2
Pytanie 1. Wzmacniacze instrumentalne.
Wzmacniacz instrumentalny (instrumentation amplifier)
Chcemy mierzyć bardzo mały sygnał (np. z termopary 5mV)
•
wyjściowy prąd jest bardzo mały,
•
poŜądane wzmocnienie 100-1000
•
istotna jest tylko róŜnica napięć (potencjał względem ziemi moŜe zawierać szumy)
Common Modę Rejection Ratio (CMRR)
•
współczynnik tłumienia napięć/sygnałów wspólnych Stosunek wzmocnienia
róŜnicowego 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 róŜnicowe:
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 róŜnicowe Uo = A
u
U
d
= A
u
(U
+
U
-
).
W rzeczywistych układach rezystancja wejściowa jest bardzo duŜa, 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, Ŝe oba wejścia wzmacniacza
operacyjnego są na potencjale masy.
U
R1
= –U
we
=>
1
R
U
I
we
−
=
U
R2
= U
WY
i tutaj równieŜ
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 duŜa (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 natęŜenia 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
jeŜeli 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, Ŝe napięcie U
−
= U
+
≠ 0, toteŜ naleŜy
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 róŜnicy napięć wejściowych. JeŜeli dodatkowo R4 =
R2 oraz R3 = R1, to wyraŜenie uprości się do postaci:
(
)
1
2
2
1
U
U
R
R
U
wy
−
=
Wzmacniacz potencjometryczny
Prąd przepływający przez R2 przepływa takŜe przez R1 i jego natęŜenie wynosi:
1
we
R
U
I
=
Dodatkowo widać, Ŝe 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 wyraŜenia 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 róŜniczkujący
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 niŜ 10-5/K i sile elektromotorycznej (SEM) kontaktowej
mniejszej niŜ 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 zaleŜy od prądu przepływającego przez rezystor. Znaczne
przeciąŜenie prądowe rezystora moŜe 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 wyposaŜonych w
przełączniki.
Wzorce miary indukcyjności
Wzorce miary indukcyjności własnej są cewkami nawiniętymi na karkasach z
materiału, jak marmur, steatyt, szkło kwarcowe, ceramika (porcelana). UŜytkowe 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
UŜytkowe wzorce pojemności, zaleŜnie 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 niŜ 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} róŜnicowo 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 podwyŜszenia napięcia nasycenia. Przez dwa dreny JFET płynie ten sam prąd. RóŜnica
napięć nasycenia jest wzmacniania.
Vout = ∆V
P
((R
1
+R
2
+R
3
)/R
1
) + I
PT
A
T
* R
3
V
p
- róŜnica napięcia nasycenia pomiędzy dwoma FET, IPT
A
T
- prąd korekcyjny o dodatnim współczynniku temperaturowym.
Porównanie wzorców napięcia
zenera
buried
band-gap
duŜy zakres V
IN
duŜy zakres V
IN
mały zakres V
IN
duŜy pobór prądu 1-10mA
duŜy 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 zaleŜy 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 równieŜ 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 moŜliwe do wykonania z większą precyzją niŜ R, 2R, 4R, 8R itd.
Pytanie 5. Przenikanie zakłóceń.
Pytanie 6. Wpływ sprzęŜenia zwrotnego na szumy i zakłócenia.
Za pomocą ujemnego sprzęŜenia zwrotnego moŜna poprawić własności szumowe
układu elektrycznego: zredukować pojawiające się na jego wyjściu niepoŜądane sygnały jak
szumy, zakłócenia i zniekształcenia.. Zakładamy, Ŝe 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 złoŜony 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
’
)
MoŜna pokazać, Ŝe współczynnik szumów wynosi wtedy:
F=1+(N/k
’
N
WE
)
W przypadku ujemnego sprzęŜenia 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
niŜ dl układu bez korekcji: (F=1+N/NWE). Gdy zastosowane będzie dodatnie sprzęŜenie
zwrotne naleŜy uŜyć tłumika w miejsce wzmacniacza korekcyjnego, (czyli 0 < k’ < 1), ale
wtedy współczynnik szumów ulegnie zwiększeniu.
PowyŜsze rozwaŜania sugerują, Ŝe w złoŜonych układach elektronicznych powinno się
stosować jedną wspólną pętle silnego ujemnego sprzęŜenia zwrotnego, obejmującego całość
układu. NaleŜy szczególnie starannie dbać o wysoką jakość wejściowych stopni
elektronicznych, gdyŜ 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)
JeŜeli 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 moŜe 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, Ŝe mierzone napięcie = U
n
*wzmocnienie !!!
Wartość rezystancji R
x
moŜemy 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 moŜna 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 zaleŜność 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 uŜyciem tylko
jednego wyprowadzenia.
Podobnie jak w większości interfejsów szeregowych, równieŜ 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, Ŝe obsługą transmisji moŜe się zajmować typowy mikrokontroler
wyposaŜony w typową linię portu wejścia / wyjścia.
Typowo, układy wyposaŜone 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, Ŝe połączenia pomiędzy układami a tym samym budowa nawet bardzo
rozległych sieci, są bardzo tanie. Jednak wspólne przesyłanie obu tych sygnałów wiąŜe się z
pewnymi utrudnieniami.
Generalnie stosowane rozwiązania moŜna 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 słuŜąca do sprawdzania poprawności przetwarzanych danych.
Komputer wysyłający dane liczy sumę kontrolną i dołącza ją do pakietu danych.
Komputer odbierający dane liczy równieŜ sumę kontrolną z odebranych danych i
sprawdza, czy zgadza się suma obliczona przez niego z sumą odebraną z pakietem danych.
Jeśli nie, to znaczy, Ŝe 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 niŜ suma kontrolna (odporny na zmian kolejności bitów).
Trzy wielomiany najczęściej uŜywane:
•
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 moŜe być wykonane softwarowo lub z uŜyciem 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 niŜ w specyfikacji Bluetooth. Z kolei maksymalny zasięg to 75 do nawet 300 metrów,
czyli około trzykrotnie więcej
19
Pytanie 14. Pomiar temperatury, wilgotności, napręŜeń
Pomiar temperatury
Temperatura - odzwierciedla średnią energie kinetyczna w badanej materii. Najczęściej
uŜywanym czujnikiem jest termopara (niskie koszty, szeroki zakres temperatur). Tworzona
jest przez połączenie róŜnych 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
Ŝelazo
miedz-nikiel
51.7
kl.1- 3
-210..1200
duŜa 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 róŜnych typów:
Typ czujnika
NTC Termistor
RTD
Termopara
Czujnik I.C.
Parametr
R(T)
R(T)
V(T)
V(T), I(T)
Zalety
DuŜe 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.
spoŜywczych) 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 zaleŜnym 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, Ŝe 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.
KaŜdy czujnik STHxx jest indywidualnie kalibrowany zgodnie z międzynarodowymi
standardami.
SHTxx moŜe być zasilany napięciem od 2.4 do 5.5V. W ćwiczeniu napięcie to wynosi
5V. Zasilanie (VDD, GND) moŜe 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 róŜnych od 25 ° C (~ 77 ° F) współczynnik temperaturowy
czujnika wilgotności względnej powinien zostać rozwaŜony:
Rh
true
=(T
o
C
-
25)*(t
1
+t
2
*SO
RH
)+RH
lin
W przypadku temperatury uzyskuje się liniowy charakter przetwarzania. UŜywając
wzoru jesteśmy wstanie wyznaczyć temperaturę:
T= d
1
+d
2
*SO
T
21
Pomiar napręŜeń
Deformacja ciała spowodowana przyłoŜoną siłą:
Czujnik napręŜeń (tensometr rezystancyjny)
Tensometr drutowy (bonded metallic) jest zbudowany z cienkiego drutu (0,01 mm) o
duŜej 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 napręŜeń
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.