhængige af bitsignalets placering i den binære kode. I den binære kode<br />
"11001011"vil 1-tallet længst til venstre svare til output nr. 8, og 1-tallet længst til højre<br />
svarer til output nr 1.<br />
Output nr. 8 7 6 5 4 3 2 1<br />
Talværdi 128 64 32 16 8 4 2 1<br />
Digitalværdi 1/(0) 1/(0) 1/(0) 1/(0) 1/(0) 1/(0) 1/(0) 1/(0) 255/(0)<br />
For at finde værdien af en binær kode, skal man summere alle talværdier, der hører sammen<br />
med de bitværdier, der logisk viser 1 i den binære kode. Logisk 0 betyder i denne sammenhæng<br />
også talværdien 0. For den binære kode "11001011"får vi talværdien (128+64+0+0+8+0+2+1)=203.<br />
69
Appendiks F<br />
Forsøgsjournal 1<br />
Forsøget foregik på Institut for Energiteknik, Pontoppidanstræde 107, onsdag den 14. november<br />
2001, hvor universitetet har en vindtunnel. Tilstede ved forsøget var Jan og Lars fra<br />
gruppe C216, og repræsentanter fra grupperne C211 og C226. Til tekniske spørgsmål stod<br />
ingeniørassistent Jan Christiansen til rådighed.<br />
Forsøgsformål<br />
Formålet med dette forsøg er, at lave en kvalitativ undersøgelse af udgangssignalet fra transduceren.<br />
Forsøgsbeskrivelse<br />
Apparatur:<br />
1. Vindtunnel, AUC-nr.: Inst. 14, 29809<br />
2. Transducer<br />
3. Oscilloskop, AUC-nr.: TEK-NAT Basis 52329<br />
4. Referencevindmåler, AUC-nr.: Inst. 14, 29259<br />
5. RC-led (R: 100 kΩ, C: 150 nF)<br />
6. Kabler og stativ<br />
7. Diskette<br />
For at klarlægge transducerens signal, må vi simulere en situation hvor transduceren er i<br />
brug. Til dette bruger vi vindtunnelen. Vindtunnelen er en firkantet tunnel, med målene<br />
45X45 cm. Den er tilsluttet en blæser, der sender en laminar luftstrøm gennem tunnelen.<br />
70
Det vil sige at den har en hastighedsprofil, som er jævn over hele tunnelens tværsnit. Transduceren<br />
placeres inde i tunnelen ca. 60 cm fra tunnelens udgang. Ovenover dette punkt, er<br />
der boret et hul i tunnelens øverste sideflade. Herigennem placerede vi et varmtrådsanemometer<br />
1 som referencemåler umiddelbart over transducerens kophjul. Ifølge Jan Christiansen<br />
var varmtrådsanemometeret kalibreret på forhånd. Vindtunnelen kan yde en vindhastighed<br />
på op til 24 m s, og vores målinger ligger i intervallet 0 - 23 m s. Transduceren koblede vi<br />
til et oscilloskop, som kan gemme billeder af displayet som billedfiler på en diskette.<br />
Fremgangsmåde<br />
Figur F.1: Forsøgsopstilling<br />
1. Vi begynder vores måleserie ved en vindhastighed på 2.0 m s, noterer den tilsvarende<br />
spændingsværdi og gemmer et billede af oscilloscopets display.<br />
2. Vi forhøjer vindhastigheden med 0.5 m s, noterer spændingsværdien og gemmer igen<br />
et billede af oscilloskopets display.<br />
3. Punkt 2 gentager vi, indtil vi har nået 10 m s.<br />
4. Herefter foretager vi målingerne med et mellemrum på 1 m s, indtil vindtunnelens<br />
maksimale vindhastighed opnås.<br />
1 varmtrådsanemometeret er tidlige beskrevet i afsnit 1.5.1 på side 13<br />
71
Forsøgsresultater<br />
APPENDIKS F. FORSØGSJOURNAL 1<br />
På de følgende oscilloscopbilleder der er taget ved hhv. 3.5, 6 og 22 m s ses de karakteristiske<br />
træk ved signalet. Ved 3.5 m s ses den overlejrede AC-spænding tydeligt. Ved 5 m s<br />
ses den overlejrede AC-spænding som har en væsentligt højere frekvens end ved 3.5 m s,<br />
samt en del støj. Ved 22 m s har AC-spændingen så høj en frekvens, at de enkelte perioder<br />
ikke længere kan skelnes på oscilloscopbilledet. Til gengæld kan der ses en dominerende<br />
støj med en amplitude på ca. 200 mV.<br />
72<br />
Figur F.2: Oscilloskopbillede ved 3.5 m s<br />
Figur F.3: Oscilloskopbillede ved 10 m s<br />
Figur F.4: Oscilloskopbillede ved 22 m s
Resultatbehandling<br />
Vi observerer, at transduceren ikke producerer et rent DC-signal. På oscilloskopet ser man<br />
tydeligt, at der er en overlejring af en AC-spænding og en del støj. Endvidere kan vi se,<br />
at AC-signalet og støjen forekommer ved enhver vindhastighed, og at det dermed ikke er<br />
enkeltstående tilfælde. Vi har klarlagt hvordan transducerens signal ser ud.<br />
Vi har ved at undersøge forskellige generatortyper fundet frem til, at en tachogenerator udsender<br />
et lignende signal.<br />
Tachogeneratoren er en reaktionshastighedsmåler, og begrebet induktiv bevægelsestransducer<br />
dækker også over denne.<br />
Fejlkilder<br />
Vores referencevindmåler kan være en fejlkilde, men denne er kalibreret inden forsøget, så<br />
det antages at der kan ses bort fra dette.<br />
Konklusion<br />
Vi har gennem den kvalitative analyse fundet ud af, at transduceren afgiver en DC-spænding,<br />
som er overlejret med en AC-spænding og højfrekvent støj. Vi har også klarlagt, at der<br />
virkelig er tale om en induktiv bevægelsestransducer af typen tachogenerator som antydet i<br />
afsnit 1.5.2 på side 13.<br />
73
Appendiks G<br />
Forsøgsjournal 2<br />
Forsøget foregik igen på Institut for Energiteknik, Pontoppidanstræde 107, torsdag den 29.<br />
november 2001. Tilstede ved forsøget var Jan, Thomas, Ragnar og Lars fra gruppe C216.<br />
Til tekniske spørgsmål stod ingeniørassistent Jan Christiansen til rådighed.<br />
Forsøgsformål<br />
Formålet med forsøget er at finde sammenhængen mellem transducerspænding og vindhastighed.<br />
Derudover skal vi gennem målingerne give grundlag for at undersøge om RC-leddet<br />
har haft den forventede virkning.<br />
Forsøgsbeskrivelse<br />
Apparatur:<br />
1. Vindtunnel, AUC-nr.: Inst. 14, 29809<br />
2. Transducer<br />
3. Oscilloskop, AUC-nr.: TEK-NAT Basis 52329<br />
4. Referencevindmåler, AUC-nr.: Inst. 14, 29259<br />
5. RC-led (R: 100 kΩ, C: 150 nF)<br />
6. Kabler og stativ<br />
7. Diskette<br />
Opbygning: Vi monterer transduceren i vindtunnelen efter samme retningslinier som i forsøg<br />
1, dog blev der denne gang foretaget målinger op til 24 m s . På figur G.1 ses hvordan<br />
oscilloskopet er forbundet gennem RC-leddet til transduceren.<br />
74
Referencevindmåler<br />
Vindtunnel<br />
Fremgangsmåde<br />
Transducer<br />
Figur G.1: Forsøgsopstilling<br />
RC led<br />
Oscilloscop<br />
Der henvises til fremgangsmåden for forsøg 1 i appendiks F, da disse er identiske.<br />
Forsøgsresultater<br />
Samtlige billeder fra oscilloscopet kan ses på den vedlagte cd. Vi vil i den videre resultatbehandling<br />
udtage udvalgte billeder og gengive dem i rapporten.<br />
Resultatbehandling<br />
Efter at vi har noteret vores måleværdier i en tabel, tegner vi værdierne ind i et koordinatsystem<br />
og foretager en lineær regression af datapunkterne.<br />
Dette giver os den fuldstændige overføringsfunktion for transduceren:<br />
Fejlkilder<br />
UT<br />
v¡ ¡ αT v§ βT<br />
Der eksisterer de samme fejlkilder som i forsøg 1 i appendiks F.<br />
£ αT ¡ 65 661¤ βT ¡ ¢ 101 85 (G.1)<br />
75
mV<br />
1600<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
Konklusion<br />
APPENDIKS G. FORSØGSJOURNAL 2<br />
0<br />
0 5 10 15 20 25 30<br />
m/s<br />
Figur G.2: Grafisk afbildning af den samlede overføringsfunktion<br />
Vi har gennem forsøget opstillet en samlet overføringsfunktion for transduceren og filteret.<br />
Derudover har vi i kraft af billederne fremstillet den dokumentation der skal bruges til at<br />
sammenligne signalet fra transduceren med og uden RC-led.<br />
76