2

Pytanie 1. Wzmacniacze instrumentalne.

Wzmacniacz instrumentalny (instrumentation amplifier)

Chcemy mierzyć bardzo mały sygnał (np. z termopary 5mV)

•

wyjściowy prąd jest bardzo mały,

•

pożądane wzmocnienie 100-1000

•

istotna jest tylko różnica napięć (potencjał względem ziemi może zawierać szumy)
Common Modę Rejection Ratio (CMRR)

•

współczynnik tłumienia napięć/sygnałów wspólnych Stosunek wzmocnienia
różnicowego do wzmocnienia „wspólnego" Idealny wzmacniacz: CMMR = ∞

Rzeczywisty (741): CMRR = 90dB.

V

out

=V

2

-V

1

.

I= (V

1

–V

in1

)R

2

= (V

in1

–V

in2

)/R

1

= (V

in2

- V

in1

)/ R

2

Wzmocnienie różnicowe:

A

diff

=1+ 2 R

2

/ R

1

.

Wzmacniacze operacyjne (operation amplifer)

3

Idealny wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się nieskończenie wielką rezystancją wejścio-
wą R

we

i nieskończenie wielkim wzmocnieniem napięciowym A

u

.

Wzmocnieniu podlega napięcie różnicowe Uo = A

u

U

d

= A

u

(U

+

U

-

).

W rzeczywistych układach rezystancja wejściowa jest bardzo duża, rzędu megaomów,
natomiast wzmocnienie napięciowe rzędu stu-kilkudziesięciu decybeli.

Wzmacniacz odwracający

wzmacniacz nie pobiera prądu => prąd I płynący przez obydwa rezystory identyczny.

Potencjały obu wejść są jednakowe (bo U+ = U-), stąd wynika, że oba wejścia wzmacniacza
operacyjnego są na potencjale masy.

U

R1

= –U

we

=>

1

R

U

I

we

−

=

U

R2

= U

WY

i tutaj również

2

R

U

I

we

−

=

Przyrównując prądy:

2

1

R

U

R

U

wy

we

=

−

u

we

wy

k

U

U

R

R

=

=

−

1

2

Wzmacniacz nieodwracający

4

Prąd płynący przez R

1

:

1

R

U

I

we

=

przez R

2

2

R

U

U

I

we

wy

−

=

Po porównaniu:

1

2

R

U

R

U

U

we

we

wy

=

−

R

2

U

we

= R

1

U

wy

− R

1

U

we

U

we

(R

1

+ R

2

) = R

1

U

wy

we

wy

U

U

R

R

R

=

+

1

2

1

Wtórnik napięciowy

Rezystancja wejściowa wtórnika jest bardzo duża (układy te są stosowane w celu
odseparowania źródła sygnału od odbiornika)

Konwerter prąd-napięcie

Napięcie wyjściowe układu konwertera jest wprost proporcjonalne do prądu i

we

wpływającego do układu i równe u

wy

= −i

we

R. Układy są stosowane do mierzenia niewielkich

prądów (rzędu pikoamperów), m.in. do pomiaru natężenia światła

5

Wzmacniacz sumujący

Prąd I jest sumą prądów wejściowych I = I

1

+ I

2

; napięcia na wejściach wzmacniacza

operacyjnego są równe zero. Stąd napięcie wyjściowe:

2

2

1

1

R

U

R

U

R

u

wy

+

=

−













+

−

=

2

2

2

1

1

U

R

R

U

R

R

u

wy

jeżeli R1=R2=R’ to

(

)

2

1

'

U

U

R

R

u

wy

+

−

=

Wzmacniacz odejmujący

napięcie na wejściu nieodwracającym:

2

4

3

4

U

R

R

R

U

+

=

+

;

taki sam potencjał ma wejście odwracające U

−

.

6

Przez R

1

i R

2

płynie ten sam prąd I; z tym, że napięcie U

−

= U

+

≠ 0, toteż należy

je wziąć pod uwagę? przy obliczeniach:

2

2

1

1

R

U

R

U

R

R

=

2

1

1

R

U

U

R

U

U

wy

+

+

−

=

−

R

2

U

+

− R

2

U

1

= R

1

U

wy

− R

1

U

+

R

1

U

wy

= (R

1

+ R

2

)U

+

− R

2

U

1

(

)

2

1

2

4

3

4

2

1

1

R

U

U

R

R

R

R

R

U

R

wy

−

+

+

=

Jak widać napięcie wyjściowe jest równe różnicy napięć wejściowych. Jeżeli dodatkowo R4 =
R2 oraz R3 = R1, to wyrażenie uprości się do postaci:

(

)

1

2

2

1

U

U

R

R

U

wy

−

=

Wzmacniacz potencjometryczny

Prąd przepływający przez R2 przepływa także przez R1 i jego natężenie wynosi:

1

we

R

U

I

=

Dodatkowo widać, że U

R4

= −U

R2

= −IR

2

bo U_ − U

R2

− U

R4

= 0.

Prąd ten wpływa do węzła dzielnika napięcia i z pierwszego prawa Kirchoffa:

I + I

3

=I

4

=>

I

3

= I

4

− I

Ostatecznie napięcie wyjściowe równe sumie napięć na rezystorach R

3

i R

4

:

u

wy

= U

R3

+ U

R4

= I

3

R

3

+ I

4

R

4

= (I

4

− I)R

3

+ I

4

R

4

7

Podstawiając wszystkie dane do wyrażenia na u

wy

otrzymujemy:

2

3

2

2

4

2

wy

u

R

R

R

U

R

R

U

R

U

−













−

−

=













+

+

−

=

1

u

2

3

4

3

2

wy

R

R

R

R

U

R













+

+

−

=

1

u

2

3

4

3

1

2

wy

R

R

R

R

R

R

u

we













+

+

−

=

1

k

2

3

4

3

1

2

u

R

R

R

R

R

R

Wzmacniacz różniczkujący

dt

dV

RC

dt

dQ

R

IR

V

in

out

−

=

=

=

Wzmacniacz całkujący

∫

∫

−

=

−

=

−

=

dt

V

RC

Idt

C

C

Q

V

in

out

1

1

8

Pytanie 2. Wzorce napięcia i częstotliwości – cechy atomowe.

Wzorce wielkości elektrycznych

Wtórne wzorce miary rezystancji

•

są wykonane z materiału oporowego o małym temperaturowym współczynniku
rezystancji, mniejszym niż 10-5/K i sile elektromotorycznej (SEM) kontaktowej
mniejszej niż 1µV/K.

•

wykonane w kształcie płaskownika lub zwojnicy z izolowanego drutu, odpowiednio
ukształtowanej i zamkniętej w obudowie.

•

podawane parametry: rezystancja znamionowa, temperatura odniesienia, dopuszczalny
prąd, wskaźnik klasy dokładności i numer fabryczny.

Temperatura rezystora zależy od prądu przepływającego przez rezystor. Znaczne

przeciążenie prądowe rezystora może trwale zmienić wartość rezystancji. Rezystory
wzorcowe powinny mieć osobne zaciski prądowe i napięciowe.

Wzorce wielomiarowe rezystancji elektrycznej wykonuje się jako rezystory wielo-

dekadowe, składające się z rezystorów połączonych szeregowo i wyposażonych w
przełączniki.

Wzorce miary indukcyjności

Wzorce miary indukcyjności własnej są cewkami nawiniętymi na karkasach z

materiału, jak marmur, steatyt, szkło kwarcowe, ceramika (porcelana). Użytkowe wzorce
indukcyjności własnej są nawijane wielowarstwowo przewodem skręconym z wielu cienkich
izolowanych przewodów miedzianych (tzw. lica). Wartości znamionowe wzorców miary
indukcyjności własnej są zawarte w granicach 10

5

- 10 H, a ich niepewność wynosi (0,02 -

0,1%). Indukcyjność wzorca zmienia się wraz ze zmianą częstotliwości prądu, więc
indukcyjność znamionową wzorców podaje się dla określonej częstotliwości, najczęściej
1000Hz.

Wzorce miary pojemności

Użytkowe wzorce pojemności, zależnie od rodzaju zastosowanego dielektryka, buduje

się jako kondensatory powietrzne, gazowe, olejowe lub z dielektrykiem stałym. Na wartość
pojemności kondensatora mają wpływ temperatura i wilgotność, powodując zmianę
odległości między elektrodami oraz zmianę przenikalności dielektrycznej.

Wzorce miary częstotliwości i czasu

Wzorcami częstotliwości są np. generatory z rezonatorami kwarcowymi. Generator

kwarcowy umieszczony w termostacie, starannie zaprojektowany, zapewnia stabilność
częstotliwości nie większą niż 10

-10

na dobę, a generator średniej klasy ok. 10

-8

. Stabilność

częstotliwości zdefiniowana jest ∆f/f.

•

Cezowy wzorzec częstotliwości - składa się z bardzo stabilnego generatora
kwarcowego o częstotliwości 5 MHz oraz układów mikrofalowych, w których jest
wytwarzana fala o częstotliwości odpowiadającej przejściu między dwoma
nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133. Sygnał otrzymany z
cezowej części mikrofalowej steruje częstotliwością generatora kwarcowego,
wymuszając częstotliwość 5 MHz. Niepewność wynosi ok.10

-13

.

•

Rubidowy wzorzec częstotliwości.

9

Wzorce napięcia elektrycznego.

Wzorzec napięcia typu „Band-gap”

V

BEII

V

BEI

mają współczynniki temperaturowe o przeciwnym znaku

V

OUT

= V

BEI

+λ(V

BEI

— V

BEI

)

Band Gap

Dodatni współczynnik temperaturowy na V_{BE} różnicowo połączonych, ujemny na

złączu baza-emiter.

Wzorzec napięcia „Buried-zener”

Napięcie zenera V

z

= 6.3V (najbardziej stabilne w czasie i temperaturze

V

out

= R2/(R1+R2)

(1 + R4/R3) * V

z

10

Wzorzec napięcia “XFET”

Nowa technika. Zawiera dwa tranzystory polowe. Jeden ma dodatkowe domieszki w

celu podwyższenia napięcia nasycenia. Przez dwa dreny JFET płynie ten sam prąd. Różnica
napięć nasycenia jest wzmacniania.

Vout = ∆V

P

((R

1

+R

2

+R

3

)/R

1

) + I

PT

A

T

* R

3

V

p

- różnica napięcia nasycenia pomiędzy dwoma FET, IPT

A

T

- prąd korekcyjny o dodatnim współczynniku temperaturowym.

Porównanie wzorców napięcia

zenera

buried

band-gap

duży zakres V

IN

duży zakres V

IN

mały zakres V

IN

duży pobór prądu 1-10mA

duży pobór prądu 1-l0mA

mały pobór prądu do 1mA

dokładność < 1%

dokładność 0.01%-0.1%

dokładność 0.05%-l%

Pytanie 3. Przetworniki A/C.

Przetwornik ADC z podwójnym całkowaniem

Napięcie mierzone V

IN

przez czas T podłączone jest do wejścia przetwornika. Po

naładowaniu napięcie na kondensatorze wynosi:

11

dt

V

T

IN

∫

=

0

C

RC

1

U

Napięcie na kondensatorze jest proporcjonalne do średniej wartości VIN w czasie T. Po
czasie T podane zostaje napięcie - V

REF

i kondensator rozładowuje się z nachyleniem V

REF

/RC.

Dokładność konwersji nie zależy od wartości RC i częstotliwości sygnału generatora!!!

Przetwornik sigma delta pierwszego rzędu

12

Przetwornik sigma-delta drugiego rzędu

Pytanie 4. Przetworniki C/A.

Binarno-wagowy przetwornik cyfra-analog

Przetwornik DAC z drabinką R-2R.

13

Rezystancja między A-G wynosi R.
Rezystancja między B-G, C-G, D-G również wynosi R.
Klucz S

3

-najbardziej znaczący (MSB), S

O

-najmniej znaczący (LSB).

Przy pokazanych ustawieniach 1101 prąd płynący przez Rp wynosi 13i.

2

4

8

16

3

2

1

0

0

S

S

S

S

V

R

R

V

ref

F

+

+

+

−

=

Rezystory R i 2R możliwe do wykonania z większą precyzją niż R, 2R, 4R, 8R itd.

Pytanie 5. Przenikanie zakłóceń.

Pytanie 6. Wpływ sprzężenia zwrotnego na szumy i zakłócenia.

Za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego można poprawić własności szumowe

układu elektrycznego: zredukować pojawiające się na jego wyjściu niepożądane sygnały jak
szumy, zakłócenia i zniekształcenia.. Zakładamy, że szumy i zakłócenia nie dostają się do
wzmacniacza wraz z sygnałem wejściowym, lecz powstają w wyniku niedokładności układu
w jego wnętrzu. Szumowe własności układu opisuje współczynnik szumów:

F=A

we

*N

wy

/(A

wy

*N

we

)

Współczynnik szumów układu idealnego (niewprowadzającego zakłóceń) wynosi 1.

Tworząc obwód złożony ze wzmacniacza korekcyjnego (k’) wzmacniającego sygnał
wejściowy dla badanego wzmacniacza oraz pętli wzmocnienia zwrotnego uzyskujemy dla
sygnału wejściowego wzmocnienie efektywne:

k

sprz

= k

’

k

sprz.

/(1-β

sprz.

k

sprz.

k

’

)

14

Jednak dla zakłóceń i szumów wytwarzanych we wzmacniaczu wzmocnienie

efektywne wynosi:

k

N

sprz.

= k

sprz.

/(1-β

sprz.

k

sprz.

k

’

)

Można pokazać, że współczynnik szumów wynosi wtedy:

F=1+(N/k

’

N

WE

)

W przypadku ujemnego sprzężenia zwrotnego, by uzyskać by uzyskać identyczne

wzmocnienie układu z korekcją i układu bez korekcji, wzmocnienie wzmacniacza
korekcyjnego powinno być k’>1, dzięki czemu uzyska się współczynnik szumów mniejszy
niż dl układu bez korekcji: (F=1+N/NWE). Gdy zastosowane będzie dodatnie sprzężenie
zwrotne należy użyć tłumika w miejsce wzmacniacza korekcyjnego, (czyli 0 < k’ < 1), ale
wtedy współczynnik szumów ulegnie zwiększeniu.

Powyższe rozważania sugerują, że w złożonych układach elektronicznych powinno się

stosować jedną wspólną pętle silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego, obejmującego całość
układu. Należy szczególnie starannie dbać o wysoką jakość wejściowych stopni
elektronicznych, gdyż om dalej od wejścia układu pojawiają się szumy i zniekształcenia, tym
łatwiej jest wyeliminować je z sygnału wyjściowego.

Pytanie 7. Wzmacniacz fazoczuły - idea.

Detekcja fazoczuła jest jedną z metod pomiarowych, która jest stosowana do

pomiaru słabych sygnałów w obecności szumów. Technika ta jest wykorzystywana przez
wzmacniacz fazoczuły, którego schemat przedstawiony jest na rys.1.5. Wzmacniacz
fazoczuły składa się ze wzmacniacza prądu zmiennego AC (alternating current), miksera,
filtru dolnoprzepustowego, wzmacniacza prądu stałego DC (direct current) oraz przesuwnika
fazy.

15

Pytanie 8. Równanie Fritsa:

Noise Figure (NF) - jest miarą pogorszenia się stosunku sygnał - szum po przejściu

sygnału przez wzmacniacz:

NF = SNR

in

− SNR

out

gdzie wartości SNR [dB].

Czasami współczynnik szumów F jest definiowany:

F = 10

NF/10

lub

NF = 10 log(F)

Jeżeli urządzenia są połączone kaskadowo to całkowity współczynnik sumów F

opisuje równanie Friis’a”

1

2

1

2

3

1

2

1

....

1

.......

1

1

−

−

+

+

−

+

−

+

=

n

n

G

G

G

F

G

F

G

F

F

F

gdzie:
F

n

- współczynnik szumów n-tego urządzenia i G

n

jest wzmocnieniem (nie w dB)

n-tego urządzenia.


Kaskadowo połączone urządzenia:

Parametr: Noise Figure (NF)

NF = 10 log

10

(F)

Parametr: Noise Factor (F)

zródlem

ego

spowodowan

szumu

Moc

ciowego

szumu wyjs

moc

Calkowita

=

F

16

Pytanie 9. Odczyt rezystancji w układzie mostkowym:

Pomiar dokonywany jest metodą mostkową poprzez pośredni pomiar napięcia

nierównowagi mostka oporowego. Oporność może być obliczona na podstawie znajomości
pozostałych oporów w gałęziach mostka.

Schemat układu przedstawiony jest na rysunku:

Oznaczenia:

R

o

- oporność w gałęzi odniesienia 10k

Ω

(0.1%)

R

z

- opornik zakresowy - przełączany za pomocą przekaźników (100, 1k, 10k, 100k, 1M,

10M)
R

x

- mierzona oporność

U - napięcie stałe zasilające mostek (10V

±

5mV)

U

n

- napięcie nierównowagi mostka

napięcie mierzone

wzmocnienie











V

o

- potencjał w środku gałęzi odniesienia (względem masy)

V

1

- potencjał w środku pomiarowej (względem masy).

Podczas pomiaru znamy:

•

U, R

o

, V

o

(wielkości wynikające z budowy mostka)

•

R

z

(ustawiamy wybierając zakres pomiarowy)

•

U

n

-

ta wielkość jest przedmiotem pośredniego pomiaru.

!!! Pamiętaj, że mierzone napięcie = U

n

*wzmocnienie !!!

Wartość rezystancji R

x

możemy obliczyć na podstawie znanych i zmierzonych wielkości.

Wzór na R

x

otrzymujemy wykorzystując podstawowe prawa rządzące przepływem prądu.

Potencjały w środkach obu gałęzi względem masy wynoszą:

V

o

=

+

=

U

R

R

R

U

o

o

o

1

2

,

V

1

=

+

U

R

R

R

x

x

z

.

17

Napięcie nierównowagi mostka:

U

n

= V

1

- V

o

= U

R

R

R

x

x

z

+

−











1

2

.

Na podstawie tego wzoru można wyciągnąć następujące wnioski:

1. dla R

x

→

∞

(R

x

>> R

z

) U

n

= 0,5U (czyli +5V)

2. dla R

x

→

0 (R

x

<< R

z

) U

n

= - 0,5U (czyli -5V)

3. U

n

nie jest liniową funkcją R

x

Przekształcając ten wzór tak, aby uzyskać zależność R

x

= f(U

n

) otrzymamy ostatecznie wzór,

za pomocą którego obliczymy wartość mierzonej rezystancji.

R

x

=

U

U

U

U

R

n

n

z

+
−

⋅

2

2

Pytanie10. Rola komputera w miernictwie:

•

Sterowanie pomiarem (EuroDriver, RBR, TRM, I

2

C, RS 232)

•

Wizualizacja przebiegu pomiaru (LabView)

•

Analiza wyników (OrginLab)

Pytanie 11. Interfejs One-Wire

Oryginalnie, skonstruowany przez firmę DALLAS SEMICONDUCTOR, interfejs 1-

Wire (One Wire) przeznaczony był do komunikacji na bardzo małe odległości. Został
opracowany w celu podłączenia układu peryferyjnego do mikrokontrolera z użyciem tylko
jednego wyprowadzenia.

Podobnie jak w większości interfejsów szeregowych, również i w 1-Wire transmisja

przebiega w konfiguracji master – slave.

Zarówno port układu master jak i układu slave, są liniami dwukierunkowymi.
Układ master wyszukuje i adresuje układ slave, steruje przepływem danych, wysyła

sygnał zegarowy. Dane przesyłane są synchronicznie z prędkością od bliskiej 0 do 16,3 kbps
w trybie standard oraz do 115 kbps w trybie overdrive.

Protokół transmisyjny oraz wymagania układów pracujących pod kontrolą magistrali

1-Wire są na tyle skromne, że obsługą transmisji może się zajmować typowy mikrokontroler
wyposażony w typową linię portu wejścia / wyjścia.

Typowo, układy wyposażone w interfejs 1-Wire, wyliczają sumę kontrolną na

podstawie słowa jednobajtowego – oznacza się ją jako CRC8. Układy z interfejsem 1-Wire
pobierają zarówno zasilanie jak i sygnały sterujące wykorzystując ten sam przewód.
Powoduje to, że połączenia pomiędzy układami a tym samym budowa nawet bardzo
rozległych sieci, są bardzo tanie. Jednak wspólne przesyłanie obu tych sygnałów wiąże się z
pewnymi utrudnieniami.

Generalnie stosowane rozwiązania można podzielić na trzy podstawowe techniki:

•

przesyłanie prądu zasilania gdy napięcie przekracza 3,5V,

•

przesyłanie zasilania, gdy linia jest w stanie wysokim z wykorzystaniem pojemności
oraz diody blokującej,

•

przesyłanie prądu zasilającego, poprzez załączenie małej rezystancji zasilającej w
momencie, gdy nie jest aktywna transmisja danych.

18

Pytanie 12. Wykrywanie błędów w transmisji

Suma kontrolna (ang. checksum) to liczba uzyskana w wyniku sumowania lub

wykonania innych operacji matematycznych na przesyłanych danych, przesłana razem z
danymi i służąca do sprawdzania poprawności przetwarzanych danych.

Komputer wysyłający dane liczy sumę kontrolną i dołącza ją do pakietu danych.
Komputer odbierający dane liczy również sumę kontrolną z odebranych danych i

sprawdza, czy zgadza się suma obliczona przez niego z sumą odebraną z pakietem danych.
Jeśli nie, to znaczy, że dane uległy przekłamaniu.

Odmianą sumy kontrolnej jest:

•

CRC,

•

Adler-32,

•

Algorytm Luhna, cyfry kontrolne w numerach PESEL, NIP, numerach kont
bankowych,

CRC - metoda wykrywania błędów w odbieranych danych (ang. Cyclic Redundancy Check –
cykliczny kod nadmiarowy)

Bardziej niezawodny niż suma kontrolna (odporny na zmian kolejności bitów).

Trzy wielomiany najczęściej używane:

•

CRC-16 = x16 + x15 + x2+ 1

•

CRC-CCITT = x16 + x12 + x5 + 1

•

CRC-32 =

x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 +x + 1

(Ethernet)

Dzielenie może być wykonane softwarowo lub z użyciem rejestru przesuwnego i bramki

XOR.

Pytanie 13. Standard Zig-Bee

Zig Bee - to protokół łączności bezprzewodowej. Standard ten, którego oficjalna nazwa brzmi
IEEE 802.15.4, ma zapewnić wymianę danych w paśmie 2,4 GHz między tanimi
urządzeniami elektronicznymi. Jego prędkość transmisji wynosi 250 Kbit/s - czterokrotnie
mniej niż w specyfikacji Bluetooth. Z kolei maksymalny zasięg to 75 do nawet 300 metrów,
czyli około trzykrotnie więcej

19

Pytanie 14. Pomiar temperatury, wilgotności, naprężeń

Pomiar temperatury

Temperatura - odzwierciedla średnią energie kinetyczna w badanej materii. Najczęściej
używanym czujnikiem jest termopara (niskie koszty, szeroki zakres temperatur). Tworzona
jest przez połączenie różnych metali. Złącze takie produkuje małe napięcie, które jest funkcja
temperatury

2

1

1

2

ln

N

N

e

T

k

e

A

A

V

B

+

−

=

∆

e - ładunek elektronu,
k

B

- stała Boltzmanna

N

1

,N

2

- koncentracje elektronów swobodnych

A

1

, A

2

- praca wyjścia elektronów z metalu

Parametry termoelementów normowanych

Typ

Metal (+)

Metal(-)

k

T

Tolerancja ∆T Zakres temp.[

0

C]

Właściwości

K

chromel Ni-Cr Nikiel

40.5

kl.1- 4

-270..1370

dobra liniowość

S

platyna

PtRh10

6.4

kl.1- 1

-50..1760

dobra liniowość

J

żelazo

miedz-nikiel

51.7

kl.1- 3

-210..1200

duża czułość

T

miedz

miedz-nikiel

49

kl.1- 1,2

-200..400

tani

W3

97% W+3%Re 75%W+25%Re 18

kl.2- 10

0..2320

wysoka temp.

Charakterystyka termistora i czujnika RTD

Porównanie czujników różnych typów:

Typ czujnika

NTC Termistor

RTD

Termopara

Czujnik I.C.

Parametr

R(T)

R(T)

V(T)

V(T), I(T)

Zalety

Duże zmiany

Liniowy

Szeroki zakres

Liniowy

rezystancji w

temperatur

funkcji temp.

Wady

Nieliniowość

Małe zmiany

nieliniowość

ograniczony

Rezystancji

zakres
rezystancji

20

Pomiar wilgotności

Wilgotność powietrza, gazów i ciał stałych (litych i sypkich) jest często mierzoną

wielkością fizyczną. Wilgotność charakteryzuje jakość materiałów, przebieg procesów
technologicznych i biologicznych, środowisko i jego wpływ na starzenie się produktów (np.
spożywczych) i materiałów.

Wilgotność bezwzględna (absolute humidity) – jest to masa m. pary wodnej

przypadająca na jednostkę objętości V:

V

m

d

w

=

Wilgotność względna (relative humidity RH) – jest stosunkiem ciśnienia pary wodnej

w danej temperaturze do ciśnienia nasyconej pary wodnej w tej temperaturze

s

w

P

P

RH

100

[%]

=

gdzie: P

w

- ciśnienie pary wodnej nienasyconej

P

s

- ciśnienie pary nasyconej

Do pomiaru wilgotności gazu są m.in. stosowane czujniki pojemnościowe.

Dielektrykiem między okładkami kondensatora jest specjalna masa plastyczna, która
adsorbuje parę wodną w stopniu zależnym od wilgotności gazu. Pojawienie się w dielektryku
wody o stałej dielektrycznej ε = 80 wpływa na pojemność kondensatora. Czujnik ma kształt
płytki z odpowiednio mocowanymi wyprowadzeniami

Do wzorcowania wilgotnościomierzy gazu stosuje się punkty stałe. Są to sole

rozpuszczone w wodzie, mające taką właściwość, że w atmosferze ponad roztworem istnieje
ściśle określona wilgotność w szerokim zakresie temperatury

SHTxx jest pojedynczym układem scalonym, który wyznacza wilgotność względną i

temperaturę w pełni skalibrowanym cyfrowym wyjściu. Urządzenia zawiera pojemnościowy
polimer wyczuwający wilgotność względną i czujnik temperatury. STH 71 chraktreryzuje
jakość sygnału, szybki czas reakcji oraz nieczułość na zewnętrzne zakłócenia.

Każdy czujnik STHxx jest indywidualnie kalibrowany zgodnie z międzynarodowymi

standardami.

SHTxx może być zasilany napięciem od 2.4 do 5.5V. W ćwiczeniu napięcie to wynosi

5V. Zasilanie (VDD, GND) może być połączone z kondensatorem 100 nF.
Szeregowy interfejs SHT71 jest zoptymalizowany pod kątem transmisji danych z czujnika i
poboru energii. Transmisja jest kompatybilna z interfejsem I

2

C.

Aby skompensować nie liniowy charakter pomiaru wilgotności oraz utrzymać pełną

dokładność mierzonej wilgotności zalecana jest konwersja odczytu za pomocą wzoru:

RH

lin

=C

1

+C

2

*SO

RH

+C

3

*SO

RH

2

SO

RH

– oznacza wartość odczytaną z przetwornika (12 bit)

Dla temperatur znacząco różnych od 25 ° C (~ 77 ° F) współczynnik temperaturowy

czujnika wilgotności względnej powinien zostać rozważony:

Rh

true

=(T

o

C

-

25)*(t

1

+t

2

*SO

RH

)+RH

lin

W przypadku temperatury uzyskuje się liniowy charakter przetwarzania. Używając

wzoru jesteśmy wstanie wyznaczyć temperaturę:

T= d

1

+d

2

*SO

T

21

Pomiar naprężeń

Deformacja ciała spowodowana przyłożoną siłą:

Czujnik naprężeń (tensometr rezystancyjny)

Tensometr drutowy (bonded metallic) jest zbudowany z cienkiego drutu (0,01 mm) o

dużej rezystywności naklejonego na taśmę materiału izolacyjnego. Z reguły materiałem na
drut jest konstanta (mały współczynnik termiczny). Dostępne rezystancje 30-3000Ω

Sposób naklejenia czujnika i rozkład naprężeń

Własności kleju:

•

wierne przenoszenie deformacji badanej powierzchni,

•

odporność na oddziaływanie środowiska,

•

odporność na działanie wysokiej temperatury.

Podstawowy parametr tensometrów- czułość GF (dla drutowych około 2)

ε

R

R

GF

∆

=

Małe zmiany rezystancji wymagają metod mostkowych. Ilość elementów aktywnych w
mostku zwiększa czułość układu (2 aktywne x2 4 aktywne x4)

22

Mostek pomiarowy z czterema elementami aktywnymi:

Do wzmocnienia sygnału, kalibracji i kompensacji termicznych wpływów stosuje się

układ ze wzmacniaczem.