Diplomová práce. Soubor p ípravk pro výuku

Transkript

1 Diplomová práce Soubor pípravk pro výuku Tomáš Konený 008

2 Tomáš Konený - 1 -

3 Tomáš Konený - -

4 Tomáš Konený Anotace Tato diplomová práce se zabývá návrhem pípravk pro výuku, které budou posléze využity na katede mení. Sada pípravk obsahuje mstkové, odporové, teplotní a kapacitní snímae. Jednotlivé pípravky jsou simulovány v programu Multisim 8 a realizované na tištných spojích pro testování v laboratoích. Práce se dále zaobírá analýzou chyb a ovením jejich statických a dynamických parametr. 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

5 Tomáš Konený estné Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatn bez cizí pomoci a použil jsem pouze literaturu uvedenou níže v této práci. V Praze dne Podpis - 4 -

6 Tomáš Konený Podkování Tímto bych rád podkovat svým rodim, kteí m podporovali na studiu, kamarádm a spolužákm, kteí m inspirovali a motivovali pi studiu. Dále bych chtl podkovat vedoucímu diplomové práce Doc. Ing. Josefu Vedralovi, CSc. za odborné vedení pínosné konzultace a podntné pipomínky, což mi pomohlo pi vypracování této práce

7 Tomáš Konený Obsah Obsah... 6 Seznam obrázk... 8 Seznam použitých symbol Úvod Cíl práce ozdlení sníma Potenciometrické snímae Kapacitní snímae Snímae teploty ozbor obvod Obvody odporových mstk Napov napájený odporový mstek Proudov napájený odporový mstek Asymetrický pístrojový zesilova Symetrický pístrojový zesilova Obvody kapacitních sníma Jednoduchý kapacitní sníma Diferenní kapacitní sníma Obvody odporových sníma teploty Proudový zdroj se záporným vnitním odporem Mstkový obvod platinového snímae teploty Obvod platinového snímae s proudovým zdrojem Obvody termolánk Termolánkový zesilova Mstkový termolánkový zesilova Návrh a simulace obvod Obvody odporových mstk Napov napájený odporový mstek Proudov napájený odporový mstek

8 Tomáš Konený Asymetrický pístrojový zesilova Symetrický pístrojový zesilova Obvody kapacitních sníma Jednoduchý kapacitní sníma Diferenní kapacitní sníma Obvody odporových sníma teploty Proudový zdroj se záporným vnitním odporem Mstkový obvod platinového snímae teploty Obvod platinového snímae s proudovým zdrojem Obvody termolánk Termolánkový zesilova Mstkový termolánkový zesilova ealizace pípravk Obvody odporových mstk Pístrojový zesilova Diferenní kapacitní sníma Obvody odporových sníma teploty Obvody termolánk Dosažené výsledky Obvody odporových mstk Pístrojový zesilova Obvody odporových sníma teploty Obvody termolánk Závr Seznam tabulek Seznam použité literatury Pílohy A - Maska desky Píloha B - Obvody odporových mstk Píloha C - Pístrojový zesilova Píloha D - Obvody kapacitních sníma Píloha F - Obvody odporových sníma teploty Píloha G - Obvody termolánk

9 Tomáš Konený Seznam obrázk Obr. 1-1 Sníma polohy Obr. 1- Kapacitor s promnnou mezerou Obr. 1-3 Kapacitor s promnnou plochou krytí Obr. 1-4 Pevodní charakteristika snímae Si Obr. 1-5 Teplotní závislost naptí pechodu BE Obr. -1 Napov napájený odporový mstek Obr. - Proudov napájený odporový mstek Obr. -3 Asymetrický pístrojový zesilova Obr. -4 Symetrický pístrojový zesilova Obr. -5 Jednoduchý kapacitní sníma... 1 Obr. -6 Amplitudová kmitotová charakteristika snímae... Obr. -7 Diferenní kapacitní sníma... 3 Obr. -8 Pevodní charakteristika snímae Pt... 5 Obr. -9 Teplotní charakteristika termistoru NTC... 6 Obr. -10 Proudový zdroj se záporným vnitním odporem L... 7 Obr. -11 Mstkový odvod platinového snímae teploty... 8 Obr. -1 Obvod platinového snímae s proudovým zdrojem... 9 Obr. -13 Termolánek Obr. -14 Termolánkový zesilova Obr. -15 Mstkové zapojení termolánku... 3 Obr. 3-1 Simulovaný napov napájený odporový mstek Obr. 3- Simulovaná pevodní charakteristika napov napájeného odporového mstku Obr. 3-3 Simulovaný proudov napájený odporový mstek Obr. 3-4 Simulovaná pevodní charakteristika proudov napájeného mstku Obr. 3-5 Simulovaný asymetrický pístrojový zesilova Obr. 3-6 Závislost výstupního naptí na zmn rozdílového naptí u asymetrického zesilovae

10 Tomáš Konený Obr. 3-7 Závislost výstupního naptí na zmn zesílení odporem u asymetrického zesilovae Obr. 3-8 Závislost výstupního naptí na zmn rozdílového naptí symetrického pístrojového zesilovae Obr. 3-9 Simulovaný symetrický pístrojový zesilova Obr Závislost výstupního naptí na zmn zesílení odporem 7 symetrického pístrojového zesilovae Obr Závislost výstupního naptí obvodu na kapacit Obr. 3-1 Simulovaný jednoduchý kapacitní sníma... 4 Obr Simulovaný diferenní kapacitní sníma Obr Simulovaný proudový zdroj se záporným vnitním odporem Obr Simulovaný mstkový obvod platinového snímae teploty Obr Závislost výstupního naptí na teplot platinového snímae teploty Obr Simulovaný platinový sníma s proudovým zdrojem Obr Závislost výstupního naptí na teplot platinového snímae napájeného zdrojem proudu Obr Simulovaný termolánkový zesilova Obr. 3-0 Závislost výstupního naptí na teplot termolánkového zesilovae Obr. 3-1 Simulovaný mstkový termolánkový zesilova Obr. 3- Závislost výstupního naptí na teplot mstkového termolánkového zesilovae... 5 Obr. 4-1 ealizované odporový mstky Obr. 4- Namený napov napájený odporový mstek Obr. 4-3 Namený proudov napájený odporový mstek Obr. 4-4 ealizovaný pístrojový zesilova Obr. 4-5 Namená závislost výstupního naptí na zmn rozdílového naptí u asymetrického zesilovae Obr. 4-6 Namená závislost výstupního naptí na zmn rozdílového naptí u symetrického zesilovae Obr. 4-7 Namená závislost výstupního naptí na zmn zesílení odporem 7 u symetrického zesilovae Obr. 4-8 ealizovaný diferenní kapacitní sníma

11 Tomáš Konený Obr. 4-9 Namená závislost výstupního naptí na zmn kapacity Obr ealizovaný odporový sníma teploty Obr Namená závislost výstupního naptí na teplot u snímae teploty Obr. 4-1 ealizovaný obvod termolánku Obr Namená závislost výstupního naptí na teplot u termolánku Obr. 5-1 Porovnání pevodních charakteristik u napov napájeného mstku Obr. 5- Porovnání pevodních charakteristik u proudov napájeného mstku Obr. 5-3 Porovnání závislostí výstupního naptí na zmn rozdílového naptí u asymetrického zesilovae pro stejné zesílení Obr. 5-4 Porovnání závislosti výstupního naptí na zmn rozdílového naptí u symetrického zesilovae pro stejné zesílení... 6 Obr. 5-5 Porovnání závislostí výstupního naptí na zmn zesílení odporem 7 u symetrického zesilovae... 6 Obr. 5-6 Porovnání snímae teploty Obr. 5-7 Porovnání termolánku

12 Tomáš Konený Seznam použitých symbol Symbol Jednotka Název A - zesílení C F elektrická kapacita f Hz kmitoet q C elektrický náboj I A elektrický proud i A asov promnný elektrický proud Ω elektrický odpor T s perioda t s as U V elektrické naptí u V asov promnné elektrické naptí Δ - absolutní chyba, pírustek δ % relativní chyba ϑ C Celsiova teplota τ s asová konstanta ω 1/s úhlový kmitoet CM db initel potlaení Tab. 0-1 Seznam použitých symbol

13 Tomáš Konený 1 Úvod 1.1 Cíl práce Diplomová práce vznikla za úelem navržení pípravk pro laboratorní výuku na katede mení v pedmtu Zpracování signálu a jeho digitalizace. Soubor navržených pípravk tvoí odporové, kapacitní a teplotní snímae. Tyto pípravky jsou navrženy jako jednotlivé bloky v programu Multisim 8. V programu jsou hodnoty jednotlivých souástek navrženy pro reálné situace. Student pracující s tímto pípravkem si mže hodnoty jednotlivých souástek pedem vypoítat nebo vybrat z nabízených hodnot. Dále si student mže tyto pípravky po simulaci na poítai vyzkoušet na pipravených reálných pípravcích a otestovat jejich statické a dynamické parametry a také si ovit, jak se chovají jednotlivé obvody ve skutenosti oproti jen simulaci pomocí poítae. 1. ozdlení sníma Sníma je v pímém styku s meným prostedí. Tvoí vstupní blok mícího etzce. Sníma snímá sledovanou fyzikální, chemickou nebo jinou veliinu, kterou podle definovaného principu transformuje na mící veliinu. Je jím nejastji elektrická veliina, jako je napíklad naptí nebo výkon. Existují také senzory, které snímanou veliinu rovnou transformují na íselný signál. Jedna se nejastji o neelektrické veliiny. Snímae lze rozdlit do mnoho skupin podle jejich vlastností a zamení. Mžeme je dlit podle jejich fyzikálního principu, jako jsou kapacitní, odporové, indukní nebo chemické snímae. Lze je též dlit podle veliiny, kterou snímají, jako jsou senzory tlaku, teploty, rychlosti, analýzy látek, aj. a na dotykové nebo bezdotykové snímae. Dalším dležitým kritériem k rozdlení sníma je, zda se jedná o aktivní i pasivní sníma. Aktivní sníma se pi psobení snímané veliiny chová jako zdroj elektrické veliiny. U pasivních sníma je poteba pi snímání veliiny zdroj napájení. U tchto - 1 -

14 Tomáš Konený sníma se elektrická veliina (odpor, kapacita) transformuje na analogový napový nebo proudový signál. Mící veliinou je pak amplituda, fáze, aj. Technické parametry sníma jsou charakterizovány základními vlastnostmi sníma, které se dlí na dynamické a statické Potenciometrické snímae Potenciometrické snímae se nejastji používají pro snímání polohy. Tyto snímae jsou složeny z pevné ásti s pohyblivým kontaktem, jezdcem. Odporový sníma polohy se chová jako napový dli (Obr. 1-1) s dlícím pomrem urený menou polohou. Obr. 1-1 Sníma polohy Podle pevodní charakteristiky snímae je lze rozdlit na lineární nebo nelineární. 1.. Kapacitní snímae Kapacitní snímae jsou vhodné pro mení veliin ovlivující kapacitu kondenzátoru. Mže to být zmna geometrie elektrod, kde se jedná o zmn plochy elektrod nebo vzdálenosti mezi jejich plochami. Dále to mže být zmna permitivity dielektrika

15 Tomáš Konený Kapacitní snímae lze použít pi mení tlaku nebo jako sníma hladiny. Kapacitní snímae mžeme rozdlit do nkolika skupin podle jejich uspoádáni. Mohou být deskové nebo válcové, zde se jedná o jednoduché (dv elektrody) nebo diferenní. Dále se dlí podle zpsobu zmny kapacity s promnnou mezerou mezi elektrodami (Obr. 1-) nebo s promnnou plochou krytí elektrod (Obr. 1-3). Obr. 1- Kapacitor s promnnou mezerou Obr. 1-3 Kapacitor s promnnou plochou krytí 1..3 Snímae teploty Snímae teploty mžeme rozdlit do základních dvou skupin podle zpsobu mení teploty. Mohou být dotykové nebo bezdotykové. Dále je rozdlujeme podle typu materiálu z kterých jsou vyrobeny. Jedná se o odporové snímae teploty, mezi které se adí kovové platinové a niklové snímae. Dále termolánky, Si monokrystalické snímae a polovodiové využívající teplotní závislost pechodu BE bipolárního tranzistoru. Monokrystalické snímae teploty se vyrábjí z kemíku, india a jejich slitin. Používají se pro mení teploty v rozsahu od -50 C do +150 C. Kemíkový sníma je z nevlastního polovodie typu N. Jeho závislost odporu na teplot urenou rovnicí 3 5 ( 1+ 7,95 10 ( ϑ 5) + 1,95 10 ( ϑ ) ) = (1-1) ϑ 5 5 kde 5 je odpor snímae pi teplot 5 C. Pevodní charakteristika kemíkového snímae je na (Obr. 1-4)

16 Tomáš Konený Obr. 1-4 Pevodní charakteristika snímae Si Snímae využívající teplotní závislost naptí UBE pechodu BE bipolárního tranzistoru mají teplotní závislost naptí na pechodu definovanou jako du BE = dϑ k U q U BE T [ mv / K] (1-) kde k je Boltzmannova konstanta, q je náboj elektronu, UT je teplotní naptí a ϑ je teplota pechodu. 0,8 0,6 0,4 0, U BE [V] - mv/k θ [K] Obr. 1-5 Teplotní závislost naptí pechodu BE

17 Tomáš Konený ozbor obvod.1 Obvody odporových mstk Obvody odporových mstk se nejastji používají k zesilování malých rozdílových naptí. K jejich napájení se využívají zdroje naptí nebo zdroje proudu. Pro zesílení rozdílového naptí odporových mstk se používají pístrojové zesilovae..1.1 Napov napájený odporový mstek Napov napájený odporový mstek (Obr. -1) je složen ze ty rezistor. Obr. -1 Napov napájený odporový mstek Výstupní naptí mstku lze vypoítat ze vztahu U 1 výst = U U1 = U vst. U vst. (-1) budou-li tyto rezistory totožné, tj. 1 = = 3 = 4 =, pak bude mstek vyvážený a výstupní rozdílové naptí bude nulové. U výst = U U1 = U vst. U vst. = 0 (-) + + Pokud jeden z odpor bude jiný, nap. pro 4 = + Δ a budeme pedpokládat, že >> Δ, pak výstupní naptí bude

18 Tomáš Konený U výst U vst Δ = U U1 = U vst. =. (-3) Δ 4 Δ + Takto rozvážený mstek má nelineární pevodní charakteristiku 0,5%/% zmnu Δ/. ozvážení mstku dvma rezistory, tj. = 4 = + Δ, se nelinearita pevodní charakteristiky mstku sníží na polovinu a bude mstek dvakrát citlivjší než v pedchozím pípad. Nelinearita 0,5%/% zmnu Δ/. Pak výstupní naptí bude U výst U vst Δ =. (-4) Δ + Zmníme-li nastavení všech odpor, tj. = 3 = + Δ a 1 = 4 = - Δ, bude výstupní naptí U výst Δ = U vst.. (-5) Pevodní charakteristika bude lineární a mstek bude nejcitlivjší ze všech zmínných rozvážení..1. Proudov napájený odporový mstek Proudov napájený odporový mstek obsahuje operaní zesilova zapojený jako neinvertující zesilova. Do jeho záporné zptné vazby je zapojen odporový mstek. Obr. - Proudov napájený odporový mstek

19 Tomáš Konený Pro rozvažování proudov napájeného odporového mstku (Obr. -) jsou použity stejné rezistory jako u napov napájeného odporového mstku (Obr. -1), tj. 1 = = 3 = a 4 = + Δ, tím dostaneme výstupní naptí U výst U vst Δ =. (-6) 4 Δ + 4 Takto rozvážený mstek má o polovinu menší nelinearitu pevodní charakteristiky jako u napov napájeném mstku. Pi rozvážení mstku dvmi rezistory, tj. 4 = 4 = + Δ, bude výstupní naptí rozváženého mstku dáno U výst a pevodní charakteristika bude lineární. = U vst. Δ (-7).1.3 Asymetrický pístrojový zesilova Asymetrický pístrojový zesilova (Obr. -3) je složen ze dvou operaních zesilova. První z nich je zapojen jako neinvertující zesilova a na jeho výstup je pipojen invertující vstup druhého zesilovae jako zesilova naptí. Obr. -3 Asymetrický pístrojový zesilova Výstupní naptí takto zapojeného pístrojového zesilovae je

20 Tomáš Konený + + U = (-8) U U Pokud zvolíme hodnoty odpor tak, že 1 = 3 a = 4 pedešle rovnice bude rozdílové zesílení zesilovae U 3 U U 1 = 1+ 1, pak po úprav (-9) Pomocí odporu se nastavuje rozdílové zesílení pístrojového zesilovae. Nevýhodou tohoto zesilovae je vliv souhlasného zesílení operaního zesilovae na souhlasné zesílení pístrojového zesilovae..1.4 Symetrický pístrojový zesilova Symetrický pístrojový zesilova (Obr. -4) je složen ze tí operaních zesilova Z1, Z, Z3. Operaní zesilovae Z1, Z jsou zapojeny jako zesilovae naptí. Jejich výstupy jsou pipojeny k rozdílovému zesilovai Z3. Obr. -4 Symetrický pístrojový zesilova Výstupní naptí Ua operaního zesilovae Z1 je dáno + a výstupní naptí Ub operaního zesilovae Z je 1 U a = U1 U (-10)

21 Tomáš Konený + 1 U b = U U1 (-11) 1 1 Výstupní naptí U3 se urí jako rozdíl naptí Ua a Ub vynásobeno zesílením operaního zesilovae Z3. U 3 a (-1) ( ) 4 U U b = 3 ozdílové zesílení symetrického pístrojového zesilovae je dáno souinem rozdílového zesílení vstupních zesilova a výstupního rozdílového zesilovae. U 3 = 1+ ( U ) U (-13) ozdílové zesílení je možno mnit pomocí odporu 1. Konená hodnota initele potlaení CM je dána párovou nepesnosti rezistor, 3,4.. Obvody kapacitních sníma Kapacita rovinného deskového kondenzátoru s homogenním polem je vyjádena jako ε S C 0 ε = r (-14) d kde εr je relativní permitivita, ε0 permitivita vakua, S plocha elektrod a d je vzdálenost mezery mezi elektrodami. Mezerové kapacitní snímae (Obr. 1-) je možno použít pro mení malých posunutí. Zmna kapacity zpsobena zmnou vzdálenosti mezery d je vyjádena vztahem ε 0ε r S ε 0ε r S ε 0ε r S Δd ΔC = = (-15) d + Δd d d d + Δd Pro relativní zmny platí ΔC C Δd 1 = d Δd 1+ d Δd Δd = 1 d d Δd + d Diferenciální kapacitní sníma mžeme popsat pomocí rovnice (-16) - 0 -

22 Tomáš Konený ( C ΔC) = ΔC C1 C = C + ΔC (-17) Pak pro relativní zmnu platí C 1 C Δd Δd Δd = 1 + (-18) C d d d Diferenciální kapacitní sníma má dvakrát vtší citlivost než jednoduchý kapacitní sníma...1 Jednoduchý kapacitní sníma Odvod, kterým je možno zpracovávat signál z kapacitního snímae je tvoen z operaního zesilovae zapojeného jako invertující zesilova. V tomto zapojení je kapacitní sníma reprezentován kondenzátorem C1, který je zapojen na invertující vstup operaního zesilovae. Ve zptné vazb je zapojena paralelní kombinace kondenzátoru C a rezistoru. Obr. -5 Jednoduchý kapacitní sníma Mezní kmitoty amplitudové kmitotové charakteristiky obvodu (Obr. -6) jsou f 1 = 1 π C (-19) 1 f = 1 π C (-0) - 1 -

23 Tomáš Konený Penos tohoto obvodu je u jωc1 = 1+ jω C u 1 (-1) kde u = U sinωt je stídavé budící naptí snímae. 1 1 Obr. -6 Amplitudová kmitotová charakteristika snímae Pokud bude kmitoet výstupního signálu f > f, potom penos obvodu je uren pouze pomrem kapacit C1, C. U C = (-) 1 U1 C Z hlediska stability obvodu je nutné zajistit, aby ást amplitudové charakteristiky obvodu se sklonem +0dB/dek neprotínala amplitudovou charakteristiku operaního zesilovae se sklonem -0dB/dek. Kritický kmitoet, pi kterém dochází k nestabilit obvodu je f k f1 f T = (-3) Pro stabilitu obvodu je proto nutné volit kmitoet budícího signálu f f k. Z této podmínky lze urit minimální odpor rezistoru C 1 (-4) πf T C - -

24 Tomáš Konený.. Diferenní kapacitní sníma Obvod je na (Obr. -7) pro zpracování signálu z diferenního promnného kondenzátoru. Obr. -7 Diferenní kapacitní sníma kmitoty Zvolíme-li rezistory 1 = = a kondenzátory C1 = C = C, pak budou mezní 1 f = (-5) πc Pro kmitoty f > 1/C jsou výstupní naptí zesilova Z1, Z C1 C13 u = u1 (-6) u3 = u1 (-7) C C kde C1 = C0 + C, C13 = C0 C

25 Tomáš Konený Tato naptí jsou odeítána v rozdílovém zesilovai Z3, jehož výstupní naptí je pi 1 =, 3 = 4, 5 = 6 u ΔC = (-8) 6 ( u u ) = u 3 3 C Naptí U4 je usmrnno spínaným synchronním detektorem s penosem ±1, pi zvolení odpor 7 = 8 = 9, jehož spína (tranzistor BF45) je ízen výstupním naptím komparátoru Z5. Stední hodnota výstupního naptí detektoru je 4 ΔC = (-9) π C U 5s U1 m K filtraci usmrnného naptí U5 je uren kondensátor C3, který s rezistorem 7 uruje asovou konstantu filtru..3 Obvody odporových sníma teploty Mezi odporové snímae teploty se adí kovové platinové a niklové snímae. U tchto sníma se využívá teplotní závislosti odporu na teplot. Základní materiálovou konstantou je teplotní souinitel odporu urený vztahem 1 α = (-30) ϑ Platinové snímae teploty mají definovanou teplotní závislost odporu pro rozsah teplot 0 C až +850 C a pro teplotní rozsah -00 C až 0 C ϑ 3 6 ( 1+ 3, ϑ 0,580 ϑ ) = 0 10 (-31) ϑ ( 1+ 3, ϑ 0, ϑ + 0,473 ϑ ) = 0 10 kde 0 je jmenovitý odpor snímae pi teplot 0 C. Platinové snímae teploty mají navíc velmi dobrou stabilitu (0,05 %/10 3 hodin). (-3) - 4 -

26 Tomáš Konený Obr. -8 Pevodní charakteristika snímae Pt Niklové snímae teploty mají pro teplotní rozsah -60 C až 180 C definovanou teplotní závislost odporu ϑ 3 6 ( 1+ 3,83 10 ϑ + 4,64 ϑ ) = (-33) 0 10 kde 0 je jmenovitý odpor snímae pi teplot 0 C. Výhodou niklových odporových sníma jsou jejich malé rozmry, vysoká citlivost a rychlá asová odezva. Tyto vlastnosti jsou omezeny menším teplotním rozmezím a znanou nelinearitou vi platinovému snímai. Další skupinou jsou polovodiové odporové snímae teploty. Využívají také teplotní závislosti odporu na teplot, ale s tím rozdílem, že dominantní teplotní závislostí je koncentrace nosi náboje. Dlíme je do dvou skupin podle polarity teplotního souinitele odporu. Se záporným koeficientem se vyrábjí termistory typu NTC, negastory. Jsou vyrobeny z oxid kov, nap. FeO3 + TiO. Jejich teplotní charakteristika (Obr. -9) je vyjádena rovnici = e 1 1 ϑ1 ϑ B ϑ1 ϑ (-34) kde ϑ1 a ϑ jsou odpory termistoru pi absolutních teplotách ϑ1, ϑ a B je materiálová konstanta. Teplotní rozsah se pohybuje od -50 C do +150 C

27 Tomáš Konený Obr. -9 Teplotní charakteristika termistoru NTC Oproti platinovému snímai se vyrábjí negastory velmi malé a mají až o jeden ad vyšší hodnotu teplotního souinitele odporu. Na druhou stanu jsou mén stabilní a mají znanou nelinearitu. S kladným teplotním souinitelem odporu se nazývají pozistory. Vyrábjí se z polykrystalické feroelektrické keramiky. Odporové snímae teploty se vyrábjí ve dvojím provedení se dvmi nebo tymi vývody. Pi dvojvodiovém provedení se k vlastnímu mícímu odporu piítá odpor vývod, který zpsobuje promnou chybu. Tato chyba se mže pohybovat od 0,1 C do 0,5 C. Pi mení, kde nelze tuto chybu zanedbat se musí používat tyvodiové zapojení, které tuto chybu eliminuje..3.1 Proudový zdroj se záporným vnitním odporem K linearizaci teplotní závislosti platinového snímae se používá proudový zdroj se záporným vnitním odporem L (Obr. -10). Hodnota rezistoru L je pi trojbodové linearizaci ( + ) ϑ1 + ϑ3 ϑ ϑ ϑ1 ϑ3 ϑ1 ϑ3 L = (-35) kde ϑ1, ϑ, ϑ3 jsou odpory snímae pi teplotách ϑ1,ϑ,ϑ3. Souadnicemi tchto bod - 6 -

28 Tomáš Konený prochází linearizovaná závislost odpor L, který vychází záporný. Lze ho realizovat zapojením proudového zdroje s kladnou zptnou vazbou urenou rezistorem = L (-36) 3 ( + ) 3 Obr. -10 Proudový zdroj se záporným vnitním odporem L.3. Mstkový obvod platinového snímae teploty Mstkový obvod platinového snímae teploty (Obr. -11) je tvoen proudov napájeným odporovým mstkem. V jedné z jeho vtví je zapojen platinový sníma teploty Pt. Z napových svorek platinového snímae a z normálového rezistoru 3 je snímáno rozdílové naptí mstku. Pokud budou rezistory 1,, 3, rovny jmenovité hodnot odporu platinového snímae Pt(0), pak mžeme rozdílové naptí mstku urit jako U U Δ r Pt U1 = (-37) 4 4 ΔPt kde ΔPt je zmna odporu snímae pi zmn teploty Δϑ. Toto naptí je zesíleno asymetrickým pístrojovým zesilovaem. Výstupní naptí takto zapojeného pístrojového zesilovae je U U + U = (-38) - 7 -

29 Tomáš Konený Obr. -11 Mstkový odvod platinového snímae teploty Pokud zvolíme hodnoty odpor tak, že 5 = 8 a 6 = 7 pedešle rovnice bude rozdílové zesílení zesilovae U 3 U U 1 = , pak po úprav (-39) Zapojení umožuje tídrátové pipojení snímae, který ásten potlauje vliv odporu pívod snímae na pesnost mení jeho odporu..3.3 Obvod platinového snímae s proudovým zdrojem U tohoto zapojení (Obr. -1) je využito neinvertujícího zapojení operaního zesilovae jako zdroje proudu. Do jeho zptné vazby je zapojen platinový sníma teploty. Úbytek naptí na snímai je zesilován symetrickým pístrojovým zesilovaem s výstupním naptím U = + (-40) Pt 4 1 U U r 3 1 Naptí U0 odpovídá nulovému výstupnímu naptí zesilovae pi vztažné teplot 0 C, pi které má sníma odpor Pt(0)

30 Tomáš Konený Obr. -1 Obvod platinového snímae s proudovým zdrojem Proud procházející snímaem je u r / 0. Toto zapojení umožuje využít tydrátové pipojení snímae, které zcela potlauje vliv odporu pívod snímae na pesnost mení jeho odporu..4 Obvody termolánk Termoelektrické snímae jsou založeny na Seebeckovu jevu. Jedná se o pevod tepelné energie na elektrickou. Termolánek (Obr. -13) je složen ze dvou rzných kov nebo dvou odlišných slitin. Pokud jsou rozdílné teploty mezi referenním a mícím koncem termolánku, pak je ve styk kov generováno termoelektrické naptí U ϑ k t ( ϑ ϑ ) = (-41) kde kt je konstanta termolánku a ϑm, ϑr jsou teploty na koncích termolánku. m r - 9 -

31 Tomáš Konený kov 1 θ M kov U θ θ kov 1 Obr. -13 Termolánek Vyrábjí se rzné typy termolánk, kde mezi nejpoužívanjší patí J, K a S. Jejich základní parametry jsou uvedeny v tabulce. typ kov 1 (+) kov (-) k t [μv/ o C] ozsah teplot [ o C] J Fe Cu-Ni 50, - 00 až 400 K Cr Ni Al Ni 39, - 00 až 1300 S Pt Pt 10%h 10,3 0 až 1500 Tab. -1 Parametry kontakt termolánku.4.1 Termolánkový zesilova Termolánkový zesilova (Obr. -14) je složen z operaního zesilovae zapojeného jako invertující zesilova. Zesílení operaního zesilovae A = (-4) 1 uruje zmnu výstupního naptí pi zmn teploty o 1 o C. 1 ΔU OUT = Δϑ k t (-43)

32 Tomáš Konený izotermická svorkovnice + U r -U r 1N4148 U D termolánek - Cu 1 + Cu 0 až 100 o C 0 až 1V Obr. -14 Termolánkový zesilova Ke kompenzaci teplotních zmn referenního konce termolánku je užita izotermické svorkovnice, jejíž teplota je snímána Si diodou 1N4148, zapojenou ve vodivém stavu. Proud protékající diodou je uren referenním naptím +Ur, naptím na diod UD a odporem 5. Naptí na diod UD s rezistorem 3 zpsobuje pídavný U proud, který je kompenzován proudem r. 4 Teplotní závislost naptí UD s koeficientem α =,mv / C je využita k teplotní kompenzaci obvodu, pro kterou platí U D α U D = k t 3 1 (-44).4. Mstkový termolánkový zesilova Mstkový termolánkový zesilova (Obr. -15) je složen z operaního zesilovae zapojeného jako invertující zesilova. Zesílení operaního zesilovae A 7 = (-45) které uruje zmnu výstupního naptí zesilovae pi zmn mené teploty o 1 o C

33 Tomáš Konený 1 ΔU OUT = Δϑ k ozdílové naptí odporového mstku je U t (-46) 1 4 D = U r (-47) Kompenzace teplotních zmn referenního konce termolánku teplotní závislostí naptí diody je splnna pi podmínce α U D 1 + = k t 1 (-48) Obr. -15 Mstkové zapojení termolánku - 3 -

34 Tomáš Konený 3 Návrh a simulace obvod Jednotlivé obvody jsou navrženy v programu Multisim 8. V tomto programu lze navržený obvod simulovat, vyzkoušet a ovit jeho funknost. 3.1 Obvody odporových mstk Napov napájený odporový mstek Odporový mstek (Obr. 3-1) je složen ze ty rezistor, 1,, 3, 4 = 10 kω s pesnosti 1% a potenciometru s lineární zmnou odporu z 0 Ω na 1 kω. Obvod je napájen ze stejnosmrného zdroje naptí o velikosti U1 = 5V. XMM kΩ 10.0kΩ V1 5 V kΩ kΩ 1KΩ_LIN Key = Space 5 50% Obr. 3-1 Simulovaný napov napájený odporový mstek Pokud jsou ob vtve vyvážené, tj. potenciometr je nastaven na svojí nulovou hodnotu, prochází jimi stejný proud, pak na indikátoru naptí XMM1 je nulové naptí. Mstek je vyvážený. Budeme-li mnit hodnotu potenciometru zapojeného do jedné vtve (Obr. 3-1), zane mstek rozvažovat a na indikátoru naptí XMM1 bude možno zmit rozdílové naptí rozváženého mstku. Výstupní naptí mstku je pak dáno

35 Tomáš Konený U XMM U1 Δ =. (3-1) 4 Δ + V tabulce (Tab. 3-1) jsou uvedeny hodnoty zmeného a vypoteného výstupního naptí napov napájeného odporového mstku pro dané pírstky odporu. Δ [ Ω ] Δ/ [ - ] U1 [ V ] Uzpoc [ mv ] Uzmer [ mv ] ,00 0, ,01 5 1,44 1, ,0 5 4,75 4, , ,95 36, , ,0 49, , ,98 60, ,06 5 7,8 7, , ,54 84, , ,15 96, , ,66 107, , ,05 119,05 Tab. 3-1 Napov napájený odporový mstek Z namených hodnot je vykreslena pevodní charakteristika (Obr. 3-) y = 1189,7x + 0,909 = 0,9998 UXMM1 [mv] ,0 0,04 0,06 0,08 0,1 0,1 Δ/ [ - ] Napov napájený lineární Lineární (Napov napájený) Obr. 3- Simulovaná pevodní charakteristika napov napájeného odporového mstku

36 Tomáš Konený 3.1. Proudov napájený odporový mstek V obvod (Obr. 3-3) je použit nízkošumový operaní zesilova OP07, zapojen jako neinvertující zesilova. Je napájen ze symetrického zdroje naptí U = 1V. Na neinvertují vstup operaního zesilovae je pipojeno vstupní naptí U3 = 5V. Do jeho zptné vazby je zapojen odporový mstek, napájený proudem I = 1 ma. Pak pro rezistor 5 platí U 3 = = 5kΩ (3-) I s pesnosti 1%. V 1 V XMM U kΩ 10.0kΩ V1 1 V V3 5 V kΩ OP07CP POT kΩ kΩ 1KΩ_LIN 50% Key = Space Obr. 3-3 Simulovaný proudov napájený odporový mstek Mstek je zapojený stejn jako v pedešlém zapojení. Odporový mstek je složen ze ty rezistor, 1,, 3, 4 = 10 kω s pesnosti 1% a potenciometru s lineární zmnou odporu z 0 Ω na 1 kω. Pokud jsou ob vtve vyvážené, tj. potenciometr je nastaven na svojí nulovou hodnotu, prochází jimi stejný proud, je na indikátoru naptí XMM nulové naptí. Mstek je vyvážený. Budeme-li mnit hodnotu potenciometru, zapojeného do jedné vtve (Obr. 3-3), zane mstek rozvažovat a na indikátoru naptí XMM bude možno zmit rozdílové naptí rozváženého mstku. Výstupní naptí mstku je pak dáno

37 Tomáš Konený U XMM U1 Δ =. (3-3) 4 Δ + 4 V tabulce (Tab. 3-) jsou uvedeny hodnoty zmeného a vypoteného výstupního naptí napov napájeného odporového mstku pro dané pírstky odporu. Δ [ Ω ] Δ/ [ - ] U3 [ V ] Uzmer [ mv ] , ,01 5 4, ,0 5 48, ,03 5 7, , , , , , , , , , , , , ,1 5 38,65 Tab. 3- Proudov napájený odporový mstek Z namených hodnot je vykreslena pevodní charakteristika (Obr. 3-4). 300,00 50,00 y = 385,3x + 0,966 = 1 00,00 U [mv] 150,00 100,00 50,00 0,00 0 0,0 0,04 0,06 0,08 0,1 0,1 Δ/ [ - ] Proudov napájený Lineární Lineární (Proudov napájený) Obr. 3-4 Simulovaná pevodní charakteristika proudov napájeného mstku

38 Tomáš Konený Asymetrický pístrojový zesilova V tomto zapojení (Obr. 3-5) jsou použity bipolární operaní zesilovae LM34 napájené ze symetrického zdroje naptí U=1V. V5 1 V V4 1 V V1 5 V 00kΩ U1A LM34AN 1 3 V V 4 00kΩ U1B LM34AN XMM1 Obr. 3-5 Simulovaný asymetrický pístrojový zesilova Bude-li k zesílení rozdílové naptí U-U1 = 10 mv a bude požadováno zesílené naptí na výstupu asymetrického pístrojového zesilovae UXMM1 =,5 V upravením rovnice U XMM 1 = + U U (3-4) vyjádíme jako U 3,5 = 4 = 1 1 = 1 10k = 00kΩ (3-5) U U1 0,10 pro zvolené 1 = 3 =. Zmna rozdílového naptí U-U1 zesíleného asymetrickým pístrojovým zesilovaem na výstupu vyjaduje závislost na (Obr. 3-6). Budeme li místo rozdílového naptí mnit zesílení obvodu pomocí rezistoru, U XMM 1 = ( U U1 ) 1 + = 0,1 1 + = 0, 7V (3-6) Pro 1 = 10 kω a rozdílové naptí 0,1V, pak bude výstupní naptí UXMM1 dáno závislostí (Obr. 3-7)

39 Tomáš Konený 8 7 y = 0,833x + E-15 = 1 6 UXMM1 [V] ,1 0, 0,3 0,4 U-U1 [V] Obr. 3-6 Závislost výstupního naptí na zmn rozdílového naptí u asymetrického zesilovae 3,5 y = 1E-05x + 0,1 = 1 UXMM1 [V] 1,5 1 0, [Ω] Obr. 3-7 Závislost výstupního naptí na zmn zesílení odporem u asymetrického zesilovae

40 Tomáš Konený Symetrický pístrojový zesilova V tomto zapojení (Obr. 3-9) jsou použity bipolární operaní zesilovae LM34 napájené ze symetrického zdroje naptí U= 1V. Zvolíme-li rezistory 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 = 10 kω, pak výstupní naptí symetrického pístrojového zesilovae je ureno vztahem 1 U XMM 1 = 1+ ( U1 U 4 ) = 1, 8V (3-7) 7 pro rozdílové naptí (U1-U4) = 0,6 V. Zmnu rozdílového naptí U1-U4 zesíleného symetrickým pístrojovým zesilovaem na výstupu vyjaduje závislost na (Obr. 3-8). 3,5 3 y = 3x + 4E-16 = 1,5 UXMM1 [V] 1,5 1 0, , 0,4 0,6 0,8 1 (U1-U4) [V] Obr. 3-8 Závislost výstupního naptí na zmn rozdílového naptí symetrického pístrojového zesilovae bude Budeme li místo rozdílového naptí mnit zesílení obvodu pomocí rezistoru 7, 1 U XMM 1 = 1+ ( U1 U 4 ) = 6V (3-8) 7 pro 1, 3, 4, 5, 6, 8 = 10 kω, 7 = 4 kω a rozdílové naptí 1 V bude výstupní naptí UXMM1 dáno závislostí (Obr. 3-10)

41 Tomáš Konený V 1 V V3 1 V V1 5 V V V 7. U3A LM34AN 4 8 U1B U3C LM34AN 1 XMM1 LM34AN Obr. 3-9 Simulovaný symetrický pístrojový zesilova UXMM1 [V] 6 4 y = 5104,1x -0,8105 = 0, [Ω] Obr Závislost výstupního naptí na zmn zesílení odporem 7 symetrického pístrojového zesilovae

42 Tomáš Konený 3. Obvody kapacitních sníma 3..1 Jednoduchý kapacitní sníma V zapojení (Obr. 3-1) je použit jako operaní zesilova OP07 se symetrickým napájením U = 1 V. Zvolíme-li rezistor = 1 MΩ a kondenzátor C = 56 pf bude mezní kmitoet f 1 Hz C 84 = = ( 3-9) π Nastavíme-li vstupní naptí UXGF1 = 1V o frekvenci f = 10 khz bude výstupní naptí 1,4 y = 0,01x - 0,0017 = 1 1, 1 U [V] 0,8 0,6 0,4 0, C1 [pf] Obr Závislost výstupního naptí obvodu na kapacit

43 Tomáš Konený C 56pF XSC1 V3 1 V V 1 V XFG1 C1 100pF-VA 50% Key = Space 1 1.0MΩ 1.0MΩ U3 OP07CP A B G T Obr. 3-1 Simulovaný jednoduchý kapacitní sníma 3.. Diferenní kapacitní sníma V zapojení (Obr. 3-13) je použit operaní zesilova TL084 a pro komparátor operaní zesilova OP07 se symetrickým napájením U= 1V. ezistory 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 volíme 10 kω

44 Tomáš Konený C1 10pF 1 1.0MΩ C3 10uF V 1 V V3 1 V C1 0% 100pF-VA Key = Space C13 100pF-VA Key = Space 80% U3A TL084CN U1B TL084CN U3C TL084CN kΩ Q1 BF45A 8 U3D TL084CN XSC1 A B C 10pF T G XFG1 1.0MΩ D1 1N4007 U OP07CP 10 Obr Simulovaný diferenní kapacitní sníma 3.3 Obvody odporových sníma teploty U odporových sníma teploty je platinový sníma simulován pomocí rezistoru s nastavitelnou hodnotou odporu vypotenou pro danou teplotu Proudový zdroj se záporným vnitním odporem U tohoto obvodu (Obr. 3-14) je použit operaní zesilova OP07 napájený symetrickým zdrojem naptí U = 1V. Hodnota rezistoru L je pi trojbodové linearizaci ( + ) ϑ1 + ϑ3 ϑ ϑ ϑ1 ϑ3 ϑ1 ϑ3 L = (3-10) kde ϑ1, ϑ, ϑ3 jsou odpory snímae pi teplotách ϑ1,ϑ,ϑ3. Z rovnice teplotní závislosti odporu

45 Tomáš Konený 3 6 ( 1+ 3, ϑ 0,580 ϑ ) ϑ = 0 10 (3-11) vypoteme hodnoty rezistor ϑ1, ϑ, ϑ3 pro ti zvolené hodnoty teploty pro ϑ1= 0 C vychází ϑ1= 100 Ω pro ϑ= 50 C vychází ϑ= 119,4 Ω pro ϑ3= 100 C vychází ϑ3= 138,5 Ω ϑ ( ϑ1 + ϑ 3 ) ϑ1ϑ 3 pak L = =, 59kΩ (3-1) + ϑ1 ϑ3 ezistor L vychází záporný. Lze ho realizovat zapojením proudového zdroje s kladnou zptnou vazbou urenou rezistorem 1. ( + ) Zvolíme-li = 5 = 10 kω a 4 = 7 = 9,1 kω pak ϑ 3 1 = L (3-13) 3 ( + ) = L = 57Ω (3-14) Odpor 1 je složen ze dvou rezistor z odporové ady E4. V 1 V 3 3 V3 1 V Ω 8 40Ω 7 9.1kΩ V1.5 V U3 OP07CP 3 40Ω 10 10Ω XMM kΩ Pt 100 Ω Obr Simulovaný proudový zdroj se záporným vnitním odporem

46 Tomáš Konený 3.3. Mstkový obvod platinového snímae teploty V tomto zapojení (Obr. 3-16) je použit operaní zesilova LM 34 se symetrickým napájením 1V. U1A V3 1 V V 1 V V1.5 V LM34AN kΩ kΩ 1.00kΩ PT Ω U1B LM34AN U1C LM34AN XMM kΩ kΩ kΩ kΩ kΩ Obr Simulovaný mstkový obvod platinového snímae teploty ezistory 1,, 3 jsou rovny jmenovité hodnot odporu platinového snímae Pt(0) = 1 kω. Dále volíme referenní naptí Ur =,5V a rezistor 4 = 1 kω. Pokud zvolíme hodnoty odpor tak, že 5 = 8 a 6 = 7 zesílení zesilovae U 3 U U 1 = , pak bude rozdílové (3-15) Požadujeme-li výstupní naptí obvodu U3 = 1V pi rozdílovém naptí 0,V, zvolíme rezistor 6 = 1 kω, pak z rovnice (3-16) vypoteme hodnotu rezistoru 5=3,74Ω. = U 3 1 = 3, 74 Ω U U k 5 6 (3-16) 1 V tabulce (Tab. 3-3) jsou vypoteny hodnoty odporu platinového snímae pro danou teplotu a zmené výstupní naptí obvodu

47 Tomáš Konený ϑ [ C] Pt [Ω] U [V] ,00 0, ,95 0, ,00 0, ,15 1, ,39 1, ,74, ,18, ,73, ,37 3, ,11 3, ,95 4,00 Tab. 3-3 Mstkový odvod platinového snímae teploty 4,50 4,00 3,50 3,00 y = 0,008x + 0,0773 = 0,999 U [V],50,00 1,50 1,00 0,50 0, ϑ [ C] Obr Závislost výstupního naptí na teplot platinového snímae teploty

48 Tomáš Konený Obvod platinového snímae s proudovým zdrojem V tomto zapojení (Obr. 3-18) je použit operaní zesilova LM 34 se symetrickým napájením 1V. Proud procházející snímaem je U1 = 5V, pak odpor zvolíme 5k1 z ady E4. U 1. Zvolíme-li proud snímaem I = 1mA a V1 5 V UD LM34AN V4 1 V V5 1 V 5.11kΩ PT Ω 7 U3A LM34AN 4 8 U1B LM34AN U1C LM34AN 1 V.96 V XMM1 Obr Simulovaný platinový sníma s proudovým zdrojem Zvolíme-li rezistory 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 = 10 kω, pak úbytek naptí na snímai je zesilován symetrickým pístrojovým zesilovaem s výstupním naptím U = + (3-17) Pt U 3 1 U 5 7 Naptí U odpovídá nulovému výstupnímu naptí zesilovae pi vztažné teplot 0 C, pi které má sníma odpor Pt(0) =1kΩ. U Pt 6 8 = 1 U1 U 3,96V + 5 (3-18) 7 =

49 Tomáš Konený ϑ [ C] Pt [Ω] U3 [V] ,00 0, ,95 0, ,00 1, ,15 1, ,39, ,74, ,18 3, ,73 3, ,37 4, ,11 4, ,95 5,30 Tab. 3-4Mstkový obvod platinového snímae s proudovým zdrojem 6,00 y = 0,0106x + 0,0646 = 0,9995 5,00 U3 [V] 4,00 3,00,00 1,00 0, ϑ [ C] Obr Závislost výstupního naptí na teplot platinového snímae napájeného zdrojem proudu

50 Tomáš Konený 3.4 Obvody termolánk Termolánkový zesilova V tomto zapojení (Obr. 3-19) je použit operaní zesilova OP07 se symetrickým napájením 1V. V1 1 V V5-1 V kΩ 4 1.0MΩ D1 3 V V 1N kΩ 1 1.0kΩ 55kΩ U3 OP07CP XMM1 V3 1 V V 1 V Obr Simulovaný termolánkový zesilova Zvolíme-li 1 = 1 kω, pak zesílení operaního zesilovae uruje zmnu výstupního naptí pi zmn teploty o 1 C. Volíme rozsah teplot 0 až 100 C pro výstupní naptí zesilovae 0 až 1 V. ΔU OUT = Δϑ 1 k = 55kΩ (3-19) t Teplotní závislost naptí UD s koeficientem α =,mv / C je využita k teplotní U D kompenzaci obvodu z níž mžeme vypoítat

51 Tomáš Konený 3 αu = D 1 = 56, 1kΩ k t (3-0) Proud protékající diodou je uren referenním naptím +Ur=1V naptím na diod UD a odporem 5. Naptí na diod UD s rezistorem 3 zpsobuje pídavný U proud, který je kompenzován proudem r. 4 U r 4 = 3 = 1MΩ (3-1) U D ϑ [ C] Uϑ [mv] U3 [mv] 0 0,00-4,61 0 0,78 175, ,57 374,97 60,35 574, ,14 774, ,9 974,34 Tab. 3-5 Termolánkový zesilova 1000,00 y = 9,9903x - 4,676 = 1 800,00 600,00 U3 [mv] 400,00 00,00 0,00-00, ϑ [ C] Obr. 3-0 Závislost výstupního naptí na teplot termolánkového zesilovae

52 Tomáš Konený 3.4. Mstkový termolánkový zesilova V tomto zapojení (Obr. 3-1) je použit operaní zesilova OP07 se symetrickým napájením 1V. V1 1 V D kΩ 5 1.0MΩ 7 V V 1N kΩ 6 1.0kΩ 55kΩ U3 OP07CP XMM1 V3 1 V kΩ kΩ V 1 V Obr. 3-1 Simulovaný mstkový termolánkový zesilova Zvolíme-li 6 = 1 kω, pak zesílení operaního zesilovae uruje zmnu výstupního naptí pi zmn teploty o 1 C. Volíme rozsah teplot 0 až 100 C pro výstupní naptí zesilovae 0 až 1 V. 7 ΔU OUT = Δϑ 6 k = 55kΩ (3-) t Z rovnic (-47) a (-48) vypoteme hodnoty rezistor pro referenní naptí Ur =1V

53 Tomáš Konený ϑ [ C] Uϑ [mv] U3 [mv] 0 0,00 5,14 0 0,78 15, ,57 6,75 60,35 37, ,14 48, ,9 59,18 Tab. 3-6 Mstkový termolánkový zesilova 600,00 y = 5,0404x + 5,135 = 1 500,00 400,00 U3 [mv] 300,00 00,00 100,00 0, ϑ [ C] Obr. 3- Závislost výstupního naptí na teplot mstkového termolánkového zesilovae - 5 -

54 Tomáš Konený 4 ealizace pípravk 4.1 Obvody odporových mstk Vstupní naptí odebírané ze zdroje naptí bylo Uvst = 5,13V. Obr. 4-1 ealizované odporový mstky UXMM1 [mv] y = 1196,3x + 6,0136 = 0, ,0 0,04 0,06 0,08 0,1 0,1 Δ/ [ - ] Napov napájený Lineární (Napov napájený) Obr. 4- Namený napov napájený odporový mstek

55 Tomáš Konený 300,00 y = 33,7x + 11,73 = 0, ,00 00,00 U [mv] 150,00 100,00 50,00 0,00 0 0,0 0,04 0,06 0,08 0,1 0,1 Δ/ [ - ] Proudov napájenýl Lineární (Proudov napájenýl) 4. Pístrojový zesilova Obr. 4-3 Namený proudov napájený odporový mstek Obr. 4-4 ealizovaný pístrojový zesilova

56 Tomáš Konený Závislost na (Obr. 4-5) pro asymetrický zesilova je zmena pi nastavení všech rezistor na 10 kω y = 1996,6x + 0,3 = UXMM1 [mv] ,1 0, 0,3 0,4 0,5 U-U1 [V] Obr. 4-5 Namená závislost výstupního naptí na zmn rozdílového naptí u asymetrického zesilovae 10 9 y =,9867x + 0,0369 = UXMM1 [V] ,5 1 1,5,5 3 3,5 (U1-U4) [V] Obr. 4-6 Namená závislost výstupního naptí na zmn rozdílového naptí u symetrického zesilovae

57 Tomáš Konený UXMM1 [V] [Ω] Obr. 4-7 Namená závislost výstupního naptí na zmn zesílení odporem 7 u symetrického zesilovae 4.3 Diferenní kapacitní sníma Obr. 4-8 ealizovaný diferenní kapacitní sníma

58 Tomáš Konený 150 y = 10,695x + 6E-15 = U [mv] ΔC [pf] Obr. 4-9 Namená závislost výstupního naptí na zmn kapacity 4.4 Obvody odporových sníma teploty Obr ealizovaný odporový sníma teploty

59 Tomáš Konený 6 5 U3 [V] 4 3 y = 0,0109x + 0,0784 = 0, ϑ [ C] Obr Namená závislost výstupního naptí na teplot u snímae teploty 4.5 Obvody termolánk Obr. 4-1 ealizovaný obvod termolánku

60 Tomáš Konený 800,00 700,00 y = 4,6541x + 8,3404 = 0, ,00 U3 [mv] 500,00 400,00 300,00 00,00 100,00 0, ϑ [ C] Obr Namená závislost výstupního naptí na teplot u termolánku

61 Tomáš Konený 5 Dosažené výsledky 5.1 Obvody odporových mstk UXMM1 [mv] ,0 0,04 0,06 0,08 0,1 0,1 Δ/ [ - ] Simulovaný Zmený Obr. 5-1 Porovnání pevodních charakteristik u napov napájeného mstku U odporového mstku se prbhy výstupního naptí na zmn odporu neshodují. Je to zpsobeno nepesností rezistor, které se vyrábjí s uritou pesností

62 Tomáš Konený 300,00 50,00 00,00 U [mv] 150,00 100,00 50,00 0,00 0 0,0 0,04 0,06 0,08 0,1 0,1 Δ/ [ - ] Simulovaný Zmený Obr. 5- Porovnání pevodních charakteristik u proudov napájeného mstku 5. Pístrojový zesilova 0,9 0,8 0,7 UXMM1 [V] 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0, ,1 0, 0,3 0,4 0,5 U-U1 [V] Simulovaný Zmený Obr. 5-3 Porovnání závislostí výstupního naptí na zmn rozdílového naptí u asymetrického zesilovae pro stejné zesílení

63 Tomáš Konený Asymetrické zapojení pístrojového zesilovae se mí na pípravku pístrojový zesilova. Pi mení není splnna podmínka, kdy jsou rezistory, 4 shodné. Všechny rezistory mají hodnotu 10 kω a zesílení obvodu je dv. 4 3,5 3 UXMM1 [V],5 1,5 1 0, , 0,4 0,6 0,8 1 1, 1,4 (U1-U4) [V] Simulovaný Namený Obr. 5-4 Porovnání závislosti výstupního naptí na zmn rozdílového naptí u symetrického zesilovae pro stejné zesílení UXMM1 [V] [Ω] Simulovaný Zmený Obr. 5-5 Porovnání závislostí výstupního naptí na zmn zesílení odporem 7 u symetrického zesilovae - 6 -

64 Tomáš Konený 5.3 Obvody odporových sníma teploty 6,00 5,00 4,00 U3 [V] 3,00,00 1,00 0, ϑ [ C] Simulovaný Zmený Obr. 5-6 Porovnání snímae teploty 5.4 Obvody termolánk 900,00 800,00 700,00 600,00 U3 [V] 500,00 400,00 300,00 00,00 100,00 0, ϑ [ C] Simulovaný Zmený Obr. 5-7 Porovnání termolánku

65 Tomáš Konený 6 Závr Cílem diplomové práce byl návrh a realizace souboru pípravk pro laboratorní výuku. Soubor pípravk je tvoen z odporových, kapacitních a teplotních sníma. Jednotlivá zapojení pípravk jsou navržena a simulována v programu Multisim 8 od firmy Electronics Workbench. Pi simulaci byly použity obvody, s kterými byly realizovány pípravku. ealizované obvody jsou umístny na tištných spojích. K návrhu tištných spoj byl použit program OCAD Layout. V obvodech jsou použity rezistory z odporové ady E4 s pesností 1%, operaní zesilovae OP07, LM34 a TL084. Všechny operaní zesilovae jsou napájeny ze symetrického zdroje naptí. Na pípravku odporových mstk je možno zmit vlastnosti napov a proudov napájených odporových mstk. ezistory v jednotlivých vtvích mstku nemají zcela totožné hodnoty, díky tomu je do mení vnášena systematická chyba mení. Druhým pípravkem je pístrojový zesilova. Pomocí svorek lze zapojit jako symetrický nebo asymetrický pístrojový zesilova. Dalšími dvmi pípravky jsou obvody pro snímae teploty. Jeden je uren pro mení s termolánkem typu K a druhý pro mení platinového snímae. Pi mení byl termolánek nahrazen zdrojem naptí a platinový sníma rezistorem s nastavitelnou hodnotou odporu vypotenou pro danou teplotu u platinového snímae. Posledním pípravkem je diferenní kapacitní sníma. Z dosažených výsledk plyne, že nelinearita pevodních charakteristik simulovaných a skutených obvod se v regresi liší o mén než 1%

66 Tomáš Konený Seznam tabulek Tab. 0-1 Seznam použitých symbol Tab. -1 Parametry kontakt termolánku Tab. 3-1 Napov napájený odporový mstek Tab. 3- Proudov napájený odporový mstek Tab. 3-3 Mstkový odvod platinového snímae teploty Tab. 3-4Mstkový obvod platinového snímae s proudovým zdrojem Tab. 3-5 Termolánkový zesilova Tab. 3-6 Mstkový termolánkový zesilova

67 Tomáš Konený Seznam použité literatury [1] Vedral J., Fischer J.: Elektronické obvody pro mící techniku. Vydavatelství VUT Praha 004 [] Haasz, V., Sedláek, M.: Elektrická mení. Pístroje a metody. Vydavatalství VUT, Praha 003 [3] Pallas-Areny,., Webster, J.: Sensor and Signal Conditioning. Wiley & Sons 001 [4] Practical Design Techniques for Sensor Signal Conditioning. Analog Device 1999 [5] Záhlava, V.: OrCAD pro Windows. Praktický prvodce návrháe. Grada Publishing 1999 [6] ao S., Kreidl M.: Senzory a mící obvody. Vydavatelství VUT Praha 1999 [7] Katalog GM electronic, 000 [8] [9] [10]

68 Tomáš Konený Pílohy A - Maska desky

69 Tomáš Konený

70 Tomáš Konený Píloha B - Obvody odporových mstk J4 Key = A V 1 V D1 1N4007 C4 10uF-POL C1 100nF U kΩ XMM kΩ V1 1 V D 1N4007 C3 10uF-POL C 100nF V3 5 V J1 Key = A kΩ OP07CP kΩ kΩ J Key = A 1 J6 Key = A J3 1KΩ_LIN Key = B 100% J5 Key = A Key = A

71 Tomáš Konený Píloha C - Pístrojový zesilova V5 1 V D1 1N4007 C4 10uF-POL C1 100nF U1A 5 6 V6 1 V D 1N4007 C3 10uF-POL C 100nF V4 4 V LM34AN U3C G 4 J3 Key = B J1 Key = A LM34AN XMM1 V1 5 V J Key = A U3B LM34AN

72 Tomáš Konený Píloha D - Obvody kapacitních sníma V1 1 V V 1 V D 1N4007 D3 1N4007 XFG1 C9 10uF-POL C8 10uF-POL C6 100nF C7 100nF J1 Key = A 11 1KΩ_LIN Key = A 50% J Key = A C 10pF 1.0MΩ C1 10pF 1 1.0MΩ U1A TL084CN U5B TL084CN C11 100nF C10 100nF U OP07CP 6 U4C TL084CN J3 Key = B 4.7kΩ D1 1N4007 C5 10uF 8 U3D TL084CN XMM1 Q1 BF45A

73 Tomáš Konený - 7 -

74 Tomáš Konený Píloha F - Obvody odporových sníma teploty V3 1 V D1 1N4007 C4 10uF-POL C1 100nF V6 1 V D 1N4007 C3 10uF-POL C 100nF J1 Key = A U1A 5 6 XMM1 7 LM34AN 4 J4 Key = D U3C LM34AN V1 5 V U4D LM34AN Ω J Key = A 8 UB 3 1 V.93 V 5.11kΩ J3 Key = A LM34AN

75 Tomáš Konený Píloha G - Obvody termolánk V1 V V D1 1N4148 J Key = A kΩ 5 56.kΩ kΩ 1 V MΩ 55kΩ U3 XMM1 V5 1 V V6 1 V D 1N4007 D3 1N4007 C4 10uF-POL C3 10uF-POL C1 100nF C 100nF OP07CP kΩ kΩ