Μια απλή, χαμηλού κόστους μέθοδος για τη βελτίωση της ακρίβειας των ψηφιακών αισθητήρων θερμοκρασίας DS18B20 με τη χρήση γραμμικής παλινδρόμησης.

A simple, low-cost method to improve the accuracy of DS18B20 digital temperature sensors using linear regression. (Αγγλική)

  1. MSc thesis
  2. ΚΟΡΙΤΣΟΓΛΟΥ, ΚΥΡΙΑΚΟΣ
  3. Διαχείριση και Τεχνολογία Ποιότητας (ΔΙΠ)
  4. 17 Μαίου 2020 [2020-05-17]
  5. Ελληνικά
  6. 111
  7. ΣΑΧΛΑΣ, ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ
  8. ΣΑΧΛΑΣ, ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ | ΡΑΚΙΤΖΗΣ, ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ
  9. Διακρίβωση αισθητήρων DS18B20, Δειγματοληψία, Γραμμική Παλινδρόμηση | DS18B20 sensor calibration, Sampling, Linear Regression
  10. 2
  11. 1
  12. 56
  13. 0
    • Ο ψηφιακός αισθητήρας θερμοκρασίας DS18B20 που κατασκευάζεται από την εταιρεία Dallas Semiconductor Corp. αποτελεί έναν από τους πλέον διαδεδομένους αισθητήρες θερμοκρασίας στην παγκόσμια αγορά λόγω ορισμένων σημαντικών χαρακτηριστικών που προσφέρει. Εκτός του χαμηλού του κόστους, προσφέρει καλή ακρίβεια σε ένα αρκετά μεγάλο εύρος θερμοκρασιών (από -55°C έως 125°C) καθώς και τη δυνατότητα επικοινωνίας μέσω του πρωτοκόλλου 1-Wire, που έχει επίσης σχεδιαστεί από τον ίδιο κατασκευαστή, επιτρέποντας σε ένα μόνο μικροελεγκτή να παρακολουθεί ταυτόχρονα τη θερμοκρασία σε περισσότερα από ένα σημεία. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή το σφάλμα της μέτρησης προσδιορίζεται σε ±0.5°C στο εύρος από -10°C έως +85°C ενώ στο υπόλοιπο εύρος λειτουργίας των αισθητήρων DS18B20 δηλαδή για τις περιοχές από -55°C έως -10°C και από +85°C έως +125°C το σφάλμα της μέτρησης της μέτρησης αυξάνεται σε ±2.0°C. Το ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΝ12830 καθορίζει ως μέγιστο αποδεκτό σφάλμα για τις συσκευές παρακολούθησης της θερμοκρασίας την απόκλιση ±1.0°C αν και ιδανικά θα πρέπει το σφάλμα αυτό να περιορίζεται σε ±0.5°C. Συνεπώς με βάση την αβεβαιότητα στις μετρήσεις της θερμοκρασίας το πρότυπο ΕΝ12830 κατατάσσει τους αισθητήρες σε 2 κατηγορίες. Στην πρώτη (ΚΛΑΣΗ Α) εντάσσονται αυτοί που παρουσιάζουν απόκλιση στις μετρήσεις τους μέχρι ±0.5°C και στη δεύτερη (ΚΛΑΣΗ Β) όσοι παρουσιάζουν απόκλιση ±1.0°C. Τιμές απόκλισης μεγαλύτερης του 1.0°C δεν είναι αποδεκτές για συστήματα παρακολούθησης και καταγραφής θερμοκρασίας εντός της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Επομένως, με βάση τα παραπάνω δεδομένα προκύπτει ότι οι αισθητήρες DS18B20 δεν πληρούν τα οριζόμενα από το πρότυπο ΕΝ12830 για θερμοκρασίες μικρότερες από -10°C, προϋπόθεση αναγκαία για παρακολούθηση της θερμοκρασίας καταψύξεων. Το γεγονός αυτό αποτελεί το σημαντικότερο λόγο για τον οποίο δεν είναι δυνατή η υλοποίηση ψηφιακών συστημάτων παρακολούθησης και καταγραφής της θερμοκρασίας, που θα προορίζονται για την ευρωπαϊκή αγορά, βασισμένα στους αισθητήρες DS18B20 παρόλο που οι αισθητήρες αυτοί είναι διαδεδομένοι σε μεγάλο πλήθος εφαρμογών όπως η παρακολούθηση της θερμοκρασίας του αέρα σε θερμοκήπια, σε εσωτερικούς χώρους για τον έλεγχο διαφόρων παραγωγικών διαδικασιών (π.χ. ζυμώσεις σε κρασιά, τυριά κλπ). Επιπρόσθετα, χρησιμοποιούνται ευρέως για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας υδάτων (υδροβιότοποι, λίμνες, θάλασσες, περιοχές ιχθυοκαλλιεργειών) τόσο για επιστημονικούς όσο και για εμπορικούς σκοπούς καθώς διατίθενται και σε αδιάβροχη έκδοση. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι ο προσδιορισμός της βελτίωσης της ακρίβειας των ψηφιακών αισθητήρων θερμοκρασίας DS18B20 διορθώνοντας τη μη γραμμική τους απόκριση με την εφαρμογή παλινδρόμησης. Θα εξεταστεί πειραματικά η δυνατότητα μείωσης της αβεβαιότητας της μέτρησης τους σε λιγότερο από 1.0°C για θερμοκρασίες μικρότερες των -10°C σε σχέση με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή για την αντίστοιχη περιοχή όπου η αβεβαιότητα τους είναι ±2.0°C. Επιπλέον, θα διερευνηθεί η δυνατότητα περαιτέρω βελτίωσης της ακρίβειάς τους σε ένα εύρος 40°C μεταξύ -10°C και 30°C. Με την ολοκλήρωση των δειγματοληψιών από δέκα συνολικά αισθητήρες και τη στατιστική επεξεργασία των μετρήσεών τους στη συνέχεια θα είναι δυνατή με ασφάλεια η εξαγωγή του συμπεράσματος αν ικανοποιούνται οι απαιτήσεις του προτύπου ΕΝ12830 και αν είναι εφικτός ο σχεδιασμός ενός χαμηλού κόστους συστήματος παρακολούθησης και καταγραφής θερμοκρασιών που θα βασίζεται στους ψηφιακούς αισθητήρες θερμοκρασίας DS18B20.
    • The DS18B20 digital temperature sensor manufactured by Dallas Semiconductor Corp. is one of the most popular temperature sensors in the world market due to some important features. In addition to the low cost, it offers good precision over a fairly wide range of temperatures (from -55°C to 125°C) as well as the ability to communicate via the 1-Wire protocol, also designed by the same manufacturer, allowing only one microcontroller monitoring the temperature of multiple points at a time. According to the manufacturer's specifications, the measurement error is determined to be within ±0.5°C in the range of -10°C to + 85°C and in the rest of the DS18B20 sensors operating range from -55°C to -10°C and from +85°C to +125°C the measurement error increases to ±2.0°C. European standard EN12830 defines the maximum acceptable error for temperature monitoring devices to be ±1.0°C, although ideally this error should be limited to ±0.5°C. Therefore, based on the uncertainties in temperature measurements, the EN12830 classifies the sensors into two categories. The first (CLASS A) includes those with a deviation in their measurements up to ±0.5°C and the second (CLASS B) those with a deviation ±1.0°C. Deviations above 1.0°C are not acceptable for temperature monitoring and recording systems within the European Union. Therefore, based on the above data it results that the DS18B20 sensors do not meet the requirements set by EN12830 for temperatures below -10°C, a prerequisite for freezing temperature monitoring. This is the most important reason why digital temperature monitoring and recording systems for the European market based on DS18B20 sensors cannot be implemented even though these sensors are widespread in many applications such as monitoring the air temperature in greenhouses, indoors to control various production processes (e.g. fermentation in wines, cheeses, etc.). In addition, as being available in waterproof version, they are widely used for water temperature monitoring (wetlands, lakes, seas, fish farms) for both scientific and commercial purposes as well. The aim of this dissertation is to determine the accuracy of DS18B20 digital temperature sensors by correcting their nonlinear response by applying linear regression. The possibility of reducing their measurement uncertainty to less than 1.0°C for temperatures below -10°C in relation to the manufacturer's specifications for the respective range where their uncertainty is ±2.0°C will be tested experimentally. In addition, the possibility of further improving their accuracy over a range of 40°C between -10°C and 30°C will be explored. Upon completion of the sampling of twenty sensors and the statistical processing of their measurements then it will be safely possible to draw a conclusion if the requirements of EN12830 are met and a low-cost temperature monitoring and recording system based on DS18B20 digital temperature sensors can be designed.
  15. Items in Apothesis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.