SNÍMACIA ČASŤ

V tejto časti práce sa pokúsime objasniť základné pojmy súvisiace so súčasťami meracieho zariadenia. Mal by to byť úvod do problematiky snímania signálov a ich spracovávania. Objasnenie toho ako sa z analógového údaja stáva digitálny.

Snímač

Tvorí prakticky vstupný prvok meracieho reťazca, ktorý nepretržite sleduje určenú fyzikálnu veličinu v danom prostredí. Svojimi fyzikálnymi vlastnosťami predstavuje filter druhu a veľkosti meranej veličiny. Poruchové vplyvy nedokonale odfiltrovaných veličín sú potláčané konštrukciou snímača alebo upravením a dobrom spracovaním signálu v meracom reťazci. Keďže svojimi vlastnosťami zásadne ovplyvňuje parametre celého meracieho kanála, má dominantné postavenie v štruktúre meracieho reťazca.

Termistor NR 355 20K U

Presný a stabilný lakovaný termistor má odpor 20 Ohmov a vyznačuje sa dobrou dlhodobou stabilitou ako aj miniatúrnymi rozmermi. Teplotný rozsah: -30 ^oC až 120 ^oC (viď graf). Časová konštanta je asi 12s. Výrobca: PMEC Šumperk.

Polovodičové odporové snímače teploty využívajú závislosť odporu na teplote. V priemyselnej technike sa na priame meranie už používajú len termistory - negastory. Označujú sa ako NTC (z angl. Negative Thermal Coefficient). Ich použitie je ovplyvnené vonkajšími podmienkami (striedavé tepelné namáhanie, vlhkosť, možné otrasy), v ktorom dosahujú dosť dobrú opakovateľnosť merania. Negastory sú termistory so záporným teplotným koeficientom odporu. Vyrábajú sa práškovou technológiou so zmesi oxidov (Fe₂O₃ + TiO₂ ; MnO + CoO ). Teplotné rozsahy termistorov sa pohybujú od bežných -50 ^oC do 100 ^oC až do extrémnych rozsahov teplôt -268 ^oC do 1000 ^oC.

Zo štúdia pevných látok je jasné, že v kovoch je kryštálová mriežka tvorená kladnými iónmi medzi ktorými sa neusporiadane pohybujú valenčné elektróny. Tieto sú spoločné pre všetky atómy kovu a môžu sa v ňom voľne pohybovať. Vlastnosť kovov viesť elektrický prúd prostredníctvom voľných elektrónov sa volá elektrónová vodivosť kovov. Teória elektrónovej vodivosti kovov vychádza z poznatku, že elektrický prúd v kovoch tvoria iba voľné elektróny s energiou s hodnotou okolo tzv. Fermiho energie. Pre daný kov je to maximálne kinetická energia elektrónov v kryštály kovu pri absolútnej nule. Elektróny spĺňajúce túto podmienku nazývame vodivostné elektróny. Tieto konajú v kove pohyb. Stredná rýchlosť tohto pohybu je cca 105ms^-1 až 106ms^-1. Jej zmena vzhľadom k teplote je pri to zanedbateľná. Týmto sa vodivostné elektróny odlišujú od molekúl ideálneho plynu. ZO zákona zachovania energie vyplýva, že drôtom samovoľne neprechádza elektrický prúd z jedného konca na druhý. Toto je tiež dokumentované tým, že v dôsledku tepelného pohybu vodivostných elektrónov v kove, ktorý nie je v elektrickom poli sa celkový náboj prenesený týmito elektrónmi ľubovoľným prierezom vodiča rovná nule. Z hľadiska elektrónovej vodivosti kovov sa elektrický odpor zväčšuje pri zvyšovaní teploty kovového vodiča v dôsledku zväčšenia rozkmitu kmitajúcich iónov mriežky. To má za následok častejšie zrážky vodivostných elektrónov s iónmi mriežky, čo sa prejavuje zmenšením hodnoty elektrického prúdu vo vodiči alebo zväčšením odporu vodiča.

Signálový prevodník

Prevádza odpor získaný z termistora na napätie v rozsahu -5V až +5V a takto spracovaný signál prevádza do meracích kanálov AD prevodníka. Softwarovo je jeho funkcia spracovanie nelineárnej prevodovej charakteristiky termistora NR 355 20K U. Keďže znalosti v oblasti konštrukcie takýchto prevodníkov nemáme na vysokej úrovni, na konštrukcii a návrhu tohto prvku sme spolupracovali s diplomantmi FEI. Po vzájomných konzultáciach sme nakoniec prišli k uspokojivému výsledku. Prevodová tabuľka je uvedená na ďalších stranách.

Merací modul AD 232

Merací prevodník transformuje prirodzený signál zo snímača na požadovaný druh a hodnotu fyzikálnej veličiny, ktorá je lepšie spracovateľná v ďalšom postupe. Ide o modul integračného prevodníka napájaného a komunikujúceho po sériovej linke RS 232. Je vhodný najmä na meranie malých signálov z čidiel. Tento prevodník bol zvolený kvôli svojej priateľnej cene (aj pre školy) a faktu, že je externý. Programovo je kompatibilný so všetkými typmi počítača (od PC 386 vyššie). Softwarová časť nepotrebuje nijaké knižnice. Jeho použitie je teda univerzálne. Technické údaje: napájanie a komunikácia po RS 232 rozlíšenie: + - 18 bitov rozsah: + - 0,5 V alebo + - 5 V 4 diferencované vstupy presnosť + - 0,02 % z údaju + 0,008 % z rozsahu na rozsahu 0,5 V presnosť + -0,05% z údaju + 0,008% z rozsahu na rozsahu 5 V doba integrácie vstupného napätia: 20 ms, doba prevodu 65 ms šum typ 15 uVef

Schéma prepojenia AD 232 s PC

Popis činnosti meracieho modulu AD 232

Jadrom modulu AD232 je integračný AD prevodník so vstupným rozsahom + - 0,5 V a rozlíšením + - 18 bitov (to je 19 bitov vrátane znamienka). Vzhľadom k vlastnému šumeniu je využiteľné rozlíšenie pre jedno meranie asi + - 15 bitov. Dá sa dosiahnuť aj vyššie rozlíšenie, no pri tom treba urobiť viac meraní a výsledok priemerovať. Presnosť rozsahu je určená referenčným napätím odvodením od referenčného obvodu TL431 pomocou presného a stabilného deliča s doštičkovým odporom. Pre zväčšenie univerzálnosti modulu bol prevodník doplnený o delič na rozšírenie rozsahu na + - 5 V a o 4 diferencované vstupy.

Výrobca: JanasCard, Česká Republika