Érzékelők
(Sensors)

Módosítva: 2005. 07. 09.

Ma már a mikrokontrollerek korában, szinte olyan vezérlőt vagy szabályzót építünk amilyet csak akarunk. De mit sem ér a kitűnő, szuper intelligens elektronika ha nincs mivel vagy hogyan érzékelni a szabályozni kívánt fizikai közeget! Ezt a fizikai közegváltozást kell átalakítanunk valamilyen arányos villamos, pl: ellenállás, áram, feszültség, kapacitás, stb. jelváltozássá. Ezt a feladatot végzik el az érzékelők.
A gyárilag kialakított érzékelőkből rengeteg féle létezik. Van: fordulatszám, hő, mozgás, gyorsulás, nyomás, páratartalom, gáz fajta, közeg áramlás, fény, fém, közelítés, szín, súly, mágneses tér és folyadékszint-érzékelők.

Egy kis ízelítő a házilag kivitelezhető hőmérséklet-érzékelők elvéből és gyakorlati megvalósításából:

* Elektronikus hőmérséklet-érzékelők

a) A X.8. ábrán látható, egyszerűen megvalósítható kapcsoláshoz csupán egy dióda (pl. 1N4148), és egy, a dióda belső ellenállásához képest nagy értékű (10-100 kW) ellenállás szükséges. Az érzékelő-diódán mérhető feszültség

X. 8. ábra

hőmérsékletfüggése - állandó diódaáram esetén - a X.9. ábrán látható. A grafikonról leolvasható, hogy a félvezető
szilíciumdióda nyitóirányú feszültsége °C-onként kb. 2 mV-tal változik (a hőmérséklet növekedésével csökken). Ez a

X. 9. ábra

változás aránylag nagy hőmérséklet-tartományban lineárisnak tekinthető, és a DU = k(T1 - T2) összefüggéssel írható le, ahol k anyagi állandó, értéke germániumdióda esetén kb. - 2,2 mV/°C, szilíciumdiódára -1,8mV/°C.

b) A kereskedelemben egyre több olyan speciális elektronikus hőérzékelő kapható, amelyekkel egyszerűen és pontosan mérhető a hőmérséklet. Az LM 335-ös hőmérséklet-érzékelő IC kimeneti feszültsége a X.10. ábrán bemutatott kapcsolásban 10 mV-ot változik kelvin fokonként. (A kimeneti feszültség 0 °C-on 2,73 V.)

X. 10. ábra

    Az eszközzel -10°C és  + 100 °C hőmérséklethatárok között mérhetünk. A feszültséget célszerű digitális műszerrel mérni. Így a mV-ban leolvasott feszültség - számértékben - pontosan megegyezik a mért hőmérséklet 0,1 K pontosságú értékével. A kapcsolásban alkalmazott 10 kW-os trimer-potenciométer segítségével állítható be a 10 mV/K-es érték (pl. 100 °C-nál 3,73 V). Az előtét-ellenállás csupán a max. 5 mA-es áramerősség korlátozásához szükséges.
    Hasonló elvi megoldást mutat a X.11. ábrán látható, LM 3911-es IC-t tartalmazó kapcsolás. A kiegészítő negatív tápfeszültség alkalmazásával lehetőség nyílhat nagyobb pontosság elérésére is.

X. 11. ábra

* Ellenállás-hőmérők

Fémek és félvezetők elektromos ellenállása függ a hőmérséklettől. Mivel az elektromos ellenállást, illetve ennek változásait igen pontosan lehet mérni, az ellenállásmérést pontos hőmérsékletmérésre használhatjuk fel.

a) Fém ellenállás-hőmérők. Fémek esetén a r fajlagos ellenállás hőmérsékletfüggése a


 

hatványsorral írható le. A kifejezésben ro a t = 0 °C hőmérsékleten mért fajlagos ellenállást jelöli, a és b anyagi minőségtől függő állandó. Nem túl magas hőmérsékletek esetén (pl. 0-100 °C-ig) már a hatványsor négyzetes tagja is elhanyagolható. Ha tehát  egy fémszál ellenállása t = 0 °C hőmérsékleten Ro, t hőmérsékleten mért ellenállása Rt, úgy a t hőmérséklet a


 

 

 

kifejezéssel adható meg. Az a ún. "hőmérsékleti tényező" értékének meghatározásához a huzal ellenállását a víz forráshőmérsékletén is meg kell mérni.

b) Ellenállás-hőmérő készítése. Ellenállás-hőmérő készítésére néhány tized milliméter átmérőjű platina-, ötvözetlen réz- vagy nikkelhuzalt ajánlunk. Tekerjünk fel egy kb. 10 cm hosszú üvegcsőre 40-50 W összellenállású fémhuzalt, majd néhány órán át izzítsuk ki, végül helyezzük be egy vékony falú, alul beforrasztott üvegcsőbe! Az üvegcső felső végét zárjuk le póluscsavarokkal felszerelt dugóval!
    Az ellenállás-hőmérő kalibrálásához mérjük meg a huzal ellenállását olvadó jégben (Ro), majd forrásban lévő vízben (R1oo), és határozzuk meg a fenti összefüggésben szereplő együttható értékét!

c) Félvezető ellenállás-hőmérők (termisztorok). A kereskedelemben készen kaphatók hőmérséklet-érzékeny félvezető ellenállások, a termisztorok. Anyagukat tekintve nehézfém-oxidokból készült kerámiák, ellenállásuk hőmérsékleti tényezője általában nagyobb, mint a fémeké. A termisztorok két csoportba oszthatók: - negatív hőmérsékleti együtthatójú ellenállások (NTK-ellenállások), - pozitív hőmérsékleti együtthatójú ellenállások (PTK-ellenállások).

d) NTK-termisztorok. Az NTK-termisztorok ellenállása a hőmérséklet emelkedésével exponenciálisan csökken:



 

ahol A és B anyagi állandók. A hőmérsékletmérés A és B paraméterek ismeretében az Rt ellenállás mérésére vezethető vissza:


 

 

Az A és B állandók értékét egyszerű kalibráló méréssel határozhatjuk meg. Merítsük a termisztort olajfürdőbe, és melegítsük azt lassan, kb.150 °C-ig! Egy digitális ellenállásmérő kéziműszerrel mérjük meg a termisztor - különböző hőmérsékletekhez tartozó - ellenállását (a kalibrálásnál a hőmérsékletet higanyos hőmérővel mérjük)! Ábrázoljuk a mért ellenállások logaritmusát (ln Rt) az abszolút hőmérséklet reciprokának (1/T) függvényében! A mérési pontokra egyenes illeszthető:


 

Az egyenes meredekségéből B, a tengelymetszetből A értéke meghatározható. Nem túl nagy hőmérséklet- tartományban a NTK-termisztor hőmérsékletfüggése az


 

lineáris függvénnyel jól közelíthető. Itt RTo a termisztor T = 273 + to hőmérsékleten mért ún. "hidegellenállása", a a
félvezető hőmérsékleti tényezője. Az a értéke az anyagi minőségtől és a to hőmérséklettől függ. A kereskedelmi katalógusokban a termisztorokat Rto és ato értékek megadásával jellemzik, megadják továbbá, hogy milyen maximális áramerősségig használható az adott termisztor. Ez utóbbira azért van szükség, mert a termisztor a túl nagy áram hatására is melegedhet, ettől ellenállása tovább csökken, ami újabb áramnövekedést, illetve további melegedést eredményez.
    Ha az NTK termisztort kis hőmérséklet-változások mérésére használjuk, célszerű azt ellenálláshídba kapcsolni. Ilyen összeállítást láthatunk a X.7. ábrán.

  
X. 7. ábra

    A Wheatstone-híd elvén működő elektromos hőmérőt, pontosabban ennek indikáló árammérőjét a P potenciométerrel kinullázhatjuk. Ekkor a műszeren nem folyik áram. Az Rt termisztor ellenállásának megváltozása a híd egyensúlyának megbomlásához vezet, és a középállású műszer - a hőmérsékletváltozástól függően - balra vagy jobbra kitér. A műszer skálázásával közvetlen hőmérséklet-kijelzést is megvalósíthatunk. A hídkapcsolásos megoldások általában stabil tápfeszültséget igényelnek, jelen esetben azonban kielégítő eredményt érhetünk el egy Z-diódás stabilizálással is.

e) PTK-termisztorok. A PTK-termisztorok ellenállása a hőmérséklet növekedésével nő. Ez a növekedés, egy a termisztorra jellemző küszöbhőmérséklet fölött igen gyors ütemű. A függvény kis hőmérséklet-tartományban ismét lineárisnak tekinthető. A PTK-termisztorok jellemzésére a Tk küszöbhőmérséklet értékét és az a hőmérsékleti tényezőt használják. PT100-as termistor illesztése ADC fokozathoz ezzel a kapcsolással megoldható.

* Termoelem

Különösen kis hőkapacitású rendszerek hőmérsékletének mérésére általában termoelemet használunk. Magas hőmérsékletek mérésére (kb. 1700 °C-ig) ugyancsak a termoelemek a legalkalmasabb mérőeszközök. A termoelemek két különböző anyagú, egyik végükön összeforrasztott (összehegesztett, esetleg csak erősen összecsavart) drótból állnak. Ez a pont a termoelem ún. "érzékelőpontja". Ha a szabadon maradt két huzalvéget galvanométerhez vagy digitális feszültségmérő műszerhez csatlakoztatjuk, majd a fémesen érintkező másik drótvégeket (az érzékelő pontot) megmelegítjük, a műszer feszültséget jelez. A jelzett ún. termofeszültség hőmérsékletfüggő.
    A leggyakrabban alkalmazott termoelemek vas- és konstantán-, illetve réz- és konstantándrótból készülnek. (A konstantán 55 % Cu és 45% Ni ötvözet.) A vas-konstantán termoelemek -200 °C- +1000 °C hőmérséklet-tartományban használhatók A forrasztási pont hőmérsékletét 1 °C-kal növelve, 0,00005 V termofeszültség-növekedés adódik A réz-konstantán termoelem -200 és +600 °C hőmérséklethatárok közt alkalmazható, 1 °C hőmérsékletváltozásra 0,00004 V feszültségváltozást ad. Tudományos vizsgálatoknál +1700 °C-ig  platina-platinaródium, illetve a nikkel-krómnikkel (0 °C-tól +1200 °C-ig) termoelemeket használják. A kereskedelemben kapható termoelemek vékony vezetékeit egymástól elszigetelve, fémtokba zárják. A fémtokot megbontani nem szabad, a termoelem a cső végén lévő kivezetések segítségével csatlakoztatható a mérőműszer áramkörébe. A könnyebb felismerhetőség céljából a termoelemeket egyezményes színjelzésekkel látják el. (A réz- konstantán termoelem színe barna, a vas-konstantáné kék, a nikkel-krómnikkelé zöld, a platina- platinaródiumé fehér.)

* Házi termoelem készítése

Egy konstantán- és egy rézdrót végét csiszolóvászonnal gondosan tisztítsuk meg! A megtisztított drótvégeket laposfogóval összeszorítva, csavarjuk szorosan össze, majd az összecsavart részt kalapáccsal lapítsuk el! A két drótvég fémes érintkezését ponthegesztéssel vagy forrasztással is biztosíthatjuk. Az utóbbinál mindkét megtisztított huzalvéget először olvadt forrasztóónba merítjük, majd a két véget kissé összecsavarva gázlángban összeforrasztjuk. Forrasztott elemnél nem szabad megfeledkezni arról, hogy az ilyen termoelem csak kb. 180 °C-ig, a forrasz olvadáspontjáig használható. Házi termoelem készítésekor a drótok ne legyenek túl vékonyak, átmérőjük legalább 0,5 mm legyen. Az ennél vékonyabb huzalok könnyen szakadnak, a velük való munka különös figyelmet, körültekintést igényel. A termoelem megbízható működésének feltétele, hogy a két különböző fémhuzal csak egy ponton érintkezzen. Ezt biztosíthatjuk, ha a két drótot e célra kapható vékony falú kerámiacsőbe húzzuk be.
    A termofeszültséget digitális feszültségmérő műszerrel vagy tükrös galvanométerrel mutathatjuk ki. A galvanométer belső ellenállása lényegesen nagyobb kell hogy legyen, mint a termoelem belső ellenállása.
    Egyetlen termoelem csak kis termofeszültséget ad. Ezt megsokszorozhatjuk, ha egyforma termoelemeket sorosan összekapcsolunk.

* Hőmérsékletmérés mikroszámítógép alkalmazásával

    A mikroszámítógép elsődlegesen feszültség és frekvencia mérésére használható. A hőmérséklet méréséhez olyan érzékelőt (termoelem, speciális félvezető hőérzékelő, NTK-, PTK-, illetve fémellenállások) kell a számítógéphez csatlakoztatni, amely a hőmérséklettől függő feszültséget jelez, illetve amely - pl. a hőmérsékletfüggő ellenállása által - egy alkalmas elektromos rezgőkör frekvenciáját a hőmérséklet függvényében változtatja. A feszültségmérésen keresztül történő hőmérsékletmérés megvalósításának egy elvi vázlatát mutatja a X.13 ábra. 

   
X. 13. ábra

Az érzékelő kimenetén egy, a hőmérséklet által meghatározott feszültség lép fel, amelyet általában egy A/D átalakítóval mérünk. Az A/D konverter által küldött jelek a mikroszámítógép egy alkalmas bemenetére kerülnek. A gépbe érkező jelek, adatok, szoftver útján lekérdezhetők, tárolhatók.
    A másik, gyakran alkalmazott módszer az, amikor az érzékelőtől jövő ellenállás- vagy feszültségértéket frekvenciává konvertáljuk (X.14. ábra). 

 


 
X. 14. ábra

Ennek a módszernek az előnye egyrészt a konverter viszonylagos olcsósága az A/D átalakítóval szemben, másrészt az, hogy csupán egy csatorna szükséges a méréshez. (Az A/D átalakítók gyorsasága a hőmérsékletmérésnél nem előny, mivel az érzékelők hőtehetetlensége többnyire nagyobb, mint a két mérés között eltelt idő.)
    A feszültség-frekvencia-konverter kereskedelmi forgalomban beszerezhető, vagy házilag elkészítendő, géptípushoz illeszkedő interfész.
    Házi célokra megfelelő R/f konverter építhető a jól ismert NE 555-ös időzítő IC segítségével (X.15. ábra) vagy az I.29. ábra alapján. A frekvencia függése az ellenállástól elég pontosan leírható az


 

összefüggéssel. Az interfész TTL szintű tápfeszültségről már működik.

 

 

X. 15. ábra
 
 

I. 29. ábra

Előfordulhat, hogy a számítógép (mikrokontroller)  rendelkezik olyan bemenetekkel, amelyekre jelillesztéssel csatlakoztatható az ismeretlen mérendő feszültség, illetve ellenállás (ezen utóbbi, PC esetén akár a joystick-bemenet is lehet).