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
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
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.)
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.
* 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).
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.
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).