Diplomová práce. Soubor p ípravk pro výuku

Diplomová práce Soubor pĜípravkĤ pro výuku

Tomáš Koneþný 2008

Diplomová práce 2008

Tomáš Koneþný

-1-


Tomáš Koneþný

-2-


Tomáš Koneþný

Anotace Tato diplomová práce se zabývá návrhem pĜípravkĤ pro výuku, které budou posléze využity na katedĜe mČĜení. Sada pĜípravkĤ obsahuje mĤstkové, odporové, teplotní a kapacitní snímaþe. Jednotlivé pĜípravky jsou simulovány v programu Multisim 8 a realizované na tištČných spojích pro testování v laboratoĜích. Práce se dále zaobírá analýzou chyb a ovČĜením jejich statických a dynamických parametrĤ.

Annotation This thesis deals with preparation proposals for tutorials, which will be subsequently used in the Department of Measurement. The set of preparations contains dodger, resistive, thermal and capacitive sensors. Each preparation is simulated in Simulink program and realized on printed circuits for laboratory testing. This thesis also deals with error analysis and verifies their statistic and dynamical parameters.

-3-


Tomáš Koneþný

ýestné Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatnČ bez cizí pomoci a použil jsem pouze literaturu uvedenou níže v této práci.

V Praze dne 18. 1. 2008

……………………………. Podpis

-4-


Tomáš Koneþný

PodČkování Tímto bych rád podČkovat svým rodiþĤm, kteĜí mČ podporovali na studiu, kamarádĤm a spolužákĤm, kteĜí mČ inspirovali a motivovali pĜi studiu. Dále bych chtČl podČkovat vedoucímu diplomové práce Doc. Ing. Josefu Vedralovi, CSc. za odborné vedení pĜínosné konzultace a podnČtné pĜipomínky, což mi pomohlo pĜi vypracování této práce.

-5-


Tomáš Koneþný

Obsah

Obsah ................................................................................................................................ 6 Seznam obrázkĤ................................................................................................................ 8 Seznam použitých symbolĤ ............................................................................................ 11 1

2

Úvod........................................................................................................................ 12 1.1

Cíl práce......................................................................................................... 12

1.2

RozdČlení snímaþĤ.......................................................................................... 12

1.2.1

Potenciometrické snímaþe ...................................................................... 13

1.2.2

Kapacitní snímaþe................................................................................... 13

1.2.3

Snímaþe teploty....................................................................................... 14

Rozbor obvodĤ........................................................................................................ 16 2.1

Obvody odporových mĤstkĤ........................................................................... 16

2.1.1

NapČĢovČ napájený odporový mĤstek .................................................... 16

2.1.2

ProudovČ napájený odporový mĤstek..................................................... 17

2.1.3

Asymetrický pĜístrojový zesilovaþ ......................................................... 18

2.1.4

Symetrický pĜístrojový zesilovaþ............................................................ 19

2.2

Obvody kapacitních snímaþĤ.......................................................................... 20

2.2.1

Jednoduchý kapacitní snímaþ ................................................................. 21

2.2.2

Diferenþní kapacitní snímaþ ................................................................... 23

2.3

Obvody odporových snímaþĤ teploty ............................................................. 24

2.3.1

Proudový zdroj se záporným vnitĜním odporem .................................... 26

2.3.2

MĤstkový obvod platinového snímaþe teploty ....................................... 27

2.3.3

Obvod platinového snímaþe s proudovým zdrojem ............................... 28

2.4

3

Obvody termoþlánkĤ....................................................................................... 29

2.4.1

Termoþlánkový zesilovaþ ....................................................................... 30

2.4.2

MĤstkový termoþlánkový zesilovaþ ....................................................... 31

Návrh a simulace obvodĤ ...................................................................................... 33 3.1


3.1.1

NapČĢovČ napájený odporový mĤstek .................................................... 33

3.1.2

ProudovČ napájený odporový mĤstek..................................................... 35 -6-


3.1.3

Asymetrický pĜístrojový zesilovaþ ......................................................... 37

3.1.4

Symetrický pĜístrojový zesilovaþ............................................................ 39

3.2

Obvody kapacitních snímaþĤ.......................................................................... 41

3.2.1

Jednoduchý kapacitní snímaþ ................................................................. 41

3.2.2

Diferenþní kapacitní snímaþ ................................................................... 42

3.3


3.3.1

Proudový zdroj se záporným vnitĜním odporem .................................... 43

3.3.2

MĤstkový obvod platinového snímaþe teploty ....................................... 45

3.3.3

Obvod platinového snímaþe s proudovým zdrojem ............................... 47

3.4

4

5

6

Tomáš Koneþný


3.4.1

Termoþlánkový zesilovaþ ....................................................................... 49

3.4.2

MĤstkový termoþlánkový zesilovaþ ....................................................... 51

Realizace pĜípravkĤ ................................................................................................ 53 4.1


4.2

PĜístrojový zesilovaþ....................................................................................... 54

4.3

Diferenþní kapacitní snímaþ ........................................................................... 56

4.4


4.5


Dosažené výsledky ................................................................................................. 60 5.1


5.2

PĜístrojový zesilovaþ....................................................................................... 61

5.3


5.4


ZávČr ....................................................................................................................... 64

Seznam tabulek ............................................................................................................... 65 Seznam použité literatury ............................................................................................... 66 PĜílohy A - Maska desky ................................................................................................ 67 PĜíloha B - Obvody odporových mĤstkĤ ........................................................................ 69 PĜíloha C - PĜístrojový zesilovaþ .................................................................................... 70 PĜíloha D - Obvody kapacitních snímaþĤ ....................................................................... 71 PĜíloha F - Obvody odporových snímaþĤ teploty........................................................... 73 PĜíloha G - Obvody termoþlánkĤ.................................................................................... 74 -7-


Tomáš Koneþný

Seznam obrázkĤ Obr. 1-1 Snímaþ polohy.................................................................................................. 13 Obr. 1-2 Kapacitor s promČnnou mezerou...................................................................... 14 Obr. 1-3 Kapacitor s promČnnou plochou krytí .............................................................. 14 Obr. 1-4 PĜevodní charakteristika snímaþe Si ................................................................ 15 Obr. 1-5 Teplotní závislost napČtí pĜechodu BE............................................................. 15 Obr. 2-1 NapČĢovČ napájený odporový mĤstek.............................................................. 16 Obr. 2-2 ProudovČ napájený odporový mĤstek .............................................................. 17 Obr. 2-3 Asymetrický pĜístrojový zesilovaþ................................................................... 18 Obr. 2-4 Symetrický pĜístrojový zesilovaþ ..................................................................... 19 Obr. 2-5 Jednoduchý kapacitní snímaþ........................................................................... 21 Obr. 2-6 Amplitudová kmitoþtová charakteristika snímaþe ........................................... 22 Obr. 2-7 Diferenþní kapacitní snímaþ............................................................................. 23 Obr. 2-8 PĜevodní charakteristika snímaþe Pt ................................................................ 25 Obr. 2-9 Teplotní charakteristika termistoru NTC ........................................................ 26 Obr. 2-10 Proudový zdroj se záporným vnitĜním odporem RL...................................... 27 Obr. 2-11 MĤstkový odvod platinového snímaþe teploty............................................... 28 Obr. 2-12 Obvod platinového snímaþe s proudovým zdrojem....................................... 29 Obr. 2-13 Termoþlánek................................................................................................... 30 Obr. 2-14 Termoþlánkový zesilovaþ............................................................................... 31 Obr. 2-15 MĤstkové zapojení termoþlánku .................................................................... 32 Obr. 3-1 Simulovaný napČĢovČ napájený odporový mĤstek .......................................... 33 Obr. 3-2 Simulovaná pĜevodní charakteristika napČĢovČ napájeného odporového mĤstku ........................................................................................................................................ 34 Obr. 3-3 Simulovaný proudovČ napájený odporový mĤstek .......................................... 35 Obr. 3-4 Simulovaná pĜevodní charakteristika proudovČ napájeného mĤstku .............. 36 Obr. 3-5 Simulovaný asymetrický pĜístrojový zesilovaþ................................................ 37 Obr. 3-6 Závislost výstupního napČtí na zmČnČ rozdílového napČtí u asymetrického zesilovaþe........................................................................................................................ 38

-8-


Tomáš Koneþný

Obr. 3-7 Závislost výstupního napČtí na zmČnČ zesílení odporem R2 u asymetrického zesilovaþe........................................................................................................................ 38 Obr. 3-8 Závislost výstupního napČtí na zmČnČ rozdílového napČtí symetrického pĜístrojového zesilovaþe ................................................................................................. 39 Obr. 3-9 Simulovaný symetrický pĜístrojový zesilovaþ ................................................. 40 Obr. 3-10 Závislost výstupního napČtí na zmČnČ zesílení odporem R7 symetrického pĜístrojového zesilovaþe ................................................................................................. 40 Obr. 3-11 Závislost výstupního napČtí obvodu na kapacitČ............................................ 41 Obr. 3-12 Simulovaný jednoduchý kapacitní snímaþ ..................................................... 42 Obr. 3-13 Simulovaný diferenþní kapacitní snímaþ ....................................................... 43 Obr. 3-14 Simulovaný proudový zdroj se záporným vnitĜním odporem........................ 44 Obr. 3-15 Simulovaný mĤstkový obvod platinového snímaþe teploty........................... 45 Obr. 3-16 Závislost výstupního napČtí na teplotČ platinového snímaþe teploty ............. 46 Obr. 3-17 Simulovaný platinový snímaþ s proudovým zdrojem .................................... 47 Obr. 3-18 Závislost výstupního napČtí na teplotČ platinového snímaþe napájeného zdrojem proudu ............................................................................................................... 48 Obr. 3-19 Simulovaný termoþlánkový zesilovaþ............................................................ 49 Obr. 3-20 Závislost výstupního napČtí na teplotČ termoþlánkového zesilovaþe............. 50 Obr. 3-21 Simulovaný mĤstkový termoþlánkový zesilovaþ........................................... 51 Obr. 3-22 Závislost výstupního napČtí na teplotČ mĤstkového termoþlánkového zesilovaþe........................................................................................................................ 52 Obr. 4-1 Realizované odporový mĤstky ......................................................................... 53 Obr. 4-2 NamČĜený napČĢovČ napájený odporový mĤstek............................................. 53 Obr. 4-3 NamČĜený proudovČ napájený odporový mĤstek............................................. 54 Obr. 4-4 Realizovaný pĜístrojový zesilovaþ ................................................................... 54 Obr. 4-5 NamČĜená závislost výstupního napČtí na zmČnČ rozdílového napČtí u asymetrického zesilovaþe ............................................................................................... 55 Obr. 4-6 NamČĜená závislost výstupního napČtí na zmČnČ rozdílového napČtí u symetrického zesilovaþe ................................................................................................. 55 Obr. 4-7 NamČĜená závislost výstupního napČtí na zmČnČ zesílení odporem R7 u symetrického zesilovaþe ................................................................................................. 56 Obr. 4-8 Realizovaný diferenþní kapacitní snímaþ......................................................... 56 -9-


Tomáš Koneþný

Obr. 4-9 NamČĜená závislost výstupního napČtí na zmČnČ kapacity .............................. 57 Obr. 4-10 Realizovaný odporový snímaþ teploty ........................................................... 57 Obr. 4-11 NamČĜená závislost výstupního napČtí na teplotČ u snímaþe teploty ............. 58 Obr. 4-12 Realizovaný obvod termoþlánku .................................................................... 58 Obr. 4-13 NamČĜená závislost výstupního napČtí na teplotČ u termoþlánku .................. 59 Obr. 5-1 Porovnání pĜevodních charakteristik u napČĢovČ napájeného mĤstku............. 60 Obr. 5-2 Porovnání pĜevodních charakteristik u proudovČ napájeného mĤstku............. 61 Obr. 5-3 Porovnání závislostí výstupního napČtí na zmČnČ rozdílového napČtí u asymetrického zesilovaþe pro stejné zesílení.................................................................. 61 Obr. 5-4 Porovnání závislosti výstupního napČtí na zmČnČ rozdílového napČtí u symetrického zesilovaþe pro stejné zesílení ................................................................... 62 Obr. 5-5 Porovnání závislostí výstupního napČtí na zmČnČ zesílení odporem R7 u symetrického zesilovaþe ................................................................................................. 62 Obr. 5-6 Porovnání snímaþe teploty ............................................................................... 63 Obr. 5-7 Porovnání termoþlánku .................................................................................... 63

- 10 -


Tomáš Koneþný

Seznam použitých symbolĤ

Symbol Jednotka Název A zesílení C F elektrická kapacita f Hz kmitoþet q C elektrický náboj I A elektrický proud i A þasovČ promČnný elektrický proud R Ω elektrický odpor T s perioda t s þas U V elektrické napČtí u V þasovČ promČnné elektrické napČtí Δ absolutní chyba, pĜírustek δ % relativní chyba ϑ °C Celsiova teplota τ s þasová konstanta ω 1/s úhlový kmitoþet CMR dB þinitel potlaþení Tab. 0-1 Seznam použitých symbolĤ

- 11 -


Tomáš Koneþný

1 Úvod

1.1 Cíl práce Diplomová práce vznikla za úþelem navržení pĜípravkĤ pro laboratorní výuku na katedĜe mČĜení v pĜedmČtu „Zpracování signálu a jeho digitalizace“. Soubor navržených pĜípravkĤ tvoĜí odporové, kapacitní a teplotní snímaþe. Tyto pĜípravky jsou navrženy jako jednotlivé bloky v programu „Multisim 8“. V programu jsou hodnoty jednotlivých souþástek navrženy pro reálné situace. Student pracující s tímto pĜípravkem si mĤže hodnoty jednotlivých souþástek pĜedem vypoþítat nebo vybrat z nabízených hodnot. Dále si student mĤže tyto pĜípravky po simulaci na poþítaþi vyzkoušet na pĜipravených reálných pĜípravcích a otestovat jejich statické a dynamické parametry a také si ovČĜit, jak se chovají jednotlivé obvody ve skuteþnosti oproti jen simulaci pomocí poþítaþe.

1.2 RozdČlení snímaþĤ Snímaþ je v pĜímém styku s mČĜeným prostĜedí. TvoĜí vstupní blok mČĜícího ĜetČzce. Snímaþ snímá sledovanou fyzikální, chemickou nebo jinou veliþinu, kterou podle definovaného principu transformuje na mČĜící veliþinu. Je jím nejþastČji elektrická veliþina, jako je napĜíklad napČtí nebo výkon. Existují také senzory, které snímanou veliþinu rovnou transformují na þíselný signál. Jedna se nejþastČji o neelektrické veliþiny. Snímaþe lze rozdČlit do mnoho skupin podle jejich vlastností a zamČĜení. MĤžeme je dČlit podle jejich fyzikálního principu, jako jsou kapacitní, odporové, indukþní nebo chemické snímaþe. Lze je též dČlit podle veliþiny, kterou snímají, jako jsou senzory tlaku, teploty, rychlosti, analýzy látek, aj. a na dotykové nebo bezdotykové snímaþe. Dalším dĤležitým kritériem k rozdČlení snímaþĤ je, zda se jedná o aktivní þi pasivní snímaþ. Aktivní snímaþ se pĜi pĤsobení snímané veliþiny chová jako zdroj elektrické veliþiny. U pasivních snímaþĤ je potĜeba pĜi snímání veliþiny zdroj napájení. U tČchto - 12 -


Tomáš Koneþný

snímaþĤ se elektrická veliþina (odpor, kapacita) transformuje na analogový napČĢový nebo proudový signál. MČĜící veliþinou je pak amplituda, fáze, aj. Technické parametry snímaþĤ jsou charakterizovány základními vlastnostmi snímaþĤ, které se dČlí na dynamické a statické.

1.2.1 Potenciometrické snímaþe Potenciometrické snímaþe se nejþastČji používají pro snímání polohy. Tyto snímaþe jsou složeny

z pevné þásti s pohyblivým kontaktem, jezdcem. Odporový

snímaþ polohy se chová jako napČĢový dČliþ (Obr. 1-1) s dČlícím pomČrem urþený mČĜenou polohou.

Obr. 1-1 Snímaþ polohy

Podle pĜevodní charakteristiky snímaþe je lze rozdČlit na lineární nebo nelineární.

1.2.2 Kapacitní snímaþe Kapacitní snímaþe jsou vhodné pro mČĜení veliþin ovlivĖující kapacitu kondenzátoru. MĤže to být zmČna geometrie elektrod, kde se jedná o zmČnČ plochy elektrod nebo vzdálenosti mezi jejich plochami. Dále to mĤže být zmČna permitivity dielektrika.

- 13 -


Tomáš Koneþný

Kapacitní snímaþe lze použít pĜi mČĜení tlaku nebo jako snímaþ hladiny. Kapacitní snímaþe mĤžeme rozdČlit do nČkolika skupin podle jejich uspoĜádáni. Mohou být deskové nebo válcové, zde se jedná o jednoduché (dvČ elektrody) nebo diferenþní. Dále se dČlí podle zpĤsobu zmČny kapacity s promČnnou mezerou mezi elektrodami (Obr. 1-2) nebo s promČnnou plochou krytí elektrod (Obr. 1-3).

Obr. 1-2 Kapacitor s promČnnou mezerou

Obr. 1-3 Kapacitor s promČnnou plochou krytí

1.2.3 Snímaþe teploty Snímaþe teploty mĤžeme rozdČlit do základních dvou skupin podle zpĤsobu mČĜení teploty. Mohou být dotykové nebo bezdotykové. Dále je rozdČlujeme podle typu materiálu z kterých jsou vyrobeny. Jedná se o odporové snímaþe teploty, mezi které se Ĝadí kovové platinové a niklové snímaþe. Dále termoþlánky, Si monokrystalické snímaþe a polovodiþové využívající teplotní závislost pĜechodu BE bipolárního tranzistoru. Monokrystalické snímaþe teploty se vyrábČjí z kĜemíku, india a jejich slitin. Používají se pro mČĜení teploty v rozsahu od -50 °C do +150 °C . KĜemíkový snímaþ je z nevlastního polovodiþe typu N. Jeho závislost odporu na teplotČ urþenou rovnicí

(

Rϑ = R25 1 + 7,95 ⋅ 10 −3 (ϑ − 25) + 1,95 ⋅ 10 −5 (ϑ − 25) kde R25 je odpor snímaþe pĜi teplotČ 25 °C. PĜevodní charakteristika kĜemíkového snímaþe je na (Obr. 1-4). - 14 -

2

)

(1-1)


Tomáš Koneþný

Obr. 1-4 PĜevodní charakteristika snímaþe Si

Snímaþe využívající teplotní závislost napČtí UBE pĜechodu BE bipolárního tranzistoru mají teplotní závislost napČtí na pĜechodu definovanou jako

dU BE k U BE = ≈ −2[mV / K ] dϑ q UT

(1-2)

kde k je Boltzmannova konstanta, q je náboj elektronu, UT je teplotní napČtí a ϑ je teplota pĜechodu. UBE [V] 0,8 -2 mV/K

0,6 0,4 0,2 0

0

100 200 300 400 θ [K]

Obr. 1-5 Teplotní závislost napČtí pĜechodu BE

- 15 -


Tomáš Koneþný

2 Rozbor obvodĤ

2.1 Obvody odporových mĤstkĤ Obvody odporových mĤstkĤ se nejþastČji používají k zesilování malých rozdílových napČtí. K jejich napájení se využívají zdroje napČtí nebo zdroje proudu. Pro zesílení rozdílového napČtí odporových mĤstkĤ se používají pĜístrojové zesilovaþe.

2.1.1 NapČĢovČ napájený odporový mĤstek NapČĢovČ napájený odporový mĤstek (Obr. 2-1) je složen ze þtyĜ rezistorĤ.

Obr. 2-1 NapČĢovČ napájený odporový mĤstek

Výstupní napČtí mĤstku lze vypoþítat ze vztahu

U výst = U 2 − U 1 = U vst .

R2 R1 − U vst . R2 + R3 R1 + R4

(2-1)

budou-li tyto rezistory totožné, tj. R1 = R2 = R3 = R4 = R, pak bude mĤstek vyvážený a výstupní rozdílové napČtí bude nulové. U výst = U 2 − U 1 = U vst .

R R +R

− U vst .

R R +R

=0

(2-2)

Pokud jeden z odporĤ bude jiný, napĜ. pro R4 = R + ΔR a budeme pĜedpokládat, že R >> ΔR, pak výstupní napČtí bude

- 16 -

Tomáš Koneþný


R ΔR § R · U vst − . U výst = U 2 − U 1 = U vst .¨ ¸= ΔR 4 © R + R R + R + ΔR ¹ R+ 2

(2-3)

Takto rozvážený mĤstek má nelineární pĜevodní charakteristiku 0,5%/% zmČnu ΔR/R. Rozvážení mĤstku dvČma rezistory, tj. R2 = R4 = R + ΔR, se nelinearita pĜevodní charakteristiky mĤstku sníží na polovinu a bude mĤstek dvakrát citlivČjší než v pĜedchozím pĜípadČ. Nelinearita 0,25%/% zmČnu ΔR/R. Pak výstupní napČtí bude

U výst =

U vst . 2

ΔR ΔR R+ 2

(2-4)

ZmČníme-li nastavení všech odporĤ, tj. R2 = R3 = R + ΔR a R1 = R4 = R - ΔR, bude výstupní napČtí U výst = U vst .

ΔR . R

(2-5)

PĜevodní charakteristika bude lineární a mĤstek bude nejcitlivČjší ze všech zmínČných rozvážení.

2.1.2 ProudovČ napájený odporový mĤstek ProudovČ napájený odporový mĤstek obsahuje operaþní zesilovaþ zapojený jako neinvertující zesilovaþ. Do jeho záporné zpČtné vazby je zapojen odporový mĤstek.

Obr. 2-2 ProudovČ napájený odporový mĤstek

- 17 -

Tomáš Koneþný


Pro rozvažování proudovČ napájeného odporového mĤstku (Obr. 2-2) jsou použity stejné rezistory jako u napČĢovČ napájeného odporového mĤstku (Obr. 2-1) , tj. R1=R2=R3=R a R4 = R + ΔR, tím dostaneme výstupní napČtí

U výst =

U vst . 4

ΔR ΔR R+ 4

(2-6)

Takto rozvážený mĤstek má o polovinu menší nelinearitu pĜevodní charakteristiky jako u napČĢovČ napájeném mĤstku. PĜi rozvážení mĤstku dvČmi rezistory, tj. R4 = R4 = R + ΔR, bude výstupní napČtí rozváženého mĤstku dáno U výst = U vst .

ΔR 2R

(2-7)

a pĜevodní charakteristika bude lineární.

2.1.3 Asymetrický pĜístrojový zesilovaþ Asymetrický pĜístrojový zesilovaþ (Obr. 2-3) je složen ze dvou operaþních zesilovaþĤ. První z nich je zapojen jako neinvertující zesilovaþ a na jeho výstup je pĜipojen invertující vstup druhého zesilovaþe jako zesilovaþ napČtí.

Obr. 2-3 Asymetrický pĜístrojový zesilovaþ

Výstupní napČtí takto zapojeného pĜístrojového zesilovaþe je

- 18 -

Tomáš Koneþný


− U1 ⋅

R + R4 R1 + R2 R4 ⋅ +U2 ⋅ 3 = U3 R3 R2 R3

(2-8)

Pokud zvolíme hodnoty odporĤ tak, že R1 = R3 a R2 = R4 , pak po úpravČ pĜedešle rovnice bude rozdílové zesílení zesilovaþe

U3 R = 1+ 2 U 2 − U1 R1

(2-9)

Pomocí odporu R2 se nastavuje rozdílové zesílení pĜístrojového zesilovaþe. Nevýhodou tohoto zesilovaþe je vliv souhlasného zesílení operaþního zesilovaþe na souhlasné zesílení pĜístrojového zesilovaþe.

2.1.4 Symetrický pĜístrojový zesilovaþ Symetrický pĜístrojový zesilovaþ (Obr. 2-4) je složen ze tĜí operaþních zesilovaþĤ Z1, Z2, Z3. Operaþní zesilovaþe Z1, Z2 jsou zapojeny jako zesilovaþe napČtí. Jejich výstupy jsou pĜipojeny k rozdílovému zesilovaþi Z3.

Obr. 2-4 Symetrický pĜístrojový zesilovaþ

Výstupní napČtí Ua operaþního zesilovaþe Z1 je dáno

U a = U1 ⋅

R R1 + R2 −U2 ⋅ 2 R1 R1

a výstupní napČtí Ub operaþního zesilovaþe Z2 je

- 19 -

(2-10)

Tomáš Koneþný


Ub = U2 ⋅

R R1 + R2 − U1 ⋅ 2 R1 R1

(2-11)

Výstupní napČtí U3 se urþí jako rozdíl napČtí Ua a Ub vynásobeno zesílením operaþního zesilovaþe Z3.

§ R · U 3 = (U a − U b ) ⋅ ¨¨ − 4 ¸¸ © R3 ¹

(2-12)

Rozdílové zesílení symetrického pĜístrojového zesilovaþe je dáno souþinem rozdílového zesílení vstupních zesilovaþĤ a výstupního rozdílového zesilovaþe.

U3 R § R = 4 ⋅ ¨¨1 + 2 ⋅ 2 (U 2 − U 1 ) R3 © R1

· ¸¸ ¹

(2-13)

Rozdílové zesílení je možno mČnit pomocí odporu R1. Koneþná hodnota þinitele potlaþení CMR je dána párovou nepĜesnosti rezistorĤ R2, R3,R4.

2.2 Obvody kapacitních snímaþĤ Kapacita rovinného deskového kondenzátoru s homogenním polem je vyjádĜena jako C=

ε 0ε r S

(2-14)

d

kde εr je relativní permitivita, ε0 permitivita vakua, S plocha elektrod a d je vzdálenost mezery mezi elektrodami. Mezerové kapacitní snímaþe (Obr. 1-2) je možno použít pro mČĜení malých

posunutí. ZmČna kapacity zpĤsobena zmČnou vzdálenosti mezery d je vyjádĜena vztahem ΔC =

ε 0ε r S d + Δd

−

ε 0ε r S d

=

ε 0ε r S d

⋅

− Δd d + Δd

(2-15)

Pro relativní zmČny platí

ΔC Δd =− ⋅ C d

Δd 1 =− Δd d 1+ d

ª Δd § Δd · 2 º +¨ ¸ − » «1 − d © d ¹ «¬ »¼

Diferenciální kapacitní snímaþ mĤžeme popsat pomocí rovnice

- 20 -

(2-16)

Tomáš Koneþný


C1 − C 2 = C + ΔC − (C − ΔC ) = 2ΔC

(2-17)

Pak pro relativní zmČnu platí C1 − C 2 Δd = −2 C d

ª Δd § Δd · 2 º +¨ ¸ − » «1 − d © d ¹ «¬ »¼

(2-18)

Diferenciální kapacitní snímaþ má dvakrát vČtší citlivost než jednoduchý kapacitní snímaþ.

2.2.1 Jednoduchý kapacitní snímaþ Odvod, kterým je možno zpracovávat signál z kapacitního snímaþe je tvoĜen z operaþního zesilovaþe zapojeného jako invertující zesilovaþ. V tomto zapojení je kapacitní snímaþ reprezentován kondenzátorem C1, který je zapojen na invertující vstup operaþního zesilovaþe. Ve zpČtné vazbČ je zapojena paralelní kombinace kondenzátoru C2 a rezistoru R2. &

5 &

8

8

Obr. 2-5 Jednoduchý kapacitní snímaþ

Mezní kmitoþty amplitudové kmitoþtové charakteristiky obvodu (Obr. 2-6) jsou f1 =

1 2πR2 C1

f2 =

(2-19)

- 21 -

1 2πR2 C 2

(2-20)

Tomáš Koneþný


PĜenos tohoto obvodu je

u2 =

jωR2 C1 ⋅ u1 1 + jω R 2 C 2

(2-21)

kde u1 = U 1 ⋅ sin ωt je stĜídavé budící napČtí snímaþe.

Obr. 2-6 Amplitudová kmitoþtová charakteristika snímaþe

Pokud bude kmitoþet výstupního signálu f > f 2 , potom pĜenos obvodu je urþen pouze pomČrem kapacit C1, C2.

U2 =

C1 ⋅U1 C2

(2-22)

Z hlediska stability obvodu je nutné zajistit, aby þást amplitudové charakteristiky obvodu se sklonem +20dB/dek neprotínala amplitudovou charakteristiku operaþního zesilovaþe se sklonem -20dB/dek. Kritický kmitoþet, pĜi kterém dochází k nestabilitČ obvodu je

fk =

f1 f T

(2-23)

Pro stabilitu obvodu je proto nutné volit kmitoþet budícího signálu f f . Z této 2

k

podmínky lze urþit minimální odpor rezistoru

R2 ≥

C1 2πf T C 22

- 22 -

(2-24)

Tomáš Koneþný


2.2.2 Diferenþní kapacitní snímaþ Obvod je na (Obr. 2-7) pro zpracování signálu z diferenþního promČnného kondenzátoru.

Obr. 2-7 Diferenþní kapacitní snímaþ

Zvolíme-li rezistory R1 = R2 = R a kondenzátory C1 = C2 = C, pak budou mezní kmitoþty f =

1 2πRC

(2-25)

Pro kmitoþty f > 1/2ʌRC jsou výstupní napČtí zesilovaþĤ Z1, Z2 u2 =

C12 ⋅ u1 C

u3 =

(2-26)

kde C12 = C0 + ǻC, C13 = C0 – ǻC.

- 23 -

C13 ⋅ u1 C

(2-27)

Tomáš Koneþný


Tato napČtí jsou odeþítána v rozdílovém zesilovaþi Z3, jehož výstupní napČtí je pĜi R1 = R2, R3 = R4, R5 = R6

u4 =

R6 R ΔC ⋅ (u 3 − u 2 ) = 6 ⋅ 2 u1 R3 R3 C

(2-28)

NapČtí U4 je usmČrnČno spínaným synchronním detektorem s pĜenosem ±1, pĜi zvolení odporĤ R7 = R8 = R9, jehož spínaþ (tranzistor BF245) je Ĝízen výstupním napČtím komparátoru Z5. StĜední hodnota výstupního napČtí detektoru je U 5s =

4 ΔC U 1m π C

(2-29)

K filtraci usmČrnČného napČtí U5 je urþen kondensátor C3, který s rezistorem R7 urþuje þasovou konstantu filtru.

2.3 Obvody odporových snímaþĤ teploty Mezi odporové snímaþe teploty se Ĝadí kovové platinové a niklové snímaþe. U tČchto snímaþĤ se využívá teplotní závislosti odporu na teplotČ. Základní materiálovou konstantou je teplotní souþinitel odporu urþený vztahem

α=

1 ∂R ⋅ R ∂ϑ

(2-30)

Platinové snímaþe teploty mají definovanou teplotní závislost odporu pro rozsah teplot 0 °C až +850 °C

(

Rϑ = R0 1 + 3,9080 ⋅ 10 −3 ϑ − 0,5802 ⋅ 10 −6 ϑ 2

)

(2-31)

a pro teplotní rozsah -200 °C až 0 °C

(

Rϑ = R0 1 + 3,9080 ⋅ 10 −3 ϑ − 0,5802 ⋅ 10 −6 ϑ 2 + 0,4723 ⋅ 10 −9 ϑ 3

)

(2-32)

kde R0 je jmenovitý odpor snímaþe pĜi teplotČ 0 °C. Platinové snímaþe teploty mají navíc velmi dobrou stabilitu (0,05 %/103 hodin).

- 24 -

Tomáš Koneþný


5 5 53W 5

>&@

5

Obr. 2-8 PĜevodní charakteristika snímaþe Pt

Niklové snímaþe teploty mají pro teplotní rozsah -60 °C až 180 °C definovanou teplotní závislost odporu

(

Rϑ = R20 1 + 3,83 ⋅ 10 −3 ϑ + 4,64 ⋅ 10 −6 ϑ 2

)

(2-33)

kde R20 je jmenovitý odpor snímaþe pĜi teplotČ 20 °C. Výhodou niklových odporových snímaþĤ jsou jejich malé rozmČry, vysoká citlivost

a rychlá þasová odezva. Tyto vlastnosti jsou omezeny menším teplotním

rozmezím a znaþnou nelinearitou vĤþi platinovému snímaþi. Další skupinou jsou polovodiþové odporové snímaþe teploty. Využívají také teplotní závislosti odporu na teplotČ, ale s tím rozdílem, že dominantní teplotní závislostí je koncentrace nosiþĤ náboje. DČlíme je do dvou skupin podle polarity teplotního souþinitele odporu. Se záporným koeficientem se vyrábČjí termistory typu NTC, negastory. Jsou vyrobeny z oxidĤ kovĤ, napĜ. FeO3 + TiO2. Jejich teplotní charakteristika (Obr. 2-9) je vyjádĜena rovnici

§1 1· Rϑ1 = Rϑ2 ⋅ eB⋅ ¨¨ − ¸¸ © ϑ1 ϑ2 ¹

(2-34)

kde Rϑ1 a Rϑ2 jsou odpory termistoru pĜi absolutních teplotách ϑ1, ϑ2 a B je materiálová konstanta. Teplotní rozsah se pohybuje od -50 °C do +150 °C.

- 25 -

Tomáš Koneþný


Obr. 2-9 Teplotní charakteristika termistoru NTC

Oproti platinovému snímaþi se vyrábČjí negastory velmi malé a mají až o jeden

Ĝad vyšší hodnotu teplotního souþinitele odporu. Na druhou stanu jsou ménČ stabilní a mají znaþnou nelinearitu. S kladným teplotním souþinitelem odporu se nazývají pozistory. VyrábČjí se z polykrystalické feroelektrické keramiky. Odporové snímaþe teploty se vyrábČjí ve dvojím provedení se dvČmi nebo

þtyĜmi vývody. PĜi dvojvodiþovém provedení se k vlastnímu mČĜícímu odporu pĜiþítá odpor vývodĤ, který zpĤsobuje promČnou chybu. Tato chyba se mĤže pohybovat od 0,1 °C do 0,5 °C. PĜi mČĜení, kde nelze tuto chybu zanedbat se musí používat

þtyĜvodiþové zapojení, které tuto chybu eliminuje.

2.3.1 Proudový zdroj se záporným vnitĜním odporem K linearizaci teplotní závislosti platinového snímaþe se používá proudový zdroj se záporným vnitĜním odporem RL (Obr. 2-10). Hodnota rezistoru RL je pĜi trojbodové linearizaci

RL =

Rϑ 2 (Rϑ1 + Rϑ 3 ) − 2 Rϑ1 Rϑ 3 Rϑ1 + Rϑ 3 − 2 Rϑ 2

(2-35)

kde Rϑ1, Rϑ2, Rϑ3 jsou odpory snímaþe pĜi teplotách ϑ1,ϑ2,ϑ3. SouĜadnicemi tČchto bodĤ

- 26 -

Tomáš Koneþný


prochází linearizovaná závislost odpor RL, který vychází záporný. Lze ho realizovat zapojením proudového zdroje s kladnou zpČtnou vazbou urþenou rezistorem R1. R1 =

R32 − R22 ⋅ RL R3 (R2 + R3 )

(2-36)

Obr. 2-10 Proudový zdroj se záporným vnitĜním odporem RL

2.3.2 MĤstkový obvod platinového snímaþe teploty MĤstkový obvod platinového snímaþe teploty (Obr. 2-11) je tvoĜen proudovČ napájeným odporovým mĤstkem. V jedné z jeho vČtví je zapojen platinový snímaþ teploty RPt. Z napČĢových svorek platinového snímaþe a z normálového rezistoru R3 je snímáno rozdílové napČtí mĤstku. Pokud budou rezistory R1, R2, R3, rovny jmenovité hodnotČ odporu platinového snímaþe RPt(0), pak mĤžeme rozdílové napČtí mĤstku urþit jako U 2 − U1 =

Ur 4 R4

ΔR Pt ΔR Pt R+ 4

(2-37)

kde ΔRPt je zmČna odporu snímaþe pĜi zmČnČ teploty Δϑ. Toto napČtí je zesíleno asymetrickým pĜístrojovým zesilovaþem. Výstupní napČtí takto zapojeného pĜístrojového zesilovaþe je

− U1 ⋅

R + R4 R1 + R2 R4 ⋅ +U2 ⋅ 3 = U3 R2 R3 R3

- 27 -

(2-38)

Tomáš Koneþný


XU

5

5

X

X X 5

53W

5

5

5

5

5

Obr. 2-11 MĤstkový odvod platinového snímaþe teploty

Pokud zvolíme hodnoty odporĤ tak, že R5 = R8 a R6 = R7 , pak po úpravČ pĜedešle rovnice bude rozdílové zesílení zesilovaþe

U3 R = 1+ 5 U 2 − U1 R6

(2-39)

Zapojení umožĖuje tĜídrátové pĜipojení snímaþe, který þásteþnČ potlaþuje vliv odporu pĜívodĤ snímaþe na pĜesnost mČĜení jeho odporu.

2.3.3 Obvod platinového snímaþe s proudovým zdrojem U tohoto zapojení (Obr. 2-12) je využito neinvertujícího zapojení operaþního zesilovaþe jako zdroje proudu. Do jeho zpČtné vazby je zapojen platinový snímaþ teploty. Úbytek napČtí na snímaþi je zesilován symetrickým pĜístrojovým zesilovaþem s výstupním napČtím

U3 =

RPt R4 § R ¨¨1 + 2 2 R0 R3 © R1

· ¸¸ ⋅ U r − U 0 ¹

(2-40)

NapČtí U0 odpovídá nulovému výstupnímu napČtí zesilovaþe pĜi vztažné teplotČ 0 °C, pĜi které má snímaþ odpor RPt(0).

- 28 -

Tomáš Koneþný


Obr. 2-12 Obvod platinového snímaþe s proudovým zdrojem

Proud procházející snímaþem je u /R . r

0

Toto zapojení umožĖuje využít þtyĜdrátové pĜipojení snímaþe, které zcela potlaþuje vliv odporu pĜívodĤ snímaþe na pĜesnost mČĜení jeho odporu.

2.4 Obvody termoþlánkĤ Termoelektrické snímaþe jsou založeny na Seebeckovu jevu. Jedná se o pĜevod tepelné energie na elektrickou. Termoþlánek (Obr. 2-13) je složen ze dvou rĤzných kovĤ nebo dvou odlišných slitin. Pokud jsou rozdílné teploty mezi referenþním a mČĜícím koncem termoþlánku, pak je ve stykĤ kovĤ generováno termoelektrické napČtí U ϑ = k t ⋅ (ϑ m − ϑ r ) kde kt je konstanta termoþlánku a ϑm, ϑr jsou teploty na koncích termoþlánku.

- 29 -

(2-41)

Tomáš Koneþný


kov 1 θM kov 2 θR

Uθ

kov 1 Obr. 2-13 Termoþlánek

VyrábČjí se rĤzné typy termoþlánkĤ, kde mezi nejpoužívanČjší patĜí J, K a S. Jejich základní parametry jsou uvedeny v tabulce. typ

kov 1 (+)

kov 2 (-)

kt [μV/oC]

Rozsah teplot [oC]

J

Fe

Cu-Ni

50,2

- 200 až 400

K

Cr Ni

Al Ni

39,2

- 200 až 1300

S

Pt

Pt 10%Rh

10,3

0 až 1500

Tab. 2-1 Parametry kontaktĤ termoþlánku

2.4.1 Termoþlánkový zesilovaþ Termoþlánkový zesilovaþ (Obr. 2-14) je složen z operaþního zesilovaþe zapojeného jako invertující zesilovaþ. Zesílení operaþního zesilovaþe

A=−

R2 R1

(2-42) o

urþuje zmČnu výstupního napČtí pĜi zmČnČ teploty o 1 C.

ΔU OUT R2 = Δϑ R1 kt

- 30 -

(2-43)

Tomáš Koneþný


izotermická svorkovnice 1N4148

termoþlánek

-

+ Ur

- Ur

R5 R3

UD

R4

R2

R1

Cu Cu

0 až o 100 C 0 až 1V

+

Obr. 2-14 Termoþlánkový zesilovaþ

Ke kompenzaci teplotních zmČn referenþního konce termoþlánku je užita izotermické svorkovnice, jejíž teplota je snímána Si diodou 1N4148, zapojenou ve vodivém stavu. Proud protékající diodou je urþen referenþním napČtím +Ur, napČtím na diodČ UD a odporem R5. NapČtí na diodČ UD s rezistorem R3 zpĤsobuje pĜídavný proud, který je kompenzován proudem −

Ur . R4

Teplotní závislost napČtí UD s koeficientem α U D = −2,2mV / °C je využita k teplotní kompenzaci obvodu, pro kterou platí

αU kt

D

=

R3 R1

(2-44)

2.4.2 MĤstkový termoþlánkový zesilovaþ MĤstkový termoþlánkový zesilovaþ (Obr. 2-15) je složen z operaþního zesilovaþe zapojeného jako invertující zesilovaþ. Zesílení operaþního zesilovaþe

A=−

R7 R6

(2-45) o

které urþuje zmČnu výstupního napČtí zesilovaþe pĜi zmČnČ mČĜené teploty o 1 C. - 31 -

Tomáš Koneþný


ΔU OUT R2 = Δϑ R1 kt

(2-46)

Rozdílové napČtí odporového mĤstku je

UD ⋅

R1 R4 = Ur ⋅ R1 + R2 R4 + R5

(2-47)

Kompenzace teplotních zmČn referenþního konce termoþlánku teplotní závislostí napČtí diody je splnČna pĜi podmínce

αU kt

D

=

R1 + R2 R1

Obr. 2-15 MĤstkové zapojení termoþlánku

- 32 -

(2-48)

Tomáš Koneþný


3 Návrh a simulace obvodĤ Jednotlivé obvody jsou navrženy v programu Multisim 8. V tomto programu lze navržený obvod simulovat, vyzkoušet a ovČĜit jeho funkþnost.

3.1 Obvody odporových mĤstkĤ

3.1.1 NapČĢovČ napájený odporový mĤstek mĤstek

Odporový

(Obr. 3-1)

je

složen

ze

þtyĜ

rezistorĤ,

R1, R2, R3, R4 = 10 kΩ s pĜesnosti 1% a potenciometru s lineární zmČnou odporu z 0 Ω na 1 kΩ. Obvod je napájen ze stejnosmČrného zdroje napČtí o velikosti U1 = 5V.

XMM1

V1 5V

1KΩ_LIN Key = Space

R1 10.0kΩ

R2 10.0kΩ

R4 10.0kΩ

R3 10.0kΩ

R5 50%

Obr. 3-1 Simulovaný napČĢovČ napájený odporový mĤstek

Pokud jsou obČ vČtve vyvážené, tj. potenciometr je nastaven na svojí nulovou hodnotu, prochází jimi stejný proud, pak na indikátoru napČtí XMM1 je nulové napČtí. MĤstek je vyvážený. Budeme-li mČnit hodnotu potenciometru zapojeného do jedné vČtve (Obr. 3-1), zaþne mĤstek rozvažovat a na indikátoru napČtí XMM1 bude možno zmČĜit rozdílové napČtí rozváženého mĤstku. Výstupní napČtí mĤstku je pak dáno - 33 -

Tomáš Koneþný


U XMM =

ΔR ΔR R+ 2

U1 . 4

(3-1)

V tabulce (Tab. 3-1) jsou uvedeny hodnoty zmČĜeného a vypoþteného výstupního napČtí napČĢovČ napájeného odporového mĤstku pro dané pĜírĤstky odporu.

ΔR [ Ω ] ΔR/R [ - ] U1 [ V ] U2zpoc [ mV ] U2zmer [ mV ] 0 0 5 0,00 0,12 100 0,01 5 12,44 12,44 200 0,02 5 24,75 24,75 300 0,03 5 36,95 36,95 400 0,04 5 49,02 49,02 500 0,05 5 60,98 60,98 600 0,06 5 72,82 72,82 700 0,07 5 84,54 84,54 800 0,08 5 96,15 96,15 900 0,09 5 107,66 107,65 1000 0,1 5 119,05 119,05 Tab. 3-1 NapČĢovČ napájený odporový mĤstek

Z namČĜených hodnot je vykreslena pĜevodní charakteristika (Obr. 3-2). y = 1189,7x + 0,9209 R2 = 0,9998

140

UXMM1 [mV]

120 100 80 60 40 20 0 0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

ΔR/R [ - ] NapČĢovČ napájený

lineární

Lineární (NapČĢovČ napájený)

Obr. 3-2 Simulovaná pĜevodní charakteristika napČĢovČ napájeného odporového mĤstku - 34 -

Tomáš Koneþný


3.1.2 ProudovČ napájený odporový mĤstek V obvodČ (Obr. 3-3) je použit nízkošumový operaþní zesilovaþ OP07, zapojen jako neinvertující zesilovaþ. Je napájen ze symetrického zdroje napČtí U = 12V. Na neinvertují vstup operaþního zesilovaþe je pĜipojeno vstupní napČtí U3 = 5V. Do jeho zpČtné vazby je zapojen odporový mĤstek, napájený proudem I = 1 mA. Pak pro rezistor R5 platí

R=

U3 = 5kΩ I

(3-2)

s pĜesnosti 1%. V2 12 V

XMM2

R2 10.0kΩ

R4 10.0kΩ

R3 10.0kΩ

U3

V1 12 V

R1 10.0kΩ

V3 5V

R5 5.11kΩ

OP07CP

POT 1KΩ_LIN 50% Key = Space

Obr. 3-3 Simulovaný proudovČ napájený odporový mĤstek

MĤstek je zapojený stejnČ jako v pĜedešlém zapojení. Odporový mĤstek je složen ze þtyĜ rezistorĤ, R1, R2, R3, R4 = 10 kΩ s pĜesnosti 1% a potenciometru s lineární zmČnou odporu z 0 Ω na 1 kΩ. Pokud jsou obČ vČtve vyvážené, tj. potenciometr je nastaven na svojí nulovou hodnotu, prochází jimi stejný proud, je na indikátoru napČtí XMM2 nulové napČtí. MĤstek je vyvážený. Budeme-li mČnit hodnotu potenciometru, zapojeného do jedné vČtve (Obr. 3-3), zaþne mĤstek rozvažovat a na indikátoru napČtí XMM2 bude možno zmČĜit rozdílové napČtí rozváženého mĤstku. Výstupní napČtí mĤstku je pak dáno

- 35 -

Tomáš Koneþný


U XMM 2 =

U1 . 4

ΔR ΔR R+ 4

(3-3)

V tabulce (Tab. 3-2) jsou uvedeny hodnoty zmČĜeného a vypoþteného výstupního napČtí napČĢovČ napájeného odporového mĤstku pro dané pĜírĤstky odporu.

ΔR [ Ω ] ΔR/R [ - ] U3 [ V ] U2zmer [ mV ] 0 0 5 0,24 100 0,01 5 24,40 200 0,02 5 48,68 300 0,03 5 72,84 400 0,04 5 96,88 500 0,05 5 120,80 600 0,06 5 144,60 700 0,07 5 168,29 800 0,08 5 191,86 900 0,09 5 215,31 1000 0,1 5 238,65 Tab. 3-2 ProudovČ napájený odporový mĤstek

Z namČĜených hodnot je vykreslena pĜevodní charakteristika (Obr. 3-4).

300,00

y = 2385,3x + 0,9662 R2 = 1

250,00

U2 [mV]

200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

ΔR/R [ - ] ProudovČ napájený

Lineární

Lineární (ProudovČ napájený)

Obr. 3-4 Simulovaná pĜevodní charakteristika proudovČ napájeného mĤstku - 36 -

Tomáš Koneþný


3.1.3 Asymetrický pĜístrojový zesilovaþ V tomto zapojení (Obr. 3-5) jsou použity bipolární operaþní zesilovaþe LM324 napájené ze symetrického zdroje napČtí U=12V.

V5 12 V

U1A

V1 5V

LM324AN

R3 10kΩ

R4 200kΩ

V4 12 V

XMM1

U1B

R1

10kΩ

R2 200kΩ

LM324AN

V2 5.119 V

Obr. 3-5 Simulovaný asymetrický pĜístrojový zesilovaþ

Bude-li k zesílení rozdílové napČtí U2-U1 = 120 mV a bude požadováno zesílené napČtí na výstupu asymetrického pĜístrojového zesilovaþe UXMM1 = 2,5 V upravením rovnice

U XMM 1 R = 1+ 2 U 2 − U1 R1

(3-4)

vyjádĜíme R2 jako

· § U3 · § 2,5 R2 = R4 = ¨¨ − 1¸¸ ⋅ R1 = ¨ − 1¸ ⋅ 10k = 200kΩ © 0,120 ¹ ¹ © U 2 − U1

(3-5)

pro zvolené R1 = R3 = 10kΩ. ZmČna rozdílového napČtí U2-U1 zesíleného asymetrickým pĜístrojovým zesilovaþem na výstupu vyjadĜuje závislost na (Obr. 3-6). Budeme–li místo rozdílového napČtí mČnit zesílení obvodu pomocí rezistoru R2,

§ R · § 50000 · U XMM 1 = (U 2 − U 1 ) ⋅ ¨¨1 + 2 ¸¸ = 0,12 ⋅ ¨1 + ¸ = 0,72V R1 ¹ © 10000 ¹ ©

(3-6)

Pro R1 = 10 kΩ a rozdílové napČtí 0,12V, pak bude výstupní napČtí UXMM1 dáno závislostí (Obr. 3-7). - 37 -

Tomáš Koneþný


y = 20,833x + 2E-15 R2 = 1

8 7

UXMM1 [V]

6 5 4 3 2 1 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

U2-U1 [V]

Obr. 3-6 Závislost výstupního napČtí na zmČnČ rozdílového napČtí u asymetrického zesilovaþe

3

y = 1E-05x + 0,12 R2 = 1

2,5

UXMM1 [V]

2 1,5 1 0,5 0 0

50000

100000

150000

200000

250000

R2 [Ω Ω] Obr. 3-7 Závislost výstupního napČtí na zmČnČ zesílení odporem R2 u asymetrického zesilovaþe

- 38 -

Tomáš Koneþný


3.1.4 Symetrický pĜístrojový zesilovaþ V tomto zapojení (Obr. 3-9) jsou použity bipolární operaþní zesilovaþe LM324 napájené ze symetrického zdroje napČtí U= 12V. Zvolíme-li rezistory R1, R3, R4, R5, R6, R7, R8 = 10 kΩ, pak výstupní napČtí symetrického pĜístrojového zesilovaþe je urþeno vztahem

§ R U XMM 1 = ¨¨1 + 2 ⋅ 1 R7 ©

· ¸¸ ⋅ (U 1 − U 4 ) = 1,8V ¹

(3-7)

pro rozdílové napČtí (U1-U4) = 0,6 V. ZmČnu rozdílového napČtí U1-U4 zesíleného symetrickým pĜístrojovým zesilovaþem na výstupu vyjadĜuje závislost na (Obr. 3-8). y = 3x + 4E-16 R2 = 1

3,5 3

UXMM1 [V]

2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

(U1-U4) [V]

Obr. 3-8 Závislost výstupního napČtí na zmČnČ rozdílového napČtí symetrického pĜístrojového zesilovaþe

Budeme–li místo rozdílového napČtí mČnit zesílení obvodu pomocí rezistoru R7, bude

§ R U XMM 1 = ¨¨1 + 2 ⋅ 1 R7 ©

· ¸¸ ⋅ (U 1 − U 4 ) = 6V ¹

(3-8)

pro R1, R3, R4, R5, R6, R8 = 10 kΩ, R7 = 4 kΩ a rozdílové napČtí 1 V bude výstupní napČtí UXMM1 dáno závislostí (Obr. 3-10). - 39 -

Tomáš Koneþný


V2 12 V

U3A LM324AN

V4 4.76 V

R5

R6

10kΩ

10kΩ

V3 12 V

U3C

LM324AN

R4

10kΩ

R7 2.10kΩ R8

10kΩ

V1 5V

XMM1

R3

R1

10kΩ

10kΩ

U1B

LM324AN

Obr. 3-9 Simulovaný symetrický pĜístrojový zesilovaþ

12

10

UXMM1 [V]

8

6

y = 5104,1x-0,8105 R2 = 0,998

4

2

0 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

R7 [Ω Ω]

Obr. 3-10 Závislost výstupního napČtí na zmČnČ zesílení odporem R7 symetrického pĜístrojového zesilovaþe - 40 -

Tomáš Koneþný


3.2 Obvody kapacitních snímaþĤ

3.2.1 Jednoduchý kapacitní snímaþ V zapojení (Obr. 3-12) je použit jako operaþní zesilovaþ OP07 se symetrickým napájením U = 12 V. Zvolíme-li rezistor R2 = 1 MΩ a kondenzátor C2 = 56 pF bude mezní kmitoþet

f2 =

1 = 2842 Hz 2πR2 C 2

( 3-9)

Nastavíme-li vstupní napČtí UXGF1 = 1V o frekvenci f = 10 kHz bude výstupní napČtí

y = 0,0122x - 0,0017 R2 = 1

1,4 1,2

U2 [V]

1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0

20

40

60

80

C1 [pF] Obr. 3-11 Závislost výstupního napČtí obvodu na kapacitČ

- 41 -

100

Tomáš Koneþný


C2 56pF R2

V3 12 V

XFG1

V2 12 V

G

1.0MΩ

C1

XSC1

A

100pF-VAR 50% Key = Space

U3

OP07CP

B

R1 1.0MΩ

T

Obr. 3-12 Simulovaný jednoduchý kapacitní snímaþ

3.2.2 Diferenþní kapacitní snímaþ V zapojení (Obr. 3-13) je použit operaþní zesilovaþ TL084 a pro komparátor operaþní zesilovaþ OP07 se symetrickým napájením U= 12V. Rezistory R3, R4, R5, R6,

R7, R8, R9, R10 volíme 10 kΩ.

- 42 -

Tomáš Koneþný


C1

10pF

R1 1.0MΩ

U3A R3

V2 12 V

C12 20%

10kΩ

10kΩ

TL084CN

100pF-VAR Key = Space

U3C

V3 12 V

10kΩ

TL084CN

4.7kΩ

U1B

R4

R6 10kΩ

10kΩ

TL084CN

R9

TL084CN

XSC1

Q1 BF245A

T

C2 10pF

XFG1

U3D

A

C13 100pF-VAR Key = Space 80%

R7

G

R8

R5 10kΩ

B

C3 10uF

R2 1.0MΩ

D1 1N4007

U2

R10

10kΩ

OP07CP

Obr. 3-13 Simulovaný diferenþní kapacitní snímaþ

3.3 Obvody odporových snímaþĤ teploty U odporových snímaþĤ teploty je platinový snímaþ simulován pomocí rezistoru s nastavitelnou hodnotou odporu vypoþtenou pro danou teplotu.

3.3.1 Proudový zdroj se záporným vnitĜním odporem U tohoto obvodu (Obr. 3-14) je použit operaþní zesilovaþ OP07 napájený symetrickým zdrojem napČtí U = 12V. Hodnota rezistoru RL je pĜi trojbodové linearizaci

RL =

Rϑ 2 (Rϑ1 + Rϑ 3 ) − 2 Rϑ1 Rϑ 3 Rϑ1 + Rϑ 3 − 2 Rϑ 2

(3-10)

kde Rϑ1, Rϑ2, Rϑ3 jsou odpory snímaþe pĜi teplotách ϑ1,ϑ2,ϑ3. Z rovnice teplotní závislosti odporu - 43 -

Tomáš Koneþný


Rϑ = R0 (1 + 3,9080 ⋅ 10 −3 ϑ − 0,5802 ⋅ 10 −6 ϑ 2 )

(3-11)

vypoþteme hodnoty rezistorĤ Rϑ1, Rϑ2, Rϑ3 pro tĜi zvolené hodnoty teploty pro ϑ1= 0 °C vychází Rϑ1= 100 Ω pro ϑ2= 50 °C vychází Rϑ2= 119,4 Ω pro ϑ3= 100 °C vychází Rϑ3= 138,5 Ω

Rϑ 2 (Rϑ1 + Rϑ 3 ) − 2 Rϑ1 Rϑ 3 = −2,59kΩ Rϑ1 + Rϑ 3 − 2 Rϑ 2

pak RL =

(3-12)

Rezistor RL vychází záporný. Lze ho realizovat zapojením proudového zdroje s kladnou zpČtnou vazbou urþenou rezistorem R1.

R32 − R22 R1 = ⋅ RL R3 (R2 + R3 )

(3-13)

Zvolíme-li R2 = R5 = 10 kΩ a R4 = R7 = 9,1 kΩ

R32 − R22 pak R1 = ⋅ RL = 257Ω R3 (R2 + R3 )

(3-14)

Odpor R1 je složen ze dvou rezistorĤ z odporové Ĝady E24.

V2 12 V

R5 V3 12 V

10kΩ

R9

10Ω

R8

240Ω

R7 9.1kΩ

U3

V1 2.5 V

R3 240Ω

R10

XMM1

10Ω

OP07CP

R4 9.1kΩ

R2 Pt

10kΩ

Obr. 3-14 Simulovaný proudový zdroj se záporným vnitĜním odporem

- 44 -

100 Ω

Tomáš Koneþný


3.3.2 MĤstkový obvod platinového snímaþe teploty V tomto zapojení (Obr. 3-16) je použit operaþní zesilovaþ LM 324 se symetrickým napájením 12V.

U1A

V1 2.5 V V3 12 V

LM324AN

XMM1

R1 1.00kΩ

R2 1.00kΩ

U1C LM324AN

V2 12 V

U1B LM324AN

R3 1.00kΩ

PT1000 1384.2 Ω

R4 1.00kΩ

R6

R7

1.00kΩ

1.00kΩ

R8

3.74kΩ

R5 3.74kΩ

Obr. 3-15 Simulovaný mĤstkový obvod platinového snímaþe teploty

Rezistory R1, R2, R3 jsou rovny jmenovité hodnotČ odporu platinového snímaþe

RPt(0) = 1 kΩ. Dále volíme referenþní napČtí Ur = 2,5V a rezistor R4 = 1 kΩ. Pokud zvolíme hodnoty odporĤ tak, že R5 = R8 a R6 = R7 , pak bude rozdílové zesílení zesilovaþe

U3 R = 1+ 5 U 2 − U1 R6

(3-15)

Požadujeme-li výstupní napČtí obvodu U3 = 1V pĜi rozdílovém napČtí 0,2V, zvolíme rezistor R6 = 1 kΩ, pak z rovnice (3-16) vypoþteme hodnotu rezistoru

R5=3,74Ω.

· § U3 R5 = ¨¨ − 1¸¸ ⋅ R6 = 3,74kΩ ¹ © U 2 − U1

(3-16)

V tabulce (Tab. 3-3) jsou vypoþteny hodnoty odporu platinového snímaþe pro danou teplotu a zmČĜené výstupní napČtí obvodu.

- 45 -

Tomáš Koneþný


ϑ [°C] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

RPt [Ω] 1000,00 1193,95 1385,00 1573,15 1758,39 1940,74 2120,18 2296,73 2470,37 2641,11 2808,95

U2 [V] 0,00 0,46 0,90 1,32 1,70 2,08 2,51 2,91 3,29 3,66 4,00

Tab. 3-3 MĤstkový odvod platinového snímaþe teploty

4,50 4,00 3,50

y = 0,008x + 0,0773 R2 = 0,999

3,00 U2 [V]

2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0

100

200

300

400

500

ϑ [°C]

Obr. 3-16 Závislost výstupního napČtí na teplotČ platinového snímaþe teploty

- 46 -

600

Tomáš Koneþný


3.3.3 Obvod platinového snímaþe s proudovým zdrojem V tomto zapojení (Obr. 3-18) je použit operaþní zesilovaþ LM 324 se symetrickým napájením 12V.

U1 . Zvolíme-li proud snímaþem I = 1mA a R2

Proud procházející snímaþem je

U1 = 5V, pak odpor R2 zvolíme 5k1 z Ĝady E24.

V4 12 V

U3A

LM324AN

R5

R6

10kΩ

10kΩ

V5 12 V

R4

U1C

LM324AN

R7 10kΩ

V1 5V

U2D

LM324AN

PT1000 1380 Ω

R8 10kΩ

R3

R1

10kΩ

10kΩ

U1B

10kΩ

XMM1

V2 2.96 V

R2 5.11kΩ

LM324AN

Obr. 3-17 Simulovaný platinový snímaþ s proudovým zdrojem

Zvolíme-li rezistory R1, R3, R4, R5, R6, R7, R8 = 10 kΩ, pak úbytek napČtí na snímaþi je zesilován symetrickým pĜístrojovým zesilovaþem s výstupním napČtím

U3 =

RPt R6 § R ¨¨1 + 2 8 R2 R5 © R7

· ¸¸ ⋅ U 1 − U 2 ¹

(3-17)

NapČtí U2 odpovídá nulovému výstupnímu napČtí zesilovaþe pĜi vztažné teplotČ 0 °C, pĜi které má snímaþ odpor RPt(0) =1kΩ.

U2 =

RPt R6 § R ¨¨1 + 2 8 R2 R5 © R7

· ¸¸ ⋅ U 1 − U 3 = 2,96V ¹

- 47 -

(3-18)

Tomáš Koneþný


ϑ [°C] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

RPt [Ω] 1000,00 1193,95 1385,00 1573,15 1758,39 1940,74 2120,18 2296,73 2470,37 2641,11 2808,95

U3 [V] 0,00 0,57 1,13 1,68 2,22 2,76 3,29 3,80 4,31 4,81 5,30

Tab. 3-4MĤstkový obvod platinového snímaþe s proudovým zdrojem

y = 0,0106x + 0,0646 R2 = 0,9995

6,00 5,00

U3 [V]

4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0

100

200

300

400

500

600

ϑ [°C]

Obr. 3-18 Závislost výstupního napČtí na teplotČ platinového snímaþe napájeného zdrojem proudu

- 48 -

Tomáš Koneþný


3.4 Obvody termoþlánkĤ

3.4.1 Termoþlánkový zesilovaþ V tomto zapojení (Obr. 3-19) je použit operaþní zesilovaþ OP07 se symetrickým napájením 12V.

V1 12 V

V5 -12 V

R5 1.00kΩ D1

1N4148

R4 1.0MΩ R3

R2

56.2kΩ

255kΩ

V3 12 V

V4 0.00392 V

R1

U3

1.0kΩ

XMM1

OP07CP

V2 12 V

Obr. 3-19 Simulovaný termoþlánkový zesilovaþ

Zvolíme-li R1 = 1 kΩ, pak zesílení operaþního zesilovaþe urþuje zmČnu výstupního napČtí pĜi zmČnČ teploty o 1 °C. Volíme rozsah teplot 0 až 100 °C pro výstupní napČtí zesilovaþe 0 až 1 V.

ΔU OUT R2 = R1 Δϑ = 255kΩ kt

(3-19)

Teplotní závislost napČtí UD s koeficientem α U D = −2,2mV / °C je využita k teplotní kompenzaci obvodu z níž mĤžeme vypoþítat R3.

- 49 -

Tomáš Koneþný


R3 =

αU

D

kt

⋅ R1 = 56,1kΩ

(3-20)

Proud protékající diodou je urþen referenþním napČtím +Ur=12V napČtím na diodČ UD a odporem R5. NapČtí na diodČ UD s rezistorem R3 zpĤsobuje pĜídavný proud, který je kompenzován proudem −

R4 = R3

ϑ [°C] 0 20 40 60 80 100

Ur . R4

−Ur = 1MΩ UD

(3-21)

Uϑ [mV] U3 [mV] 0,00 -24,61 0,78 175,00 1,57 374,97 2,35 574,76 3,14 774,55 3,92 974,34

Tab. 3-5 Termoþlánkový zesilovaþ

y = 9,9903x - 24,676 R2 = 1

1000,00 800,00

U3 [mV]

600,00 400,00 200,00 0,00 -200,00 0

20

40

60

80

100

ϑ [°C] Obr. 3-20 Závislost výstupního napČtí na teplotČ termoþlánkového zesilovaþe

- 50 -

120

Tomáš Koneþný


3.4.2 MĤstkový termoþlánkový zesilovaþ V tomto zapojení (Obr. 3-21) je použit operaþní zesilovaþ OP07 se symetrickým napájením 12V.

V1 12 V

R3 1.00kΩ

R5 1.0MΩ

D1 R7

1N4148

255kΩ

R2 56.2kΩ

R6

1.0kΩ

V4 0.003136 V

U3

OP07CP

R1 1.00kΩ

V3 12 V

XMM1

R4 1.00kΩ

V2 12 V

Obr. 3-21 Simulovaný mĤstkový termoþlánkový zesilovaþ

Zvolíme-li R6 = 1 kΩ, pak zesílení operaþního zesilovaþe urþuje zmČnu výstupního napČtí pĜi zmČnČ teploty o 1 °C. Volíme rozsah teplot 0 až 100 °C pro výstupní napČtí zesilovaþe 0 až 1 V. ΔU OUT R7 = R6 Δϑ = 255kΩ kt

(3-22)

Z rovnic (2-47) a (2-48) vypoþteme hodnoty rezistorĤ pro referenþní napČtí Ur =12V.

- 51 -

Tomáš Koneþný


ϑ [°C] 0 20 40 60 80 100

Uϑ [mV] U3 [mV] 0,00 25,14 0,78 125,94 1,57 226,75 2,35 327,56 3,14 428,37 3,92 529,18

Tab. 3-6 MĤstkový termoþlánkový zesilovaþ

y = 5,0404x + 25,135 R2 = 1

600,00 500,00

U3 [mV]

400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 0

20

40

60

80

100

ϑ [°C] Obr. 3-22 Závislost výstupního napČtí na teplotČ mĤstkového termoþlánkového zesilovaþe

- 52 -

Tomáš Koneþný


4 Realizace pĜípravkĤ

4.1 Obvody odporových mĤstkĤ Vstupní napČtí odebírané ze zdroje napČtí bylo Uvst = 5,13V.

Obr. 4-1 Realizované odporový mĤstky

140 120

UXMM1 [mV]

100 80

y = 1196,3x + 6,0136 R2 = 0,9999

60 40 20 0 0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

ΔR/R [ - ] NapČĢovČ napájený

Lineární (NapČĢovČ napájený)

Obr. 4-2 NamČĜený napČĢovČ napájený odporový mĤstek - 53 -

0,12

Tomáš Koneþný


y = 2332,7x + 11,273 2 R = 0,9999

300,00 250,00

U2 [mV]

200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

ΔR/R [ - ] ProudovČ napájenýl

Lineární (ProudovČ napájenýl)

Obr. 4-3 NamČĜený proudovČ napájený odporový mĤstek

4.2 PĜístrojový zesilovaþ

Obr. 4-4 Realizovaný pĜístrojový zesilovaþ - 54 -

Tomáš Koneþný


Závislost na (Obr. 4-5) pro asymetrický zesilovaþ je zmČĜena pĜi nastavení všech rezistorĤ na 10 kΩ. y = 1996,6x + 0,32 R2 = 1

900 800

UXMM1 [mV]

700 600 500 400 300 200 100 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

U2-U1 [V]

Obr. 4-5 NamČĜená závislost výstupního napČtí na zmČnČ rozdílového napČtí u asymetrického zesilovaþe y = 2,9867x + 0,0369 R2 = 1

10 9 8

UXMM1 [V]

7 6 5 4 3 2 1 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

(U1-U4) [V]

Obr. 4-6 NamČĜená závislost výstupního napČtí na zmČnČ rozdílového napČtí u symetrického zesilovaþe - 55 -

Tomáš Koneþný


16 14

UXMM1 [V]

12 10 8 6 4 2 0 0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

R7 [Ω Ω]

Obr. 4-7 NamČĜená závislost výstupního napČtí na zmČnČ zesílení odporem R7 u symetrického zesilovaþe

4.3 Diferenþní kapacitní snímaþ

Obr. 4-8 Realizovaný diferenþní kapacitní snímaþ - 56 -

Tomáš Koneþný


150

y = 10,695x + 6E-15 2 R =1

100

U [mV]

50 0 -10

-5

0

5

-50 -100 -150 ΔC [pF]

Obr. 4-9 NamČĜená závislost výstupního napČtí na zmČnČ kapacity

4.4 Obvody odporových snímaþĤ teploty

Obr. 4-10 Realizovaný odporový snímaþ teploty

- 57 -

10

Tomáš Koneþný


6 5 4 U3 [V]

y = 0,0109x + 0,0784 R2 = 0,9994

3 2 1 0 0

100

200

300

400

500

ϑ [°C]

Obr. 4-11 NamČĜená závislost výstupního napČtí na teplotČ u snímaþe teploty

4.5 Obvody termoþlánkĤ

Obr. 4-12 Realizovaný obvod termoþlánku

- 58 -

600

Tomáš Koneþný


y = 4,6541x + 8,3404 R2 = 0,9975

800,00 700,00

U 3 [mV]

600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 0

50

100

150

ϑ [°C] Obr. 4-13 NamČĜená závislost výstupního napČtí na teplotČ u termoþlánku

- 59 -

Tomáš Koneþný


5 Dosažené výsledky 5.1 Obvody odporových mĤstkĤ 140 120

UXMM1 [mV]

100 80 60 40 20 0 0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

ΔR/R [ - ] Simulovaný

ZmČĜený

Obr. 5-1 Porovnání pĜevodních charakteristik u napČĢovČ napájeného mĤstku

U odporového mĤstku se prĤbČhy výstupního napČtí na zmČnČ odporu neshodují. Je to zpĤsobeno nepĜesností rezistorĤ, které se vyrábČjí s urþitou pĜesností.

- 60 -

Tomáš Koneþný


300,00 250,00

U2 [mV]

200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

ΔR/R [ - ] Simulovaný

ZmČĜený

Obr. 5-2 Porovnání pĜevodních charakteristik u proudovČ napájeného mĤstku

5.2 PĜístrojový zesilovaþ 0,9 0,8

UXMM1 [V]

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

U2-U1 [V] Simulovaný

ZmČĜený

Obr. 5-3 Porovnání závislostí výstupního napČtí na zmČnČ rozdílového napČtí u asymetrického zesilovaþe pro stejné zesílení - 61 -

Tomáš Koneþný


Asymetrické zapojení pĜístrojového zesilovaþe se mČĜí na pĜípravku pĜístrojový zesilovaþ. PĜi mČĜení není splnČna podmínka, kdy jsou rezistory R2, R4 shodné. Všechny rezistory mají hodnotu 10 kΩ a zesílení obvodu je dvČ. 4 3,5

UXMM1 [V]

3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

(U1-U4) [V] Simulovaný

NamČĜený

Obr. 5-4 Porovnání závislosti výstupního napČtí na zmČnČ rozdílového napČtí u symetrického zesilovaþe pro stejné zesílení 16 14

UXMM1 [V]

12 10 8 6 4 2 0 0

5000

10000

15000

20000

25000

R7 [Ω Ω] Simulovaný

ZmČĜený

Obr. 5-5 Porovnání závislostí výstupního napČtí na zmČnČ zesílení odporem R7 u symetrického zesilovaþe - 62 -

Tomáš Koneþný


5.3 Obvody odporových snímaþĤ teploty 6,00 5,00

U3 [V]

4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0

100

200

300

400

500

600

ϑ [°C] Simulovaný

ZmČĜený

Obr. 5-6 Porovnání snímaþe teploty

5.4 Obvody termoþlánkĤ 900,00 800,00 700,00

U3 [V]

600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 0

50

100 ϑ [°C]

Simulovaný

ZmČĜený

Obr. 5-7 Porovnání termoþlánku - 63 -

150

Tomáš Koneþný


6 ZávČr Cílem diplomové práce byl návrh a realizace souboru pĜípravkĤ pro laboratorní výuku. Soubor pĜípravkĤ je tvoĜen z odporových, kapacitních a teplotních snímaþĤ. Jednotlivá zapojení pĜípravkĤ jsou navržena a simulována v programu Multisim 8 od firmy Electronics Workbench. PĜi simulaci byly použity obvody, s kterými byly realizovány pĜípravku. Realizované obvody jsou umístČny na tištČných spojích. K návrhu tištČných spojĤ byl použit program ORCAD Layout. V obvodech jsou použity rezistory z odporové Ĝady E24 s pĜesností 1%, operaþní zesilovaþe OP07, LM324 a TL084. Všechny operaþní zesilovaþe jsou napájeny ze symetrického zdroje napČtí. Na pĜípravku odporových mĤstkĤ je možno zmČĜit vlastnosti napČĢovČ a proudovČ napájených odporových mĤstkĤ. Rezistory v jednotlivých vČtvích mĤstku nemají zcela totožné hodnoty, díky tomu je do mČĜení vnášena systematická chyba mČĜení. Druhým pĜípravkem je pĜístrojový zesilovaþ. Pomocí svorek lze zapojit jako symetrický nebo asymetrický pĜístrojový zesilovaþ. Dalšími dvČmi pĜípravky jsou obvody pro snímaþe teploty. Jeden je urþen pro mČĜení s termoþlánkem typu K a druhý pro mČĜení platinového snímaþe. PĜi mČĜení byl termoþlánek nahrazen zdrojem napČtí a platinový snímaþ rezistorem s nastavitelnou hodnotou odporu vypoþtenou pro danou teplotu u platinového snímaþe. Posledním pĜípravkem je diferenþní kapacitní snímaþ. Z dosažených výsledkĤ plyne, že nelinearita pĜevodních charakteristik simulovaných a skuteþných obvodĤ se v regresi liší o ménČ než 1%.

- 64 -

Tomáš Koneþný


Seznam tabulek Tab. 0-1 Seznam použitých symbolĤ ............................................................................. 11 Tab. 2-1 Parametry kontaktĤ termoþlánku .................................................................... 30 Tab. 3-1 NapČĢovČ napájený odporový mĤstek............................................................. 34 Tab. 3-2 ProudovČ napájený odporový mĤstek ............................................................. 36 Tab. 3-3 MĤstkový odvod platinového snímaþe teploty................................................ 46 Tab. 3-4MĤstkový obvod platinového snímaþe s proudovým zdrojem......................... 48 Tab. 3-5 Termoþlánkový zesilovaþ ................................................................................ 50 Tab. 3-6 MĤstkový termoþlánkový zesilovaþ ................................................................ 52

- 65 -

Tomáš Koneþný


Seznam použité literatury [1]

Vedral J., Fischer J.: Elektronické obvody pro mČĜící techniku. Vydavatelství

ýVUT Praha 2004 [2]

Haasz, V., Sedláþek, M.: Elektrická mČĜení. PĜístroje a metody. Vydavatalství

ýVUT, Praha 2003 [3]

Pallas-Areny, R., Webster, J.: Sensor and Signal Conditioning. Wiley & Sons 2001

[4]

Practical Design Techniques for Sensor Signal Conditioning. Analog Device 1999

[5]

Záhlava, V.: OrCAD pro Windows. Praktický prĤvodce návrháĜe. Grada Publishing 1999

[6]

Ćaćo S., Kreidl M.: Senzory a mČĜící obvody. Vydavatelství ýVUT Praha 1999

[7]

Katalog GM electronic, 2000

[8]

http://www.analog.com/

[9]

http://www.gme.cz/

[10]

http://measure.feld.cvut.cz/

- 66 -

Tomáš Koneþný


PĜílohy A - Maska desky

- 67 -

Tomáš Koneþný


- 68 -

Tomáš Koneþný


PĜíloha B - Obvody odporových mĤstkĤ J4 Key = A V2 12 V

D1 1N4007

C4 10uF-POL

C1 100nF

XMM2

U3

R6 10.0kΩ

R7 10.0kΩ

R5 10.0kΩ

R8 10.0kΩ

V1 12 V

D2 1N4007

C3 10uF-POL

C2 100nF

V3 5V

J1

Key = A R4 5.11kΩ

OP07CP J6 Key = A

J2 Key = A

R1 1KΩ_LIN 100% Key = B

J3 Key = A

- 69 -

J5 Key = A

Tomáš Koneþný


PĜíloha C - PĜístrojový zesilovaþ

V5 12 V

D1 1N4007

C4 10uF-POL

C1 100nF

U1A

V6 12 V

D2 1N4007

C3 10uF-POL

C2 100nF

R6

10kΩ

V4 4V

R5

10kΩ

LM324AN

R4

U3C

J3 Key = B

10kΩ

RG 10kΩ

XMM1

J1 Key = A

LM324AN

J2 Key = A

V1 5V

R8

10kΩ

10kΩ U3B

- 70 -

R3

LM324AN

R1 10kΩ

V2 12 V

XFG1

D3 1N4007

D2 1N4007

V1 12 V

C8 10uF-POL

C9 10uF-POL

C7 100nF

C6 100nF

50%

Key = A

J2

1KΩ_LIN Key = A

R11

Key = A

J1

- 71 -

C1

1.0MΩ

R1

10pF

1.0MΩ

R2

10pF

C2

100nF

C11

TL084CN

U5B

TL084CN

U1A

10kΩ

R3

10kΩ

R5

R4

R9

4.7kΩ J3 Key = B

10kΩ R10

D1 1N4007

TL084CN

U4C

10kΩ

R6

OP07CP 10kΩ

100nF U2

C10

R7 10kΩ

BF245A

Q1

10kΩ

R8

10uF

C5

XMM1

TL084CN

U3D

Diplomová práce 2008 Tomáš Koneþný

PĜíloha D - Obvody kapacitních snímaþĤ

Tomáš Koneþný


- 72 -

Tomáš Koneþný


PĜíloha F - Obvody odporových snímaþĤ teploty

V3 12 V

D1 1N4007

C4 10uF-POL

C1 100nF

V6 12 V

C3 10uF-POL

D2 1N4007

C2 100nF

R5

J1 Key = A

J4 Key = D

R7 10kΩ

V1 5V

U4D

LM324AN

U2B

R2 5.11kΩ

R3 10kΩ

LM324AN

R1

10kΩ V2 2.93 V

10kΩ

R9 J2 1384.2 Ω Key = A

R8

XMM1

U3C

10kΩ

10kΩ

LM324AN R4

R6

10kΩ

U1A

J3

LM324AN

Key = A

- 73 -

Tomáš Koneþný


PĜíloha G - Obvody termoþlánkĤ V1

12 V

R6 1.00kΩ

V5 12 V

R4 1.00MΩ R2

D1

1N4148

V6 12 V

R5 56.2kΩ

1.00kΩ

V4 0.003136 V

D3 1N4007

C3 10uF-POL

R3

C4 10uF-POL

XMM1

R7 1.00kΩ

U3

C1 100nF

255kΩ

J2 Key = A

D2 1N4007

OP07CP

R1 1.00kΩ

- 74 -

C2 100nF

Diplomová práce. Soubor p ípravk pro výuku

Recommend Documents