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 met vier armen van 250 Ω wordt gevoed met 12 V. Als de sensor R₂ verandert, geeft de uitgang V_ab = 59,41 mV. Bepaal de exacte verandering ΔR van R₂.

V_s = 12 VR = 250 ΩV_ab = 59,41 mV

ΔR = Ω

2.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk

Een kwartbrug (één actief rekstrookje, GF = 2) wordt bekrachtigd met 5 V. De grootste te meten rek is 1000 µε, en die moet 5 V geven aan de ingang van een analoog-digitaalomzetter. Bepaal de versterking G van de versterker.

V_s = 5 VGF = 2ε_max = 1000 µεV_FS = 5 V

G =

3.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld

Een recorder bemonstert 4 kanalen met elk 25 kHz en een 12-bits ADC. Elke sample wordt in hele bytes opgeslagen. Bepaal het geheugen M dat nodig is voor een opname van 10 min, in MB (1 MB = 10⁶ bytes).

n = 4f_s = 25 kHzN = 12t = 10 min

M = MB

4.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk

Een temperatuursensor geeft 1 mV/°C (0 V bij 0 °C). Zijn signaal wordt 5 keer versterkt en naar een 8-bits ADC met een bereik van 0 tot 10 V gevoerd (1 LSB = V_FSR/2ᴺ). Bepaal de temperatuurverandering ΔT_LSB die overeenkomt met één LSB.

S = 1 mV/°CG = 5N = 8V_FSR = 10 V

ΔT_LSB = °C

5.OpampschakelingenGemiddeld

Kies de terugkoppelweerstand R_f die deze niet-inverterende versterker een spanningsversterking van 15 geeft.

R₁ = 2 kΩA_v = 15

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 = 10 kΩR_f1 = 10 kΩR₂ = 22 kΩR_f2 = 47 kΩ

A_v =

7.Serie- en parallelweerstandenGemiddeld

Vind de stroom I_R2 door R₂.

V₁ = 9 VR₁ = 4 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 2 Ω

I_R2 = A

8.Serie- en parallelweerstandenMoeilijk

Vind de vervangingsweerstand R_eq die de bron V₁ ziet.

V₁ = 15 VR₁ = 3 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 25 ΩR₅ = 2 ΩR₆ = 10 Ω

R_eq = Ω

9.Thévenin en NortonGemiddeld

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

V₁ = 15 VR₁ = 4 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 6 Ω

V_th = V

10.Thévenin en NortonMoeilijk

Vind de Norton-stroom I_N: de stroom die van a naar b loopt als de klemmen kortgesloten zijn.

V₁ = 9 VI_s = 0,5 AR₁ = 25 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 12 Ω

I_N = A

3Oplossingen

1.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: ΔR = 5 Ω

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.

Knooppuntspanning

V_a = 6 + 0,05941 = 6,059 V

Los de deler op

R₂ = 250·6,059/(12 − 6,059) = 255 Ω

ΔR = 255 − 250 = 5 Ω

Antwoord

ΔR = 5 Ω

2.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: G = 2000

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.

Uitgang van de brug bij volle schaal

V_o = 2,5 mV

Versterking

G = 5/0,0025 = 2000

Antwoord

G = 2000

3.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: M = 120 MB

Datasnelheden: elk kanaal levert f_s samples per seconde van N bits, dus de ruwe snelheid is kanalen × f_s × N bit/s. In het geheugen neemt een sample hele bytes in beslag (een sample van 12 bits wordt in 2 bytes opgeslagen), dus het geheugen voor een opname is kanalen × f_s × bytes per sample × tijd. Een gemultiplexte ADC zet de kanalen na elkaar om: elke conversie (inclusief insteltijd) duurt t, dus een ronde van n kanalen duurt n·t en elk kanaal wordt bemonsterd met 1/(n·t).

Bytes per sample

⌈12/8⌉ = 2 B

Bytesnelheid

4·25000·2 = 200000 B/s

Geheugen

M = 200000·600 = 1,2 × 10⁸ B = 120 MB

Antwoord

M = 120 MB

4.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: ΔT_LSB = 7,813 °C

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 = 10000/256 = 39,06 mV

Gevoeligheid bij de ADC

1·5 = 5 mV/°C

Temperatuurresolutie

ΔT_LSB = 39,06/5 = 7,813 °C

Antwoord

ΔT_LSB = 7,813 °C

De ADC bereikt volle schaal bij 2000 °C.

5.Opampschakelingen

Antwoord: R_f = 28 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 = (15 − 1)·2 = 28 kΩ

Antwoord

R_f = 28 kΩ

6.Opampschakelingen

Antwoord: A_v = −3,136

Versterking van elke trap

A₁ = −R_f1/R₁ = −10/10 = −1

A₂ = 1 + R_f2/R₂ = 1 + 47/22 = 3,136

Totale versterking

A_v = A₁·A₂ = −1·3,136 = −3,136

Antwoord

A_v = −3,136

7.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: I_R2 = 0,3257 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 = 20 + 2 = 22 Ω

R₂ ∥ 22 = 20·22/(20+22) = 10,48 Ω

R_eq = R₁ + 10,48 = 4 + 10,48 = 14,48 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 = 9/14,48 = 0,6217 A

Stroom door R₂

Trek de spanningsval over R₁ af om de spanning in knooppunt A te krijgen; dat is de spanning over R₂.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 9 − 0,6217·4 = 6,513 V

I_R2 = V_A/R₂ = 6,513/20 = 0,3257 A

Antwoord

I_R2 = 0,3257 A

8.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: R_eq = 8,943 Ω

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 = 2 + 10 = 12 Ω

R₄ ∥ 12 = 8,108 Ω

R₃ + 8,108 = 23,11 Ω

R₂ ∥ 23,11 = 5,943 Ω

R_eq = R₁ + 5,943 = 3 + 5,943 = 8,943 Ω

Antwoord

R_eq = 8,943 Ω

9.Thévenin en Norton

Antwoord: V_th = 10,71 V

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 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2,857 + 6 = 8,857 Ω

Vind V_th, de openklemspanning

Met a–b open loopt er geen stroom door R₃, dus er valt geen spanning over en V_b = V_A. R₁ en R₂ vormen een spanningsdeler.

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 15·10/(4+10) = 10,71 V

10.Thévenin en Norton

Antwoord: I_N = 0,6343 A

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 = 25·10/(25+10) = 7,143 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 7,143 + 12 = 19,14 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) = 2,571 + 0,5·7,143 = 6,143 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 6,143 + 0,5·12 = 12,14 V

Norton-equivalent

Een Norton-bron is dezelfde schakeling, gezien als een stroombron parallel aan R_th. De stroom is de kortsluitstroom tussen a–b.

I_N = V_th/R_th = 12,14/19,14 = 0,6343 A

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

Knooppuntspanning

Los de deler op

Antwoord

Uitgang van de brug bij volle schaal

Versterking

Antwoord

Bytes per sample

Bytesnelheid

Geheugen

Antwoord

Stapgrootte

Gevoeligheid bij de ADC

Temperatuurresolutie

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

Stroom door R₂

Antwoord

Combineer weerstanden vanaf het verste uiteinde

Antwoord

Vind Rth met alle bronnen uitgeschakeld

Vind Vth, de openklemspanning

Vind Rth met alle bronnen uitgeschakeld

Vind Vth, de openklemspanning

Norton-equivalent

Vind R_th met alle bronnen uitgeschakeld

Vind V_th, de openklemspanning

Vind R_th met alle bronnen uitgeschakeld

Vind V_th, de openklemspanning