Meet- en regeltechniek voor metingen: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 10 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgaven Terug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Deelspanningen: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
Output: V_ab = V_a − V_b
Balans: R₁/R₂ = R₃/R₄
Schuifdraadbrug: R/R_x = l/(100 − l)
Thévenin-weerstand: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
K-factor: ΔR/R = GF·ε
Uitgang van de brug: kwart V_s·GF·ε/4, half V_s·GF·ε/2, vol V_s·GF·ε
Kleine verandering, één arm: V_ab ≈ V_s·ΔR/(4R)
Spanning: σ = E·ε

Methode

Behandel de brug als twee spanningsdelers over dezelfde voeding.
Stel voor evenwicht R₁/R₂ = R₃/R₄ en los op voor de onbekende weerstand.
Bepaal voor een onevenwichtige brug V_a en V_b uit de delers en trek ze af; gebruik het Thévenin-equivalent als een meter de uitgang belast.
Reken voor rekstrookjes de rek om naar ΔR/R = GF·ε en gebruik V_s·GF·ε/4, /2 of ×1 voor een kwart-, halve of volle brug.

Data-acquisitie en bemonstering

Nyquistcriterium: f_s > 2·f_max, f_N = f_s/2
Aliasfrequentie: f_a = |f − k·f_s|, k = round(f/f_s)
Stapgrootte: 1 LSB = V_FSR/2ᴺ
Kwantisatiefout (afronding): ±½ LSB
Afkappende ADC-code: D = ⌊V_in/LSB⌋
Bits voor een resolutie r: 2ᴺ ≥ span/r
Ideale SQNR, volle-schaal sinus: SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Datasnelheid: kanalen × f_s × N bit/s
Gemultiplexte ADC: f_s = 1/(n·(t_c + t_set))
UART: T_b = 1/baud; 8N1 = 10 bits per byte; bytes/s = baud/bits per frame
Baudrate-deler: baud = f_clk/(16·D)

Methode

Schrijf op wat gegeven is: bemonsteringsfrequentie, signaalfrequenties, aantal bits, ingangsbereik, baudrate.
Vergelijk bij bemonsteringsvragen elke frequentie met f_s/2; een hogere frequentie verschijnt bij f_a = |f − k·f_s| met het dichtstbijzijnde veelvoud van f_s.
Bepaal bij resolutievragen 1 LSB = V_FSR/2ᴺ, of de kleinste N met 2ᴺ ≥ bereik/resolutie.
Tel bij datasnelheden en UART-verbindingen alles wat wordt verzonden: kanalen, samples per seconde, bits of hele bytes per sample, en de start-, pariteits- en stopbits van elk frame.

Opampschakelingen

Inverterende versterker: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
Niet-inverterende versterker: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
Sommeerversterker: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
Ideale opamp: V₊ = V₋, I_in = 0

Serie- en parallelweerstanden

Weerstanden in serie: R_eq = R₁ + R₂ + …
Weerstanden parallel: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Twee parallel: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Wet van Ohm: V = I·R
Vermogen: P = V·I = I²R = V²/R

Methode

Begin aan het uiteinde van het netwerk dat het verst van de klemmen ligt.
Combineer weerstanden in serie door ze op te tellen, en weerstanden parallel met 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Teken de schakeling na elke stap opnieuw.
Herhaal tot er één weerstand tussen de klemmen over is.

Thévenin en Norton

Thévenin-spanning: V_th = V_{open circuit}
Thévenin-weerstand: R_th: alle bronnen uit, gezien vanaf a–b
Norton-stroom: I_N = V_th/R_th
Belastingsstroom: I_L = V_th/(R_th + R_L)
Maximale vermogensoverdracht: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

Methode

Haal de belasting weg en markeer de twee klemmen a en b.
Bepaal de openklemspanning tussen a en b: dit is V_th.
Schakel alle onafhankelijke bronnen uit en bepaal de weerstand gezien vanaf a–b: dit is R_th.
Zet de belasting terug op het vervangingsschema: V_th in serie met R_th.
Reken voor het Norton-equivalent om: I_N = V_th/R_th, met R_N = R_th parallel.

2Oefenopgaven

1.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld

Een brug heeft vier armen van 120 Ω en V_s = 10 V. De sensor R₂ neemt toe met ΔR = 0,24 Ω. Bepaal met de benadering voor kleine veranderingen de uitgang V_ab in mV.

V_s = 10 VR = 120 ΩΔR = 0,24 Ω

V_ab = mV

2.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk

Een rekstrookje van 120 Ω met k-factor 2,12 is op een stalen staaf gelijmd. Onder belasting neemt zijn weerstand toe met 0,1018 Ω. Bepaal de rek ε in microrek (µε).

R = 120 ΩGF = 2,12ΔR = 0,1018 Ω

ε = µε

3.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld

Een 8-bits ADC met een ingangsbereik van 0 tot 10 V kapt af: zijn uitgangscode is ⌊V_in/LSB⌋ met 1 LSB = V_FSR/2ᴺ. Bepaal de decimale uitgangscode D voor een ingang van 5,53 V.

N = 8V_FSR = 10 VV_in = 5,53 V

D =

4.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk

Een 12-bits ADC stuurt elke sample via een UART met 230400 baud, formaat 8N1 (startbit, 8 databits, 1 stopbit). Elke sample wordt als 2 hele byte(s) verzonden en de verbinding is voortdurend bezet. Bepaal de hoogste signaalfrequentie f_max die zonder aliasing kan worden bemonsterd, in Hz.

baud = 230400 BdN = 128N1

f_max = Hz

5.OpampschakelingenGemiddeld

Kies de terugkoppelweerstand R_f die deze niet-inverterende versterker een spanningsversterking van 51 geeft.

R₁ = 1 kΩA_v = 51

R_f = kΩ

6.OpampschakelingenMoeilijk

Twee ideale opamptrappen staan in cascade: een inverterende versterker (R₁, R_f1) gevolgd door een niet-inverterende versterker (R₂ naar massa, R_f2 in de terugkoppeling). Beide worden gevoed met ±15 V. Vind de totale spanningsversterking A_v = V_out/V_in.

R₁ = 22 kΩR_f1 = 22 kΩR₂ = 10 kΩR_f2 = 10 kΩ

A_v =

7.Serie- en parallelweerstandenGemiddeld

Vind de stroom I_R1 die de bron levert, en die door R₁ loopt.

V₁ = 15 VR₁ = 2 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 5 Ω

I_R1 = A

8.Serie- en parallelweerstandenMoeilijk

Vind de stroom I_R1 die de bron levert, en die door R₁ loopt.

V₁ = 10 VR₁ = 5 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 30 ΩR₅ = 15 ΩR₆ = 10 Ω

I_R1 = A

9.Thévenin en NortonGemiddeld

Vind de Thévenin-weerstand R_th gezien vanaf de klemmen a–b.

V₁ = 18 VR₁ = 4 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 20 Ω

R_th = Ω

10.Thévenin en NortonMoeilijk

Vind de Thévenin-spanning V_th gezien vanaf de klemmen a–b.

V₁ = 9 VI_s = 5 AR₁ = 15 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 20 Ω

V_th = V

3Oplossingen

1.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: V_ab = 5 mV

Brug van Wheatstone: twee spanningsdelers delen één voeding V_s. De linker deler R₁–R₂ geeft V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂) en de rechter deler R₃–R₄ geeft V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄); de uitgang is V_ab = V_a − V_b. De brug is in evenwicht (V_ab = 0, geen stroom in de meter) als R₁/R₂ = R₃/R₄, dat wil zeggen R₁·R₄ = R₂·R₃. Vanaf de uitgang gezien is de brug een Thévenin-bron met R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄.

Relatieve verandering

ΔR/R = 0,24/120 = 0,002

Gelineariseerde uitgang

V_ab ≈ 10·0,002/4 = 5 mV

Antwoord

V_ab = 5 mV

De exacte waarde is 4,995 mV; de benadering is goed zolang ΔR/R klein is.

2.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: ε = 400 µε

Rekstrookjes: een rekstrookje verandert zijn weerstand met de rek: ΔR/R = GF·ε, waarbij de k-factor GF ongeveer 2 is voor metaalfolie. In een brug met alle armen gelijk aan R geeft één actief rekstrookje (kwartbrug) V_o ≈ V_s·GF·ε/4. Twee actieve rekstrookjes met tegengestelde rek in naburige armen (halve brug) geven V_s·GF·ε/2, en vier (volle brug) geven V_s·GF·ε. De spanning volgt uit de wet van Hooke, σ = E·ε. Weegcellen geven hun gevoeligheid op in mV/V: de uitgang bij volle belasting per volt bekrachtiging.

Relatieve weerstandsverandering

ΔR/R = 0,1018/120 = 0,000848

Rek

ε = 0,000848/2,12 = 0,0004 = 400 µε

Antwoord

ε = 400 µε

3.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: D = 141

ADC-resolutie: een N-bits omzetter verdeelt zijn volle-schaalbereik V_FSR in 2ᴺ codes, van 0 tot 2ᴺ − 1. Eén stap is 1 LSB = V_FSR/2ᴺ: de kleinste verandering die de omzetter kan tonen. Een afkappende ADC geeft de code ⌊V_in/LSB⌋; een afrondende ADC zit nooit meer dan ½ LSB van de ware waarde af, zijn kwantisatiefout. Elke extra bit halveert de LSB en voegt ongeveer 6 dB toe aan de ideale signaal-kwantisatieruisverhouding SQNR = 6,02·N + 1,76 dB voor een sinus met volle uitsturing. Om een resolutie r over een bereik te halen, kies je de kleinste N met 2ᴺ ≥ bereik/r.

Stapgrootte

1 LSB = 10/2⁸ = 39,06 mV

Code

V_in/LSB = 5530/39,06 = 141,6

code = ⌊141,6⌋ = 141

Antwoord

D = 141

In binair is dat 10001101.

4.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: f_max = 5760 Hz

UART: een asynchrone seriële verbinding verstuurt elke byte als een frame: één startbit (laag), de databits, een optionele pariteitsbit en een of twee stopbits (hoog). De baudrate is het aantal bits per seconde, dus één bit duurt T_b = 1/baud en een frame van n bits duurt n/baud. Het gangbare 8N1-formaat heeft 10 bits per byte. De baudgenerator deelt de klok: baud = f_clk/(16·D) met een geheel getal D, dus de werkelijke baudrate wijkt iets af van de gewenste; een fout onder ongeveer 2 % is meestal acceptabel.

Bits per sample op de lijn

2·10 = 20 bit

Hoogste bemonsteringsfrequentie

f_s,max = 230400/20 = 11520 Hz

Nyquistgrens

f_max = 11520/2 = 5760 Hz

Antwoord

f_max = 5760 Hz

5.Opampschakelingen

Antwoord: R_f = 50 kΩ

Regels voor de ideale opamp: met tegenkoppeling stuurt de opamp zijn uitgang zo dat beide ingangen op dezelfde spanning staan (V₋ = V₊), en er loopt geen stroom in een van de ingangen. De stroomwet in de inverterende ingang met deze twee feiten geeft de uitgang.

Versterking van een niet-inverterende versterker

V₋ = V₊ = V_in, en de stroom door R₁ loopt ook door R_f, dus V_out = V_in·(1 + R_f/R₁).

A_v = 1 + R_f/R₁

R_f = (51 − 1)·1 = 50 kΩ

Antwoord

R_f = 50 kΩ

6.Opampschakelingen

Antwoord: A_v = −2

Versterking van elke trap

A₁ = −R_f1/R₁ = −22/22 = −1

A₂ = 1 + R_f2/R₂ = 1 + 10/10 = 2

Totale versterking

A_v = A₁·A₂ = −1·2 = −2

Antwoord

A_v = −2

7.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: I_R1 = 1,731 A

Serie- en parallelschakeling: in serie loopt dezelfde stroom door elke weerstand en R = R₁ + R₂ + …. Parallel staat over elke weerstand dezelfde spanning en 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Een laddernetwerk wordt paar voor paar vereenvoudigd tot er één vervangingsweerstand overblijft.

Combineer weerstanden vanaf het verste uiteinde

Begin bij het uiteinde dat het verst van de bron ligt en werk terug naar de bron. Weerstanden met dezelfde stroom staan in serie; weerstanden tussen dezelfde twee knooppunten staan parallel.

R₃ + R₄ = 15 + 5 = 20 Ω

R₂ ∥ 20 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω

R_eq = R₁ + 6,667 = 2 + 6,667 = 8,667 Ω

Stroom uit de bron

De bron ziet alleen R_eq, dus de wet van Ohm geeft de stroom die hij levert. Die stroom loopt door R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 15/8,667 = 1,731 A

Antwoord

I_R1 = 1,731 A

8.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: I_R1 = 1,29 A

Combineer weerstanden vanaf het verste uiteinde

Begin bij het uiteinde dat het verst van de bron ligt en werk terug naar de bron. Weerstanden met dezelfde stroom staan in serie; weerstanden tussen dezelfde twee knooppunten staan parallel.

R₅ + R₆ = 15 + 10 = 25 Ω

R₄ ∥ 25 = 13,64 Ω

R₃ + 13,64 = 33,64 Ω

R₂ ∥ 33,64 = 2,754 Ω

R_eq = R₁ + 2,754 = 5 + 2,754 = 7,754 Ω

Stroom uit de bron

De bron ziet alleen R_eq, dus de wet van Ohm geeft de stroom die hij levert. Die stroom loopt door R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 10/7,754 = 1,29 A

Antwoord

I_R1 = 1,29 A

9.Thévenin en Norton

Antwoord: R_th = 22 Ω

Stelling van Thévenin: elk lineair tweepoolnetwerk gedraagt zich als één spanningsbron V_th in serie met een weerstand R_th. De stelling van Norton geeft hetzelfde netwerk als een stroombron I_N = V_th/R_th parallel aan R_th.

Vind R_th met alle bronnen uitgeschakeld

Vervang spanningsbronnen door kortsluitingen en stroombronnen door open circuits, en kijk dan vanaf a–b de schakeling in.

R₁ ∥ R₂ = 4·4/(4+4) = 2 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2 + 20 = 22 Ω

10.Thévenin en Norton

Antwoord: V_th = −113,9 V

Vind R_th met alle bronnen uitgeschakeld

Vervang spanningsbronnen door kortsluitingen en stroombronnen door open circuits, en kijk dan vanaf a–b de schakeling in.

R₁ ∥ R₂ = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 3,158 + 20 = 23,16 Ω

Vind V_th, de openklemspanning

Met a–b open is het enige pad voor Iₛ via R₃ naar knooppunt A. Vind V_A met superpositie van V₁ en Iₛ, en tel dan de spanningsval over R₃ erbij op.

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 1,895 + (−5)·3,158 = −13,89 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = −13,89 + (−5)·20 = −113,9 V

ExamProblems · examproblems.com/courses/measurement-and-instrumentation

Meet- en regeltechniek voor metingen: samenvattingspakket

1Formules en methoden

Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Methode

Data-acquisitie en bemonstering

Methode

Opampschakelingen

Serie- en parallelweerstanden

Methode

Thévenin en Norton

Methode

2Oefenopgaven

3Oplossingen

Relatieve verandering

Gelineariseerde uitgang

Antwoord

Relatieve weerstandsverandering

Rek

Antwoord

Stapgrootte

Code

Antwoord

Bits per sample op de lijn

Hoogste bemonsteringsfrequentie

Nyquistgrens

Antwoord

Versterking van een niet-inverterende versterker

Antwoord

Versterking van elke trap

Totale versterking

Antwoord

Combineer weerstanden vanaf het verste uiteinde

Stroom uit de bron

Antwoord

Combineer weerstanden vanaf het verste uiteinde

Stroom uit de bron

Antwoord

Vind Rth met alle bronnen uitgeschakeld

Vind Rth met alle bronnen uitgeschakeld

Vind Vth, de openklemspanning

Vind R_th met alle bronnen uitgeschakeld

Vind R_th met alle bronnen uitgeschakeld

Vind V_th, de openklemspanning