Analóg telemetriagyűjtés módszereinek áttekintése. Hőmérsékletmérők és árammérők típusai, méretezése
Űrtechnológia a gyakorlatban
Kocsis Gábor BME Űrkutató Csoport, 708-as labor
[email protected]
Műholdfedélzeti telemetria - Telemetria adatok szükségessége, szerepe - Telemetria gyűjtés és feldolgozás útja Alrendszer/Kísérlet
Fedélzeti számítógép
Adatgyűjtő/ feldolgozó (előfeldolgozás, adatcsomagok)
Mérőeszköz Memória
(vagy közvetlen vonal)
(adatcsomag formálás; szükség esetén adatfeldolgozás és megfelelő vezérlő parancs generálása)
Kommunikációs busz
Alegység
Űr szegmens
- Speciális követelmények - közvetlen hozzáférhetőség hiánya → TM adatok megbízhatósága, pontossága - korlátozott átviteli csatorna → TM frame megfelelő összeállítása
Kommunikációs alrendszer (kódolás, moduláció)
Földi szegmens
Földi állomás (demoduláció, dekódolás)
Felhasználó (adatfeldolgozás)
Telemetria gyűjtés - digitális (állapot, üzemmód, hiba, stb) - analóg - elektromos (feszültség, áram) - mechanikus (nyomás, szögsebesség, fordulatszám, stb) - egyéb fizikai jellemzők (hőmérséklet, hőtágulás stb.) Analóg telemetriagyűjtés Analóg érzékelő 1 Analóg érzékelő 2
Analóg MUX
A/D
Szintillesztő
Processzor
Analóg érzékelő n
Tervezési szempontok • • • • • •
érzékelő eszköz tranziens válasza A/D csatornáinak konverziós ideje A/D bemeneti impedanciája A/D konverziós hibája analóg vonalak hossza (zajérzékenység) …
Érzékelő eszköz kiválasztása • • • • • •
környezetállóság tranziens idő pontosság energiaigény méret ár
Hőmérséklet mérése - Hőmérséklet mérésének módszerei (néhány példa): - Gázhőmérő (gáz térfogatváltozása) - Folyadékhőmérő (hőtágulás) - Galilei hőmérő (folyadék sűrűségének változása) - Bimetál hőmérő (különböző hőtágulási együtthatójú fémek görbülése) - Ellenállás-hőmérő (fémek ellenállásának változása) - Termisztor (kerámia félvezetők ellenállásának változása) - Termoelem (Seebeck hatás; fémek érintkezési potenciáljának változása)
- Választás szempontjai: - alkalmazási terület (melyik fizikai jelenség használható ki) - hőmérséklet tartomány - időállandó - mechanikai paraméterek (méret, szerelhetőség, hőátadás, stb) - pontosság, hosszú idejű stabilitás (EOL) - ár
Termisztorok - Thermistor = thermal + resistor (temperature sensitive resistor) - Alkalmazási példák: inrush current limitation, hőmérséklet érzékelők, túláram korlátozó (automatikusan visszaáll), önkorlátozó fűtőelemek, érzékelők hőfokfüggőségének kompenzálása, munkapont stabilizálás
- Anyaga: általában félvezető (Si, Ge, stb; régen főleg fém-oxid kerámia) - Fizikai jelenség: termorezisztivitás (elektromos fajlagos ellenállás hőmérséklet függése): -
-
Δw : félvezető anyagban a töltéshordozók egyik energia szintről a másikra történő átugráshoz szükséges energia k : Boltzmann állandó, 1.38*10-23 J/ K T: abszolút hőmérséklet
- az exponenciális tényező változik gyorsan - kis hőmérsékletekre (n*100°C-ig): b=0 -
-
A: hőmérséklettől független anyagállandó B: állandó (hőmérséklet érzékenységi mutató; B= 2000..4000)
Termisztorok - NTC/ PTC hőmérséklet nő → vegyértéksávból egyre több/kevesebb elektron jut át a vezetési sávba
- ha nagy ellenállás: nem szükséges négyvezetékes mérés - összehasonlítás fém ellenállás-hőmérőkkel és termoelemekkel: Előnyök
- Érzékenység - tipkus értékek: R=5kΩ, TC=4%/°C - gyors termikus beállási idő - kis méret (SMD is) - alacsony ár (egyszerű gyártástechnológia)
Hátrányok - nemlineáris karakterisztika - szűkebb mérési tartomány (néhány 100°C-ig) - saját melegedésre érzékeny - katalógusban: maximális áram - érzékeny konstrukció - gyártási paraméterek szórása (E6) - pl. műszerekben csak hitelesítéssel cserélhetők - kalibrálás szükséges
Négyvezetékes ellenállás mérés 2 vezetékes mérés
Mérővezetékek ellenállása által okozott hiba kiküszöbölése
4 vezetékes mérés
4 vezetékes mérés Kelvin csipesszel
Termisztorok - Termisztorok jellemző adatai: - ellenállás 25 ºC-on: néhány tíz Ω - néhány száz kΩ - (ellenállás 80 ºC-on): a 25 ºC-on mért érték 1/5 - 1/10 része - hőmérséklet tényező (α) 25 ºC-on: -0,04...-0,15/ ºC - maximális teljesítmény: néhány tíz µW - néhány W - termikus időállandó: 10-2s - néhány perc - hőmérséklet mérési tartomány: -200 ºC és +200 ºC között (ált. szűkebb) - Példa:
R(25°C) = 10kΩ ± 2% B (0..50°C) = 3892K ± 1.4% R(T) = 7110Ω T=? A=? Mérési hiba? (tfh. R(25°C) pontos)
Űrminősítésű lineáris termisztor
Lineáris hőmérséklet szenzor - integrated circuit temperature transducer - feszültség és áram kimenetű is van - tipikus értékek: 10mV/K, 1μA/K - előny: hőmérséklettel lineáris kimenet - hátrány: tápfeszültség igény (+ ld. hagyományos termisztor)
- pl. AD 590 - nagy impedanciájú konstans áramú szabályozó 1μA/K lineáris karakterisztikával - tápfeszültség: 4..30V - hőmérséklet tartomány: -55°C..+150°C - nincs szükség külső linearizáló áramkörre - nagy kimeneti impedancia (>10MΩ) → tápfeszültség változásra kevésbé érzékeny (5V→10V csak 1μA vagyis 1°C hibát okoz) - Egyszerű méretezési példa: T = -55..+70°C A/D full scale: 2.5V Rsense = ? (praktikus megfontolásokkal) scale factor = ?
Lineáris hőmérséklet szenzor - Hibák: - Kalibrációs hiba: tényleges és mért hőmérséklet közti különbség (gyári beállítás után) → trimmelő ellenállással könnyen nullázható a teljes hőmérséklet tartományban - hőmérséklet függő hiba - nemlinearitás - környezeti hőmérséklet változás hatása: melegedés és lassabb tranziens idő
P – disszipált teljesítmény ϴ - hőellenállás [K/W]
Áram mérése - Alkalmazás: védelem, áramkör állapotának monitorozása, kapcsolóüzemű tápegységek visszacsatolt jele, akkumulátor töltők, stb
- leggyakoribb megoldás: sönt ellenállás (speciális esetben mágneses áramérzékelés) - mért árammal arányos feszültség/áram kimenet - érzékelő ellenállás megválasztása: - disszipáció ↔ pontosság
Földágban érzékelés - előnyök: - egyszerű megvalósítás (1 opamp) - olcsó és pontos - hátrányok: - földágba nem kívánt ellenállás kerül → zavarérzékenység
Melegágban érzékelés - előnyök: - nincs extra zavar a földágban - hátrányok: - bonyolultabb áramkör - (hibaérzékenység) pl. ellenállások azonossága
Földágban érzékelés - közös módusú feszültség közel 0 → egyszerű műveleti erősítő használható - terhelés földjének eltolása probléma lehet - Pl:
termisztor referencia pontjának eltolódása → mérési pontosság romlik
Melegágban érzékelés - Előny: áramkör földje zavartalan - Kezdetleges megoldás: differenciál erősítővel - Követelmények: - precíziós opamp és pontos (válogatott) ellenállások - differenciál erősítő + szintillesztő - nagy közös módusú feszültség juthat az erősítő bemenetére - Gyakorlati problémák: - erősítők ofszet feszültsége és ofszet árama, ofszet drift - ellenállások szórása, driftje
Mérési pontosság (gyakorlati példa) Vcm’ = 1V Vsense’ = 10mV ! Vout = 250*10mV = 2.5V Ofszet feszültségek által okozott hiba: pl. Vo1 = Vo2 = 1mV → Vo,out = 250*1.4mV = 350mV → 14% Ellenállások szórásának hatása: pl. 1%-os tolerancia → worst case 3.6mV/V k. m. feszültség hiba → A1 kimenetén 36mV hiba → A2-t telítésbe viheti! R2/R1 és R4/R3 1%-os eltérése esetén is 0.9mV hiba
Teljes hiba:
→ Kimeneten: Verror,out = 250*1,67mV = 417.5mV Javítható: Kisebb toleranciájú ellenállások (pl. 0.1%) Jobb ofszetű erősítő Integrált áramköri megvalósítás További problémák:
Ellenállás osztók nem kívánt áram utat jelentenek → fogyasztás! Hőmérséklet, zaj
Feladat-specifikus érzékelők (melegágban) - Integrált áramköri megoldások - nagy CMRR (100-120dB) - kis bemeneti ofszet - működés: -
érzékelő ellenálláson Vsense = I*Rsense differenciális feszültség Erősítő nyílt hurkú erősítése hatására „+” és „-” bemeneteken azonos feszültség RG1-en Vsense-el arányos áram folyik Áramtükör: a kimeneti terheléstől független áram: Iout = Isense*Rsense/RG1 feszültség kimenet: buffer vagy ellenállás
- pl. INA169 Példa: Iload,max = 1A A/D full scale: 5V Voffset = 1mV cél: 1%-os pontosság
Rsense = ? RL = ?
Áramtükör - Rbias-al beállított áram tükrözése a kimenetre - Terheléstől független
VBE konstans → IB, IC, IE konst. gond: áram és hőmérséklet függés
Kétirányú áramérzékelő - pl. MAX472
Kérdések -
Mit nevezünk műholdfedélzeti telemetriának? Rajzolja fel a műholdas telemetria gyűjtés és továbbítás szokásos útvonalát!
-
Adjon példákat analóg telemetriákra és rajzolja fel az analóg telemetria gyűjtés tipikus megvalósítását!
-
Milyen alaptípusai vannak a termisztoroknak? Milyen hőmérséklet tartományban használhatók? Mik a termisztorok előnyei és hátrányai a fém ellenállás-hőmérőkkel szemben?
-
Az áramkörünkben alkalmazott termisztor ellenállása 25°C-on 20kΩ, 1%-os toleranciával. Katalógus alapján a hőmérséklet-érzékenységi tényezője 3672K, 1.5%-os toleranciával. Jelenleg a termisztor ellenállása 1562Ω. Mekkora a mért hőmérséklet? Milyen értékű a termisztor anyagállandója? A 25°C-os ellenállás értéket pontosnak feltételezve mekkora maximális hibát okoz a hőmérséklet-érzékenységi tényező változása?
-
Egy AD590 típusú 1uA/K karakterisztikájú lineáris hőmérséklet érzékelőt használunk a -55..+70°Cos tartományban való mérésre. Az A/D átalakító bemenetére 5V full scale feszültség adható. Mekkora értékűre válasszuk az érzékelő ellenállást (praktikus megfontolásokkal)? Mi legyen a scale factor?
-
Hasonlítsa össze az áram mérésének két fő típusát! Melyik módszert használná egy műholdfedélzeti rendszerben és miért?
-
Melyek a fő hibaforrások a melegágban történő árammérés klasszikus módszerénél? Hogyan javíthatók/küszöbölhetők ki ezek a problémák?
-
Az ábrán látható (nagyban ld.16.dia) INA169 típusú árammérőt alkalmazzuk, melynek ofszet feszültsége 1mV. Egy 2A maximális áramfelvételű terhelés áramát szeretnénk mérni 1%-os pontossággal. Az A/D átalakító bemenetére 5V full scale feszültség adható. Mekkora értékűre válasszuk az érzékelő ellenállást és az áram/feszültség átalakítást megvalósító ellenállást?
