Otázky k úloze, domácí příprava Úloha č. 12, Senzory pro měření tlaku a) Co je to piezo-rezistivní jev? b) Jaký je rozdíl mezi absolutním (absolute), relativním (gauge) a diferenčním (differential) tlakovým em? c) Jak se z naměřené hodnoty výstupního napětí (např U X =5V), znalosti napájení u (např. 10V), zesílení vyhodnocovacího obvodu A[-] =100 a údaje o citlivosti u např. 10mV/V.psi vypočte působící tlak p [psi]? d) Jaké výhody má se snímacími elementy zapojenými do plného 4-ramenného můstku? Úkol měření 1) Zjistěte offset a citlivost relativního u tlaku Honeywell 24PCCFA6G zapojeného v přípravku s manžetou pro měření krevního tlaku. 2) Pomocí osciloskopu a přípravku s tlakovou manžetou změřte krevní tlak a tepovou frekvenci vybraného dobrovolníka. Průběh z osciloskopu si zaznamenejte. 3) Zprovozněte demonstrační kit převodníku delta-sigma ADS1281 (Texas Instruments) v režimu MultiScope (vzorkuje a zobrazuje vstupní signál, počítá střední hodnotu napětí). 4) K AČ převodníku připojte přípravek s absolutním em tlaku. Změřte postupně výstupní napětí přípravku (atmosférický tlak) v rozdílných výškách, v rozsahu 0, 20, 40, 60, 80cm. 5) K AČ převodníku připojte přípravek s diferenčním tlakovým snímačem, který v daném uspořádání měří průtok vzduchu trubicí. Změřte závislost tlakového rozdílu na průtoku vzduchu (součtu frekvencí otáček pohonných ventilátorů), alespoň v pěti bodech. Nepovinné (pro zvídavé studenty) 6) Podívejte se na tři testovací režimy (MultiHistogram, MultiFFT, MultiScope), ve kterých je schopen demonstrační software ADCPro pracovat. Jaké veličiny charakterizují AČ převodník? Postup měření 1) Při nulovém působícím tlaku (ventil u pumpovacího balónku plně otevřen) odečtěte offset výstupního napětí přípravku. Uzavřete ventil, přívod k tlakové manžetě přehněte a stlačte prsty (manžeta se nesmí nafukovat bez vloženého předmětu - paže), natlakujte opatrně na 200mmHg (dle údaje deformačního tlakoměru) a odečtěte výstupní napětí. Z těchto údajů je možné určit lineární aproximaci závislosti tlaku na výstupním napětí přípravku. 2) Výstup z přípravku připojte k osciloskopu. Pro měření použijte dva paralelně propojené kanály osciloskopu. První kanál bude nastaven do režimu stejnosměrné vazby (DC) a bude indikovat stejnosměrnou složku signálu odpovídající tlaku v manžetě (citlivost přibližně 1V/dílek). Druhý kanál nastavený do režimu střídavé vazby (AC) indikuje tzv. Korotkovy zvuky impulzy viz. obrázek níže (citlivost 10mV/dílek). Osciloskop nastavte do režimu ROLL časové základny (přibližně 1-2sec/dílek). Nasaďte manžetu na paži, natlakujte přibližně na 170mmHg a jemným povolováním ventilu u balónku snižujte tlak. Měření ukončete (zastavte průběh na osciloskopu) až bude na stínítku zobrazen průběh dle obrázku. Strana 1 (celkem 6)
Ch1 AC Ch2 DC OSC 3) Zapněte Laptop (Student/Student), spusťte aplikaci ADCPro (na ploše). Zapněte napájecí zdroj pro demonstrační kit AČ převodníku (BK125, ±15V, +5V). V programu ADCPro aktivujte v menu EVM položku ADS1281DEVKIT. V menu TEST vyberte položku MultiScope. Měření spustíte stiskem tlačítka Acquire (Continuous). 4) Výstup přípravku s absolutním em tlaku připojte k vstupnímu BNC konektoru AČ převodníku. Zapněte napájecí zdroj (BK125 ±15V). V režimu MultiScope změřte výstupní napětí přípravku pro požadované výšky. p 1 Absolutní tlakový NAPÁJECÍ ZDROJ ±15VDC Proudové napájení můstku a zesílení výstupního signálu Voltmetr ADS1281 Development Kit 5) Výstup přípravku s diferenčním em připojte k vstupnímu konektoru AČ převodníku. Zapněte napájecí zdroj pro pohonné ventilátory (~14V, 3A), BNC konektory A a B na přípravku pro napájení ventilátoru připojte k osciloskopu jsou výstupem signálu, který indikuje rychlost otáčení ventilátorů. Změřte závislost výstupního napětí diferenčního snímače na průtoku vzduchu (otáčkách ventilátoru: A+B). Měření proveďte v pěti bodech v celém rozsahu nastavitelných otáček (nastavení potenciometrem na panelu přípravku pro napájení ventilátorů). Co se stane když výstup trubice ucpete dlaní (při nenulových otáčkách ventilátorů)? ZDROJ 14V DC 3A VÝSTUPY SNÍMAČŮ OTÁČENÍ RYCHLOST OTÁČENÍ Ch1 Ch2 OSC f 1 +f 2 =? Směr proudění vzduchu Diferenční tlakový p 1 p 2 Přepážka (orifice) NAPÁJECÍ ZDROJ ±15VDC Proudové napájení můstku a zesílení výstupního signálu Voltmetr ADS1281 Development Kit Strana 2 (celkem 6)
Poznámky k měření 1) Zapojením u v přípravku je dán nenulový výstupní offset pro nulový působící tlak. Ideální je proměřit převodní charakteristiku u ve více bodech, ale pro požadovaný účel je dvoubodová kalibrace dostačující. Zjistíme U OFFSET (při p=0) a U 200 (při p=200mmhg). Tlak pak odečteme z osciloskopu pro hodnotu napětí U X jako: U X UOFFSET 200 V p U 200 U mmhg ;, mmhg OFFSET V Relativní tlakový měří tlak ve vstupním tlakovém portu vůči okolní atmosféře (druhá strana membrány je otevřena do okolního prostoru). 2) Měření krevního tlaku zvýšíme tlak v manžetě cca na 170 mmhg. Sledujeme signál na osciloskopu. Při příliš vysokém tlaku v manžetě jsou na signálu vidět pouze menší pulsy. Při pomalém snižování tlaku (cca 2-3 mmhg/s) se začínají objevovat Korotkovy pulsy, které jsou zřetelně viditelné i na osciloskopu. Při dalším snižování tlaku Korotkovy pulsy úplně vymizí. Elektronický automatický tonometr zjišťuje maximální hodnotu amplitudy pulsů při snižování tlaku v manžetě. Definic pro určení systolického a diastolického tlaku je několik. Asi nejpoužívanější procentuální hodnoty jsou uvedeny na obrázku. Systolický tlak Ps je určen jako nárůst amplitudy pulsů na 50% maximální hodnoty, zatím co diastolický tlak je určen jako pokles amplitudy pulsů na 85% maximální hodnoty. Po změření tlaku je možné aktuální stav displeje zmrazit pomocí tlačítka RUN/STOP a pomocí kurzorů je možné změřit důležité parametry signálu jako je tepová frekvence f. 3) Obvod ADS1281 od Texas Instruments patří v současné době k nejlepším (běžně komerčně dostupným) integrovaným delta-sigma AČ převodníkům. Poskytuje výstupní slovo ve 32-bitovém formátu, efektivní rozlišení (ENOB Effective Number Of Bits) přibližně 22-23bitů (závisí na vzorkovací frekvenci f S max 4kSa/s). Rozlišení 23 bitů přibližně odpovídá 6,5 místnému digitálnímu voltmetru. Program ADCPro v režimu MultiFFT zobrazuje frekvenční spektrum měřeného signálu, lze z něj vyčíst důležitý parametr poměr signál šum, či poměr amplitudy šumu k rozsahu převodníku (Full Scale 5V). Režim MultiHistogram zobrazuje naměřená kódová slova ve formě sloupcového grafu. Rozložení kódových slov (binů), jejich rozptyl dále charakterizují AČ převodník. Časový průběh měřeného signálu je pozorovatelný v režimu MultiScope. Největší přesnosti dosáhneme nastavením vzorkovací frekvence na 250Sa/s. Pokud nastavíme délku záznamu na 256 vzorků, bude údaj o střední hodnotě obnovován přibližně jednou za sekundu. V režimu MultiScope byl do programu dále přidán 16-ti stupňový FIR filtr, nakonfigurovaný jako tzv. klouzavý průměr (redukce šumu). Strana 3 (celkem 6)
Program ADCPro, z menu EVM se spustí modul ADS1281EVM-PDK (obr. dole), z menu Test pak modul MultiScope. Strana 4 (celkem 6) 4) Měření absolutního tlaku zemské atmosféry se používá pro zjištění nadmořské výšky. Absolutní obsahuje komůrku s referenčním tlakem (často různě kvalitní vakuum) vůči kterému působí přes membránu tlak měřený. Atmosférický tlak klesá s rostoucí výškou přibližně o 11.5 Pa na jeden metr. Mějme s rozsahem 15psi (pound square inch) = 103421Pa, s citlivostí 90mV/15psi (při napájení 12VDC), přístrojový zesilovač zapojený na výstup u zesílí výstup 25,7x. Senzor je ve skutečnosti napájen zdrojem konstantního proudu I = 1,57mA (odstraňuje vliv přívodních vodičů, teplotní kompenzace, viz katalogový list) čemuž odpovídá napětí na u 7,35VDC. Při zvýšení polohy u o 1metr by se tedy výstupní napětí mělo zmenšit o 158µV. 5) Diferenční měří rozdíl dvou tlaků přivedených k u dvěma vstupními porty. Výstup je nezávislý na absolutním tlaku média. Tento typ u se v praxi používá například pro zde použité měření průtoku. Výhody u průtoku
s přepážkou (orifice): velmi robustní a jednoduché (žádné pohyblivé součásti), dobrá přesnost měření. Nevýhody: dochází k tlakové ztrátě (nutný výkonnější pohon ventilátor). Ventilátory jsou napájeny konstantním napětím (12V), jejich výkon je řízen pomocí PWM (samostatný řídící vstup), ventilátory poskytují signál indikující rychlost otáčení (2 pulzy na 1 otáčku). Doporučené umístnění tlakových portů pro měření tlakové diference na přepážce. Proudění a tlakový profil v trubici. Obrázky převzaty z: ISO 5167-2 Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular-cross section conduits running full Strana 5 (celkem 6)
Příloha: Senzory tlaku, rozdíl mezi absolutním, relativním a diferenčním em tlaku. p[kpa] p A =169kPa p G =60kPa p D =-20kPa 100 p A =101kPa p G =20kPa atmosférický tlak p D =27kPa p A =64kPa (absolutní nula, 0 ideální vakuum) absolutní p G =-68kPa relativní p D =40kPa diferenční p 1 vakuum (~0kPa) p 1 atmosféra (~101kPa) p 1 p 2 Zapojení použité pro buzení ů při měření diferenčního a absolutního tlaku (proudové napájení), zesílení výstupního signálu (reference REF5025 2.5V, operační zesilovač OPA277, přístrojový zesilovač AD8221). Výhody použití můstku se čtyřmi aktivními elementy (např. piezorezistory) lineární výstup pro napěťové i proudové buzení, čtyřnásobná citlivost oproti jednomu elementu, automatická kompenzace vlivu změny teploty měřících elementů při proudovém napájení můstku (kompenzace citlivosti). Můstkové zapojení oproti zapojení bez můstku - snazší zpracování (zesílení typicky 10x až 10000x) výstupního signálu (zesiluje se malý signál, ne malý signál na velkém offsetu). Piezorezistivní jev změna odporu polovodičového materiálu vlivem působení mechanického napětí. Narozdíl od piezoelektrického jevu nedochází ke generování náboje-napětí. Strana 6 (celkem 6)