4 Laboration 4. Brus och termoemk 4.1 Laborationens syfte Detektera signaler i brus: Detektera periodisk (sinusformad) signal med hjälp av medelvärdesbildning. Detektera transient (nästan i alla fall) signal (pulståg) med hjälp av filtrering. Jämför brusegenskaper för olika operationsförstärkare. Studera temperaturmätning med termoelement (termoemk) och Pt100. 4.2 Förberedelseuppgifter Studera laborationsinstruktionen och utför de uppgifter som inte är av laborativ karaktär, som t ex: Hur man justerar inspänningens offsetinställning. Hur man konstruerar ett passivt lågpassfilter av ett motstånd och en kondensator. Hur termoelementet ska kopplas till labförstärkaren för att få förstärkningen 100 ggr. Svara på frågorna om termoemk och Pt100. 4.3 Utrustning och komponenter Operationsförstärkare OP07, 356 och 741. Diverse motstånd, kondensatorer och potentiometer. Kylare med påmonterat effektmotstånd, termoelement och Pt100. Signalgenerator som kan leverera pulser med varierbar pulsbredd och pulsfrekvens. Två digitalvoltmetrar,ett spänningsagregat och ett standardoscilloskop Oscilloskop som kan medelvärdesbilda signaler 4.4 Laborationsuppgifter 4.4.1 Detektering av signaler i brus U s R 1 356 R 2 R 3 Uo R 4 Figur 23. Generering av brusig signal Koppla upp enligt kretsbeskrivningen i figur 23. (Se i datablad hur operationsförstärkaren ska kopplas in). Låt signalgeneratorn U s genera en sinussignal med frekvensen 10 khz och amplituden 100 mv. Välj R 1 = 1 MΩ, R 2 = 100 Ω, R 3 = 100 kω och R 4 = 100 Ω. Mata operationsförstärkaren med ± 15 Volt. Justera ingångsspänningens offset så som beskrivs i laboration 1, bryggmätning. Observera att potentiometern monteras olika för de olika operationsförstärkarna som används i denna lab (se datablad för respektive OP07, 356 och 741). För 356 och 741 kan det vara lämpligt att seriekoppla potentiometern på 10 kω med ett (eller två) motstånd på 10 kω. Mät U o med vanligt Laborationer i Mätteknik 36
oscilloskop. Kan du få oscilloskopet att trigga på denna signal? Jämför brusamplituden med signalamplituden och beskriv signalens utseende: 4.4.2 Detektering av signaler i brus med hjälp av periodisk medelvärdesbildning För att förbättra detekteringen av signalen kan signalen medelvärdesbildas. Ett oscilloskop (Tektronix TDS 320) med möjlighet att medelvärdesbilda signalen finns för detta ändamål tillgängligt i labsalen. Eftersom vi endast förfogar över ett oscilloskop med denna egenskap i varje labsal måste denna uppgift göras när oscilloskopet blir tillgängligt. Om oscilloskopet är upptaget, gå då till nästa uppgift och återgå till denna när oscilloskopet blir ledigt. Handledaren bör ha förinställt oscilloskopet för medelvärdesbildning med 256 sampel, med tidsskalan inställd på 50 µs per ruta och amplituden för kanal 1 inställd på 5 mv per ruta. Anslut signalen till kanal 1. Tryck på knappen ACQUIRE och välj menyalternativ Average så kan antalet sampel väljas mellan 2 och 256 med vridratten ovanför gruppen VERTICAL. Jämför den medelvärdesbildade signalen med föregående mätning: 4.4.3 Detektering av korta pulser Behåll samma koppling som i föregående uppgift, men byt ut resistansen R 3 mot 1 kω så att förstärkningen blir ungefär 10 gånger. Låt signalgeneratorn generera fyrkantpulser med bredden 12 µs, periodtiden 120 µs och amplituden 0,5 V. Försök att trigga på utsignalen från operationsförstärkaren! Lyckas det? (Du kan koppla in signalen från signalgeneratorn till den andra oscilloskopingången för att få en referens). 4.4.4 Detektering av korta pulser med hjälp av filtrering Genom att lågpassfiltrera den brusiga signalen kan vi få en renare signal som förhoppningsvis är lättare att trigga på. Koppla upp ett passivt lågpassfilter mellan operationsförstärkarens utgång och oscilloskopet bestående av ett motstånd på 1 kω och en kondensator med värdet 10 nf. Detta ger ett filter med tidskonstant ungefär 0,8 gånger pulsbredden. Visserligen kommer vi då att få en distorderad puls, men förmodligen lätttare att detektera. Om vi vill ha en snyggare puls kan vi i så fall återskapa den i efterhand. Försök att trigga på den filtrerade signalen. Resultat: 4.4.5 Brusegenskaper för några olika operationsförstärkare I denna uppgift ska bruset från operationsförstärkare OP07, 356 och 741 jämföras. Koppla alla operationsförstärkare enligt grundkopplingen i figur 24. Mata operationsförstärkarna med ± 15 Volt. Inspänningens offset måste justeras på alla operationsförstärkare! Observera att justeringspotentiometern ska kopplas olika för de olika operationsförstärkarna, se datablad. Laborationer i Mätteknik 37
10 Ω 356 100 kω 10 Ω U o Figur 24. Koppling för att mäta brus från operationsförstärkare Vilken operationsförstärkare förväntas ha bäst brusegenskaper? Vilken tror du är sämst? Mät bruset från de tre operationsförstärkarna! Ett sätt att göra det är att mäta samma signal med båda oscilloskopingångarna. Skjut ihop signalerna med offsetratten på oscilloskopet så att den ena signalens undre kant nätt och jämt tangerar den andra signalens övre kant på ett sådant sätt att signalerna flyter ihop till en bred brusmatta med jämn homogen ljusintensitet. Skillnaden mellan de båda ingångarnas offset ger då ett mått på bruset. Tänk på att bruset förstärks i operationsförstärkaren! Resultat: Komponent Brus (V) OP07 356 741 4.4.6 Temperaturgivare Förklara kortfattat vilken fysikalisk princip som ligger bakom begreppet termoemk. Hur fungerar termoelement som bygger på denna princip? Hur stor är spänningsgradienten (i V/ºC) för ett typiskt termoelement (t ex termoelement av typ K)? Laborationer i Mätteknik 38
Resistansgivaren Pt 100 finns för mätområden från 250 ºC till 800 ºC. Vad står Pt för? Vad står 100 för? Vad är resistansändringen vid ändrad temperatur? ( Ω/ºC) 4.4.7 Temperaturmätning med termoelement och Pt 100 Du ska kalibrera ett termoelement med en Pt100givare som referens. Pt100givaren och termoelementet sitter monterade på en kylfläns tillsammans med ett effektmotstånd på 10 Ω. Se figur 25. Termoelement Pt 100 Effektmotstånd Figur 25. Kylfläns med påmonterat termoelement, effektmotstånd och Pt100givare. Koppla Ptgivaren enligt figur 26. Koppla även in en potentiometer för justering av operationsförstärkarens ingångsoffsetspänning. Pt 100 1,5 kω 1,5 kω P OP07 100 Ω U o 15 V Figur 26. Inkoppling av Pt100givare Balansering Ställ in P på ca 2,1 kω. Anslut på Ptgivarens plats ett motstånd på 100,0 Ω. Justera operationsförstärkarens ingångsoffset så att U o = 0 mv. Kalibrering Anslut på Ptgivarens plats ett motstånd på 138,5 Ω. Justera P så att U o = 100 mv. Om motstånd med detta värde saknas, välj då ett med närliggande resistans och interpolera i tabell 1 för att få fram lämplig spänning för U o. Laborationer i Mätteknik 39
Mätning Anslut Ptgivaren. Nu bör mätobjektets temperatur indikeras på den digitala voltmetern. Koppla in termoelementet till labförstärkaren som finns beskriven i instruktionen till laboration 1 så att förstärkningen blir 100 gånger. Mät med den andra digitalvoltmetern. Koppla effektmotståndet till 5 Volt. Mät temperaturen och anteckna givarnas värden för några temperaturvärden mellan 20 ºC och 80 ºC. Temperatur enligt Pt 100 ( ºC) Termoemk för termoelementet (mv) Plotta den teoretiska och den uppmätta termoelementspänningen som funktion av temperaturen i samma diagram. Jämför termoelementets termoemk med teorin. Resultat: Temperatur Resistans Pt 100 Spänning, termoelement typ K ( µv) (ºC) ( Ω ) 50 80,31 1889 40 84,27 1527 30 88,22 1156 20 92,16 777 10 96,06 392 0 100,00 0 10 103,90 397 20 107,79 798 30 111,67 1203 40 115,54 1611 50 119,40 2022 60 123,24 2436 70 127,07 2850 80 130,89 3266 90 134,70 3681 100 138,50 4095 110 142,29 4508 120 146,06 4919 130 149,82 5327 140 153,58 5733 150 157,31 6137 Tabell 1. Utsignal för Pt 100 och termoelement typ K 4.4.8 Effektutveckling och termisk resistans Beräkna effektutvecklingen i effektmotståndet: Kylaren har en termisk resistans på 40 ºC/W vid effekten 1 W. Vid vilken temperatur bör jämvikt erhållas? (Utvecklad effekt i motståndet = avgiven effekt i kylaren) Laborationer i Mätteknik 40
Laborationer i Mätteknik 41