antwoorden hoofdstuk 8

of 20/20
Newton vwo deel 1a Uitwerkingen Hoofdstuk 8 – Technische automatisering 8 Technische automatisering 8.1 Inleiding 2 Automaten aA Verwarmingsthermostaat: - Taak: in/uitschakelen verwarming - Je moet de thermostaat zelf instellen op de gewenste temperatuur. - De verwarmingsthermostaat gaat na in hoeverre de heersende kamertemperatuur in overeenstemming is met de gewenste waarde: is de kamertemperatuur lager dan gewenst, dan schakelt de thermostaat de verwarming in. B Wc-stortbak - Taak: Een hoeveelheid water in de stortbak opslaan zodat deze direct voor een spoelbeurt gereed is. - De automaat is over het algemeen door de fabriek ingesteld door midddel van een vlotter-instelling. - Nadat er op de spoelknop is geduwd en de voorraad water is weggespoeld, wordt de stortbak opnieuw gevuld tot een bepaalde waarde. Zo gauw deze waarde bereikt is, wordt de kraan weer automatisch afgesloten. b Thuis: magnetron, afstandsbediening tv, programmering video, enz. School: schoolbel, snoepautomaat, schuifdeuren, enz. Verkeer: verkeerslichten, mistsignalering, snelheidscontrole, enz. Winkel: bel, diefstalcontrole, streepjescode, enz. Fabriek: flessenvuller, robot bij autofabriek, diktecontrole plaatmateriaal, enz. c Maak zelf een keuze en overleg hierover met een klasgenoot. 3 Technische automatisering a Bespreek de antwoorden met je klasgenoten. b Bespreek de antwoorden met je klasgenoten. 4 Elektrische schakelingen A Temperatuur: NTC hoe hoger de temperatuur is, des te lager is de weerstand. B Lichtsterkte: LDR hoe groter de lichtsterkte is, des te lager is de weerstand. C Geluidssterkte: microfoon hoe groter de geluidssterkte is, des te groter is de spanning die de microfoon afgeeft. 8.2 Automaten Verwerken 8 A Invoerblok: temperatuursensor. B Invoerblok: lichtsensor. C Invoerblok: geluidsensor. Uitvoerblok: verwarmingselement. Uitvoerblok: lamp. Uitvoerblok: motor van de garagedeur. 113

Post on 07-Jun-2015

2.409 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

113

8

Technische automatiseringa A Verwarmingsthermostaat: - Taak: in/uitschakelen verwarming - Je moet de thermostaat zelf instellen op de gewenste temperatuur. - De verwarmingsthermostaat gaat na in hoeverre de heersende kamertemperatuur in overeenstemming is met de gewenste waarde: is de kamertemperatuur lager dan gewenst, dan schakelt de thermostaat de verwarming in. B Wc-stortbak - Taak: Een hoeveelheid water in de stortbak opslaan zodat deze direct voor een spoelbeurt gereed is. - De automaat is over het algemeen door de fabriek ingesteld door midddel van een vlotter-instelling. - Nadat er op de spoelknop is geduwd en de voorraad water is weggespoeld, wordt de stortbak opnieuw gevuld tot een bepaalde waarde. Zo gauw deze waarde bereikt is, wordt de kraan weer automatisch afgesloten. b Thuis: magnetron, afstandsbediening tv, programmering video, enz. School: schoolbel, snoepautomaat, schuifdeuren, enz. Verkeer: verkeerslichten, mistsignalering, snelheidscontrole, enz. Winkel: bel, diefstalcontrole, streepjescode, enz. Fabriek: flessenvuller, robot bij autofabriek, diktecontrole plaatmateriaal, enz. c Maak zelf een keuze en overleg hierover met een klasgenoot.

8.1 Inleiding2 Automaten

3 Technische automatisering a Bespreek de antwoorden met je klasgenoten. b Bespreek de antwoorden met je klasgenoten. 4 Elektrische schakelingen A Temperatuur: NTC hoe hoger de temperatuur is, des te lager is de weerstand. B Lichtsterkte: LDR hoe groter de lichtsterkte is, des te lager is de weerstand. C Geluidssterkte: microfoon hoe groter de geluidssterkte is, des te groter is de spanning die de microfoon afgeeft.

8.2 AutomatenVerwerken8 A Invoerblok: temperatuursensor. Uitvoerblok: verwarmingselement. B Invoerblok: lichtsensor. Uitvoerblok: lamp.figuur A

C Invoerblok: geluidsensor. Uitvoerblok: motor van de garagedeur.verwerkingblok elektronische schakeling(en) uitvoerblok motor van deuren

9 A Invoerblok: bewegingssensor. Uitvoerblok: motor van de schuifdeuren. Verwerkingblok: schakeling die er voor zorgt dat de deurmotor geactiveerd wordt zodra er beweging wordt waargenomen (zie figuur A).

invoerblok bewegings-sensor

figuur B B Invoerblok: lichtsensor. invoerblok Uitvoerblok: motor van het zonnescherm. Verwerkingblok: schakeling die het toenemen lichtsensor van de hoeveelheid zonlicht omzet in het laten dichtgaan van een zonnescherm (zie figuur B).

verwerkingblok elektronische schakeling(en)

uitvoerblok motor van zonnescherm

C Invoerblok: lichtsensor. Uitvoerblok: lamp. Verwerkingblok: schakeling die ervoor zorgt dat een lamp aangaat als de hoeveelheid buitenlicht afneemt (zie figuur C). Vervolg op de volgende bladzijde.

figuur C

invoerblok lichtsensor

verwerkingblok elektronische schakeling(en)

uitvoerblok lamp

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

114

Vervolg opgave 9. D Invoerblok: (water)hoogtesensor. Uitvoerblok: pomp. Verwerkingblok: schakeling die een pomp aanzet als het waterniveau te hoog is of die een overloopschuif opentrekt zodat het water weer tot de gewenste hoogte kan zakken. (Zie figuur D). 10 Figuren van boven naar onder: A Continu, omdat alle mogelijke waarden in het gegeven bereik mogelijk zijn. B Binair, omdat slechts twee waarden mogelijk zijn, namelijk hoog en laag. C Continu, omdat tussen de twee uiterste grenzen alle waarden mogelijk zijn. 11 a Meetsysteem: ijktabelinvoerblok sensor(s) verwerkingblok elektronische schakeling(en) uitvoerblok schermfiguur D

invoerblok hoogte-sensor

verwerkingblok elektronische schakeling(en)

uitvoerblok pomp of overloop-schuif

Stuursysteem: drempelwaarde(n)invoerblok sensor(s) verwerkingblok elektronische schakeling(en) uitvoerblok actuator(s)

Ss

Sa

Ss

Sa

Regelsysteem: b Overeenkomsten: elk systeem bestaat uit een invoer-, verwerkings- en uitvoerblok. Elk invoerblok bevat n of meer sensors.invoerblok sensor(s)

drempelwaarde(n) verwerkingblok elektronische schakeling(en) uitvoerblok actuator(s)

Ss

Sa

c Verschillen tussen stuur- en meetsysteem: terugkoppeling Bij stuursysteem wordt in verwerkingsblok met drempelwaarden gewerkt; bij meetsysteem met ijkgegevens (ijktabel). Bij stuursysteem bevat het uitvoerblok een actuator en bij een meetsysteem een (beeld)scherm. Verschillen tussen stuur- en regelsysteem: Bij een stuursysteem wordt in verwerkingsblok met drempelwaarden gewerkt; bij een regelsysteem wordt ook met drempelwaarden gewerkt maar deze hebben meer de betekenis van gewenste waarden waaraan het systeem moet proberen te voldoen. Bij een stuursysteem is er geen sprake van terugkoppeling; bij een regelsysteem wel d.w.z. de gebruikte actuator benvloedt de grootheid die de sensor van het invoerblok waarneemt. 12 A Digitaal. F Digitaal. B Analoog. C Digitaal. D Digitaal. E Analoog.

N.B. Mogelijk ook analoog indien dit gebeurt aan de hand van ronddraaiende wieltjes met maatstrepen en getallen op de buitenkant.

13 Stuursysteem: er volgt alleen een actie op het overschrijden van een drempelwaarde. 14 Stuursysteem: er volgt alleen een actie op het overschrijden van een drempelwaarde, namelijk teveel gewicht in de lift. Zolang de mensen in de lift geen initiatief nemen om eruit te stappen, gebeurt er niet. Pas als het gewicht onder de ingestelde drempelwaarde zakt, gaan de liftdeuren dicht. 15 Tankpistool: stuursysteem. De sensor op het uiteinde neemt waar of de tank voldoende gevuld is. Zodra aan deze waarde voldaan wordt, wordt de benzinekraan afgesloten. Wasautomaat: stuursysteem. Het programma van de wasmachine werkt een voorgeprogrammeerde volgorde van handelingen af. Digitale weegschaal: meetsysteem. Met behulp van het sensorsignaal en de ijkgegevens zorgt het verwerkingsblok ervoor dat de gemeten waarden op het display worden weergegeven. 16 Het verwerkingsblok is (gemakkelijker) programmeerbaar, is kleiner (qua omvang) en (vaak) sneller.

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

115

Controleren18 Voetgangerslicht a Invoerblok: drukschakelaar. rood licht elektronische Uitvoerblok: lampen en geluidsbron. drukschakelaar groen licht schakeling(en) geluidsbron Verwerkingblok: als er op de drukschakelaar is gedrukt, moet de elektronische schakeling er voor zorgen dat na enige tijd het licht van rood op groen springt. Bovendien moet het geluidssignaal van karakter veranderen. Na verloop van een ingestelde tijd moet de groene lamp een paar keer knipperen om vervolgens weer uit te gaan, terwijl de rode lamp op hetzelfde moment weer aangaat. De elektronische schakeling moet ook een tijdklok hebben om op de juiste manier met de gewenste tijdsinstellingen te kunnen omgaan.invoerblok verwerkingblok uitvoerblok

b Hier is sprake van een stuursysteem: een druk op de knop zorgt ervoor dat het verwerkingsdeel de lampen en geluidsbron op een vooraf geprogrammeerde manier aanstuurt. 19 Wasdroger ainvoerblok verwerkingblok uitvoerblok trommelmotor verwarmingselement ventilator

Invoerblok: temperatuursensor en klok. elektronische temperatuursensor Uitvoerblok: motor van de trommel, schakeling(en) klok het verwarmingselement en de ventilator. Verwerkingblok: de elektronische schakeling moet nagaan of er voldaan wordt aan de temperatuurvoorwaarde (niet te hoog) en de tijdvoorwaarde (klok geeft hoog signaal). Wordt aan beide voorwaarden voldaan, dan moet de elektronische schakeling er voor zorgen dat de trommelmotor draait, het verwarmingselement aan is en de ventilator draait.

b

Het is een stuursysteem. De temperatuur wordt weliswaar gemeten, maar het verwerkingsdeel moet er voor zorgen dat de wasdroger wordt uitgeschakeld als de temperatuur te hoog wordt. De temperatuur wordt niet als meetresultaat op bijvoorbeeld een scherm of display weergegeven.

20 Verwarmingsthermostaat a De verwarmingsthermostaat bestaat uit een bimetaal en een kwikschakelaar. Het bimetaal dient als sensor n verwerker van het sensorsignaal omdat het bij temperatuurverandering verandert van stand. Door een bepaalde instelling kun je bereiken dat de kwikschakelaar bij een bepaalde (= gewenste) temperatuur een stroomkring kan verbreken of maken. Bij een gesloten stroomkring wordt een elektromagneet geactiveerd die de gasklep open houdt. Als de temperatuur stijgt, buigt het bimetaal waardoor de kwikschakelaar kantelt. Bij de ingestelde temperatuur moet de kwikdruppel wegrollen, zodat de stroomkring verbroken wordt en de gasklep dicht gaat. Zo kan de thermostaat er voor zorgen dat de cv aangaat als de temperatuur in de kamer lager is dan de gewenste waarde. Zodra de gewenste temperatuur bereikt is, wordt de cv weer uitgezet. binvoerblok Invoerblok: temperatuursensor in de vorm van een bimetaal. temperatuursensor Uitvoerblok: elektromagneet. Verwerkingblok: kwikdruppel met bijbehorende schakeling. Bij de gewenste temperatuur moet de kwikdruppel net wegrollen en de stroomkring verbreken. verwerkingblok elektronische schakeling(en) uitvoerblok elektromagneet

c Hier is sprake van een regelsysteem: de verwarmingsthermostaat moet er voor zorgen dat de temperatuur in de kamer op een bepaalde waarde wordt gehouden. 21 Waakvlambeveiliging a De waakvlambeveiliging moet controleren of de waakvlam brandt. Als de waakvlam brandt, zorgt het thermokoppel voor een stroom die de elektromagneet bekrachtigd. Hierdoor wordt de gasklep open gehouden, waardoor het gas naar de waakvlam kan en waardoor eventueel ook gas naar de brander kan als de verwarmingsthermostaat deze activeert. Als de waakvlam uitgaat, werkt de elektromagneet niet meer en duwt het veertje de gasklep dicht. Zo wordt voorkomen dat er ongewenst gas naar de brander kan stromen zonder dat deze tot ontbranding over gaat.verwerkingblok invoerblok b Invoerblok: thermokoppel. Uitvoerblok: elektromagneet. ??? thermokoppel Verwerkingblok: in feite is de combinatie van thermokoppel en vlam ook een soort van verwerkingsblok. Als de temperatuur van de vlam niet hoog genoeg is, zal het thermokoppel te weinig spanning leveren om de elektromagneet voldoende te bekrachtigen. uitvoerblok elektromagneet

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

116

c Hier is sprake van een stuursysteem. Als er geen waakvlam is, wordt de gastoevoer afgesloten.

8.3 SysteembouwstenenVerwerken4,0 - 1,0 = 0,375 Vs/m 12 - 4 4,5 - 2,0 = 0,0833 V/ C 25 a Gevoeligheid: 40 - 10 24 Gevoeligheid = b Grafiek loop twee keer zo steil, want de gevoeligheid is nu 0,16 V/C. Het bereik loopt van 10 C tot ca. 28 C. N.B. dit laatste punt is op twee verschillende manieren te bepalen:5

Afgerond: Gevoeligheid = 0,38 Vs/m Afgerond: Gevoeligheid = 8,310-2 V/C Meetbereik: tussen 10 C en 40 C2e sensor 1e sensor

S (V)

4 3 2 1 0 0 5 10

1e manier: Teken de nieuwe karakteristiek en lees af bij S = 5,0 V 2e manier: Het sensorsignaal moet toenemen van 2,0 V tot 5,0 V: S = 3,0 V; met G = 0,166 V/C vind je T = 18 C. De maximale temperatuur is dan 10 + 18 = 28 C 26 Gegeven: bij T = 12 C S = 2,60 V; gevoeligheid = 10 mV/C = 0,010 V/C. Het ijkdiagram is lineair dus als je twee punten in het (S,T)-diagram vastlegt, kun je het ijkdiagram al tekenen: - bij T = 10 C S = 2,60 - 2 0,010 = 2,58 V; - bij T = 15 C S = 2,60 + 3 0,010 = 2,63 V. Verder: zie de figuur hiernaast.

15

20

25

30

35

40

T (oC)2,64

S 2,62 (V)2,60 2,58 2,56 0 05

10

11

12

13

T (oC)

14

15

27 a Zie de figuur hiernaast. b Bereik: van 0 dB tot 134 dB. 3,20 - 1,20 Gevoeligheid = = 0,0333 V/dB 80 - 20 Afgerond: Gevoeligheid = 3,310-2 V/dB 28 Fz.max = m g = 20,0 9,81 = 196,2 N Sensorsoort B (met het bereik van 0 - 200 N) voldoet dus het beste. In het betreffende meetgebied van 0 - 200 N heeft deze sensor ook de grootste gevoeligheid namelijk 0,0125 V/N.S 4 (V)3 2 1 0 0 20 40 60 80 100 120 140

L (dB)

29 De gevoeligheid van de microfoon is bij 85 dB kleiner dan bij 95 dB omdat het ijkdiagram een lijn te zien geeft die steeds stijler loopt. Bij grotere geluidssterkte is er een grotere verandering van het sensorsignaal per dB toename. 30 De kamertemperatuur zal nooit boven de 50 C komen, maar wel onder de 25 C. Dus sensor C en D vallen af. De keuze tussen sensor A en B is ook duidelijk: sensor B heeft de grootste gevoeligheid. Dus deze is het meest geschikt voor de kamerthermostaat. Conclusie: Sensor B is het meest geschikt.

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

117

31 Ijkdiagram: zie de figuur hiernaast. 3,5 - 0,5 = 0,0500 V/% 100 - 40 Afgerond: Gevoeligheid = 5,010-2 V/% Gevoelighe id =

5

Ss 4 (V)3 2

32 A Comparator. C OF-poort. 33 Sref = 2,4 V 34 Zie de figuur hiernaast.

B EN-poort. D Invertor.

1 0 0 40 50 60 70 80 90 100

luchtvochtigheid (%)

S1lichtsensor

+ -

S2

1

S3

Sref = 0,7 VS1 S2 S3

35 Zie de figuur hiernaast. Om na te gaan of deze schakeling klopt, kun je een waarheidstabel van de schakeling maken (zie schema hieronder). S1 0 1 0 1 0 1 0 1 S2 0 0 1 1 0 0 1 1 S3 0 0 0 0 1 1 1 1 S4 0 0 0 1 0 0 0 1 S5 0 0 0 0 0 0 0 1

&S4

&

S5

Spuls (V)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

36 a Zie de figuur hiernaast. b Elke volgende uitgang heeft een frequentie die 2 zo klein is als de voorafgaande omdat de tijdsduur 2 zo groot wordt. 1 Bijvoorbeeld: f 3 = f 2 2 37 De pulsgenerator geeft nu 2 pulsen per sec. Elke halve seconde verspringt het display. Het getal op het display stelt het aantal halve seconden voor. 38 a De pulsgenerator moet elke minuut 1 Hz = 0,017 Hz . n puls geven: f = 60 b Uitgang 4, want na 4 pulsen zal deze uitgang van laag veranderen in hoog.S1 (V)

t (s)

16

t (s) S2 (V) t (s) S3 (V) t (s) S4 (V) t (s)

39 0 0 0 0 1 1 0 1 = 0 27 + 0 26 + 0 25 + 0 24 + 1 23 + 1 22 + 0 21 + 1 20 = 8 + 4 + 0 + 1 = 13 0 0 1 1 1 1 0 1 = 0 27 + 0 26 + 1 25 + 1 24 + 1 23 + 1 22 + 0 21 + 1 20

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

118

= 32 + 16 + 8+ 4 + 0 + 1 = 61 40 14 = 0 27 + 0 26 + 0 25 + 0 24 + 1 23 + 1 22 + 1 21 + 0 20 0 0 0 0 1 1 1 0 171 = 1 27 + 0 26 + 1 25 + 0 24 + 1 23 + 0 22 + 1 21 + 1 20 255 = 1 2 + 1 2 + 1 2 + 1 2 + 1 2 + 1 2 + 1 2 + 1 27 6 5 4 3 2 1 0

1010 1011 1111 1111

41 De code met de hoogste waarde is 1 1 1 1 1 1 1 1 255 42 a Zie tabel hiernaast. b Een OF-poort geeft ook een 1 als S1 en S2 beide 1 (d.w.z. hoog) zijn. c S1 0 1 0 1 S2 0 0 1 1 S3 0 1 1 1 S4 0 0 0 1 S5 1 1 1 0 S6 0 1 1 0 S1 0 1 0 1

(zie ook opg. 40 !) S2 0 0 1 1 S3 0 1 1 0

43 Bij het onderbreken van de lichtbundel wordt het sensorsignaal tijdelijk lager dan het referentiesignaal Sref van de comparator. De uitgang wordt daardoor even laag, terwijl de invertor er tijdelijk weer een hoog signaal van maakt. Door dit hoge signaal wordt de geheugencel geset. De uitgang van de geheugencel blijft hoog totdat er ook een hoog signaal op de reset R wordt aangeboden. 44 a Op het moment dat de 5e puls wordt aangeboden wordt zowel de uitgang 1 als 4 hoog. De EN-poort krijgt dus 2 hoge signalen aangeboden en geeft op zijn uitgang als gevolg daarvan ook een hoog signaal. Door dit hoge signaal wordt de teller gereset via R. b Sluit de uitgang 2 direkt aan op de reset R van de teller. Zie verder de figuur hiernaast.tel pulsen 8

Hz hoog

A/U R

4 2 1

Controleren72 Windturbine a Het ijkdiagram laat zien dat de grafieklijn lineair verloopt tussen de snelheden v = 5,0 m/s en v = 15 m/s. 5,3 - 0,9 Gevoelighe id = = 0,440 Vs/m Afgerond: Gevoeligheid = 0,44 Vs/m 15 - 5,0 b Orientatie Taak: Een stuursysteem dat de windturbine stillegt als de windsnelheid kleiner is dan 3,0 m/s en groter is dan 15,0 m/s. stuursysteem drempelwaarden uit ijkdiagram Het bijbehorende blokschema verwerkingblok uitvoerblok invoerblok zou er als volgt uit kunnen zien: actuator B Drempelwaarden: elektronische windsnelheidsdie turbine uit- en schakeling(en) sensor - bij v = 3,0 m/s Ss = 0,30 V en SA SB in- kan schakelen - bij v = 15,0 m/s Ss = 5,30 V. Planning In het verwerkingsblok zitten in ieder geval de 2 comparatoren waarmee de drempelwaarden zijn vast te leggen. Deelsystemen Gebruiken we comparator 1 voor de lage snelheid, dan moet er een invertor achter worden geschakeld omdat bij een snelheid lager dan 3,0 m/s (en dus Ss < 0,30 V) de comparator een laag signaal geeft, terwijl de OF-poort een hoog signaal aangeboden moet krijgen. De comparator 2 wordt gebruikt voor de hoge snelheid. Deze krijgt een hoog signaal op de uitgang als de snelheid boven de 15,0 m/s (en dus Ss > 5,30 V) komt. Er is sprake van een OF-situatie namelijk de windsnelheid lager dan 3,0 m/s f hoger dan 15,0 m/s. Dat betekent het gebruik van een OF-poort. Achter de OF-poort moet nog een invertor geplaatst worden omdat de windturbine volgens de opgave stilstaat als het uitgangssignaal in B laag is. Vervolg op volgende bladzijde.

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

119

Vervolg van opgave 72. Uitvoering We bouwen de schakeling volgens de figuur hiernaast: Controle Ga na eens na of de schakeling geheel volgens wens reageert.SAwindsnelheidssensor

comparator 1

+ Sref = 0,3 V

1 1 1SB

comparator 2

+ Sref = 5,3 V

73 Badkamerventilator a Zie nevenstaande figuur. Uit het gegeven diagram blijkt dat bij 70% relatieve vochtigheid de sensorspanning Us = 3,1 V. Dus de referentiespanning Uref moet op 3,1 V worden ingesteld.

vochtigheidssensor

comparator

+ Uref

A 1naar

D

ventilator

drukschakelaar

5,0 V

B

C

b De teller telt als de aan/uit van de teller hoog is en bovendien de reset laag is. Op het moment dat de persoon opstaat, wordt de reset van de teller laag. De uitgang van de geheugencel (die hoog was) blijft hoog, dus ook de aan/uit van de teller blijft hoog. De teller gaat dus tellen. c De ventilator slaat af als de geheugencel gereset wordt. Dat gebeurt nadat er 128 pulsen geteld zijn. 1 = 2,50 s . De ventilator slaat dus na 128 2,50 = 3,2102 s (= 5,3 min) af. En puls duurt 0,40 Afgerond: t = 3,2102 s 74 Binnenverlichting a Op het moment dat de deur dichtgaat, wordt het signaal bij S1 laag en wordt de teller niet meer gereset. Omdat de uitgang van de geheugencel hoog blijft en dus ook de aan/uit-ingang van de teller hoog blijft, begint de teller op dat moment te tellen. b Als de teller op 10 staat, zijn zowel uitgang 2 als uitgang 8 hoog. De EN-poort ontvangt dus 2 hoge signalen en gaat ook een hoog op de uitgang zetten. Omdat de set van de geheugencel laag is en M wordt gereset, wordt A laag en gaat de verlichting uit. c In 7,0 seconden telt de teller tot 10. 10 = 1,43 Hz . S1 De frequentie f is dan 7,0 Afgerond: f = 1,4 Hz d Zie nevenstaande figuur: er moet een OF-poort worden gebruikt.pulsgenerator geheugencels r

M

A

tellertelpulsen32 16 8 4 2 1

ENpoort

0

10 Hz

aan / uit reset

&1

S2

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

120

75 Autos tellen a Zie diagrammen hiernaast. Toelichting: de comparator gaat van laag naar hoog op het moment dat het sensorsignaal Ss de ingestelde referentiespanning Sref bereikt. b Het referentiesignaal moet op een hogere waarde ingesteld worden. Omdat een auto zwaarder is dan een fietser, is het signaal dat de druksensor afgeeft hoger. Ligt Sref boven Sfietser maar onder Sauto dan zal de comparator alleen een hoog signaal afgeven als de auto over de druksensor rijdt. cdruksensor

Ss

Sref

tijd Scomp 1

Sref

+ +5V

tel pulsen A/U R

8 4 2 1

tel pulsen A/U

128 64 32 16 8 4 2 1

+5V

R

0

tijd

Toelichting : Als een auto over de druksensor rijdt, geeft de comparator twee keer een hoog signaal af (twee wielen!), terwijl n auto geteld moet worden. Door de uitgang 2 van teller A te verbinden met 'tel pulsen' van teller B wordt er telkens n puls aan teller B toegevoerd nadat teller A 2 pulsen ontvangen heeft. d Digitale code: 1 1 0 1 1 1 1 0 1 27 + 1 26 + 0 25 + 1 24 + 1 23 + 1 22 + 1 21 + 0 2 = = 128 + 64 + 16 + 8 + 4 + 2 = 222 e Teller C wordt met n verhoogd als teller B op 100 staat (want 64 + 32 + 4 = 100). Teller C geeft dus aan het aantal keer 'honderd auto's' dat er gepasseerd is. Omdat teller B op nul staat, zijn er dus 222 100 = 22200 auto's gepasseerd. Het wordt dus tijd dat de ringweg aangelegd wordt!

8.4 AutomatiseringVerwerken77 a Naarmate de AD-omzetter meer bits op de uitgang heeft, zijn er meer binaire getallen beschikbaar. Het spanningsbereik wordt dan in kleinere spanningsgebieden opgedeeld. De resolutie is dan kleiner. b Naarmate het ingangsbereik groter is, zal een AD-omzetter ook een grotere resolutie hebben omdat nu een groter spanningsbereik in eenzelfde aantal spanningsgebieden wordt opgedeeld. Dus elk spanningsgebied is dan groter. 78 De conversietijd is de tijdsduur die een AD-omzetter nodig heeft om een gemeten sensorspanning om te zetten in een binair getal. In die tijd kan de AD-omzetter niet een volgende meetwaarde verwerken omdat er in de AD-omzetter dan 'getallen door elkaar gaan lopen'. Daarom moet de bemonsteringstijd dus groter zijn dan de conversietijd. 79 Resolutie = V 80 Een 8-bits AD-omzetter heeft 28 = 256 binaire getallen ter beschikking. Ingangspan ning 2,54 5,0 = = 130,048 . = 0,0195 V . De resolutie = Resolutie 0,0195 256 De ingangsspanning van 2,54 V ligt dan in het 130e gebied (naar beneden afgerond!). Binaire code 130:1 27 + 0 26 + 0 25 + 0 24 + 0 23 + 0 22 + 1 21 + 0 20 1000 0010 81 Het binaire getal 1 0 1 0 = 1 23 + 0 22 + 1 21 + 0 20 = 8 + 0 + 2 + 0 = 10. spanningsb ereik 5,0 5,0 = = = 7,63 10 5 V aantal beschikbar e binaire getallen 216 65536 Afgerond: resolutie = 7,610-5

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

121

5,0 = 0,3125 V .De ingangspanning heeft een waarde tussen 10 0,3125 = 3,125 16 en 11 0,3125 = 3,4375 V Afgerond: 3,1 Vi < 3,4 V De resolutie =

82 fm =

1 1 1 1 fm,maximaal = = = = 2,00 10 4 Hz Afgerond: fm,max = 20 kHz Tm Tm,mininaal Tconversie 50 10 6

83 Het temperatuurgebied omvat een T = 45,0 - 30,0 = 15,0 C. 15,0 = 150 spanningsgebieden voor de AD-omzetter De resolutie = 0,1 C er moeten minimaal 0,1 beschikbaar zijn. Aangezien een 7-bits omzetter slechts 27 = 128 binaire getallen ter beschikking heeft, zal het dus minimaal een 8-bits AD-omzetter moeten zijn. Dus minimaal 8 binaire uitgangen. 84 a Tconversie Tm en Tm = 1 1 = = 2,0 10 3 s fm 500 Tconversie 2,0 ms

b De 4-bits AD-omzetter heeft een resolutie =

5,0 binaire 2,5 = 0,3125 V 16 getallen Om de 2,0 ms wordt er een meting verricht: 2,0 Sensorspan ning 1,2 = = 3,84 t = 2,0 ms S = 1,2 V Resolutie 0,3125 0101 meting in 3e gebied binair getal 0 0 1 1 1,5 0100 Sensorspan ning 1,4 = = 4,48 t = 4,0 ms S = 1,4 V Resolutie 0,3125 0011 1,0 meting in 4e gebied binair getal 0 1 0 0 Sensorspan ning 1,6 = = 5,12 t = 6,0 ms S = 1,6 V Resolutie 0,3125 0 meting in 5e gebied binair getal 0 1 0 1 t = 8,0 en 10 en 12 ms S = 1,8 V Sensorspan ning 1,8 1000 = = 5,76 Resolutie 0,3125 0111 meting in 5e gebied binair getal 0 1 0 1 Ss,binair 0110 Verder zie de figuur rechtsboven. In de figuur zijn met stippel0101 lijntjes de verschillende spanningsgebieden aangegeven waarbinnen hetzelfde binaire getal wordt toegewezen. 0100

4

8

12

16

t (ms)

c Zie nevenstaande figuur.

Controleren87 Resolutie van een meetsysteem a Een 8-bits AD-omzetter heeft 28 = 256 binaire getallen 5,0 = 0,0195 V. ter beschikking. De resolutie = 256 b Gevoeligheid = 2,6 - 1,3 = 0,0325 V/ C 80 - 40

0011 0010 0001 0000 0 4 8 12 16

t (ms)

Afgerond: Gevoeligheid = 3,310-2 V/C

c De resolutie van de AD-omzetter is 0,0195 V de temperatuurverandering moet minimaal 0,0195 = 0,60 C zijn om het binaire getal met n te verhogen Resolutie meetsysteem = 0,60 C 0,0325 d De resolutie van de AD-omzetter is dan 5,0 216

=

5,0 = 7,63 10 5 V . De temperatuurverandering 65536

7,63 10 5 moet nu minimaal = 0,002348 C zijn om het binaire getal met n te verhogen. 0,0325 Afgerond: Resolutie meetsysteem = 2,310-3 C

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

122

e Bij een 2 zo grote gevoeligheid zal de sensor een 2 zo grote verandering in spanning krijgen bij dezelfde temperatuurverandering. Dit betekent dat het meetsysteem bij een 2 zo kleine verandering in temperatuur het binaire getal al met n verhoogd 2,348 10-3 = 1,174 10-3 C 2 Afgerond: Resolutie meetsysteem = 1,210-3 C 88 Minispectrometer a Gevraagd: ijkdiagram van de lichtsensor. Gegeven: 0 V Ss 5,0 V; Ss = 0 V bij I = 1,5 W/m2; gevoeligheid sensor: S = 1,0 V bij I = 2,2 W/m2; 6 ijkgrafiek is lineair. Eerst moet de horizontale schaalverdeling worden bepaald. De sensor begint pas te meten bij een intensiteit van 1,5 W/m2. De bovenwaarde Ss = 5,0 V: uit de gevoeligheid volgt dat S = 5,0 V bij I = 5 2,2 = 11,0 W/m2 . Dus Ss = 5,0 V bij I = 1,5 + 11,0 = 12,5 W/m . Verder zie nevenstaande diagram.2

Ss 5 (V)4 3 2

b Stap 1: 1 Als de lichtintensiteit binnen een golflengtegebied nauwkeuriger moet kunnen worden bepaald, moet 0 men AD-omzetters gebruiken die zijn 0 2 4 6 8 voorzien van meer dan 8 bits. Ook zou men gevoeliger sensoren kunnen gebruiken waarbij de sensorspanning meer veranderd bij een bepaalde intensiteitsverandering.

10

12

14

I (W/m2)

Stap 2: Als de golflengtegebieden waarin de lichtintensiteit wordt bepaald smaller moeten zijn, moet men meer dan 20 smallere lichtsensoren gebruiken met evenzovele AD-omzetters. 89 Holland Acht a De in te stellen grootheid is de kracht F die de roeier op de riem uitoefent en de te meten grootheid is de spanning Ss die de sensor afgeeft. b De hoek wordt gemeten van - 80 tot + 80 en heeft dus een omvang van 160. Uit figuur 60 is op te maken dat er steeds met stapjes van 2,5 wordt gemeten. 60 - 40 = 2,5 per stap. Bijvoorbeeld tussen - 60 en - 40 zijn 8 stappen te onderscheiden: 8 160 = 64 intervallen nodig en dus 64 binaire getallen. Voor het volledige bereik zijn daarom 2,5 Dat betekent dat is er minimaal een 6-bits AD-omzetter nodig is want deze heeft 26 = 64 binaire getallen ter beschikking.

8.6 AfsluitingControleren94 Aquariumtemperatuur Orintatie Gevraagd: Een alarmsysteem voor temperatuurbewaking van een aquarium. Gegeven: Het aquariumwater moet tussen de 15 C en de 25 C blijven. De gebruikte temperatuursensor levert bij 15 C een Ss = 2,1 V en bij 25 C een Ss = 2,45 V. Comparator 1 en comparator 2 kunnen elk op n van de twee referentiespanning gezet worden. Planning Stellen we comparator 1 af op 15 C (S1,ref = 2,1 V) dan moet deze nog verbonden worden met een invertor omdat een lagere temperatuur juist een laag signaal van de comparator geeft. Comparator 2 kunnen we dan afstellen op 25 C (S2,ref = 2,45 V). Aangezien het een f-f-situatie is, kunnen de signalen toegevoerd worden aan de OF-poort die op zijn beurt weer met het lampje verbonden kan worden.

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

123

Het is niet duidelijk of het lampje ook moet blijven branden als de temperatuur eenmaal buiten de gewenste grenzen is geweest en inmiddels weer binnen de grenzen is. In dat geval zou er nog gebruik gemaakt kunnen worden van de geheugencel. Vervolg op volgende bladzijde.

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

124

Vervolg opgave 94. Uitvoering Zie de figuur hiernaast. Controle Ter controle kun je weer nagaan of de schakeling aan de gewenste voorwaarden voldoet. 95 Startpistoolsensor signaal

+ comparator 1V

&EN-poortset

>1 =OF-poort naar lampje

+ comparator 2V

1reset

Mgeheugen

invertor

Orintatie Gevraagd: Schakeling voor een startsysteem. Gegeven: Lichtsensor geeft Ss = 1,0 V indien de lichtbundel niet onderbroken is. Een eventuele korte onderbreking van de lichtbundel moet met een geheugencel worden vastgelegd, waardoor een lamp en een zoemer in werking worden gezet. Planning Deelsysteem 1: door de lichtsensor met een comparator te verbinden kan de drempelwaarde waarop de lichtonderbreking het startsysteem activeert, worden ingesteld, bijv. op Sref = 0,50 V. Het comparator-signaal moet vervolgens met een invertor worden verbonden zodat het onderbreken van het lichtsignaal tot een kort hoog signaal leidt waardoor de geheugencel kan worden geset. Deelsysteem 2: het alarm (lamp en zoemer) mogen pas in werking komen als het systeem geactiveerd is d.w.z. zolang er nog niet duidelijk aan een start gewerkt wordt moet het systeem niet aan staan. Met een drukschakelaar kun je een geheugencel activeren (S) waardoor het systeem op stand by wordt gezet. Deelsysteem koppelen: het alarm mag pas afgaan als het systeem op stand-by staat n iemand te vroeg start. Dit betekent dat deelsysteem 1 en deelsyteem 2 via een EN-poort aan elkaar gekoppeld moeten worden. Aan de uitgang van de EN-poort wordt dan de lamp en zoemer gekoppeld. Met een startschot moet het systeem uitgeschakeld worden omdat dan de atletiekwedstrijd is begonnen. Dit wordt nog weergegeven met een drukschakelaar, die het startschot af laat gaan n waardoor tevens beide geheugencellen gereset worden. Uitvoering Deelsysteem 1:lichtsensor

+ Sref = 0,5 V

1

S R

M

Deelsysteem 2:

stand-by schakelaar

S R

M

De deelsystemen gekoppeld:lichtsensor

+ Sref = 0,5 V

1

S R

M

Controle Ter controle ga je nog eens na of het systeem aan alle eisen voldoet en of er geen onnodige componenten gebruikt zijn.

stand-by schakelaar

S R

M

&

start-schot schakelaar

naar startpistool

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

125

96 Voetgangerslicht Orientatie Gevraagd: Ga na in welke periode het rode licht brandt en in welke periode groen licht bij de gegeven schakeling. Planning Beginsituatie We nemen aan dat om te beginnen zowel geheugencel 1 als 2 gereset zijn. In dat geval staat de teller uit n op 0 aangezien de reset-ingang hoog is door de invertor. Als ook de tweede geheugencel een laag uitgangssignaal heeft, dan brandt het rode lampje toch door de werking van de invertor. Het groene lampje is uit. Situatie vanaf t = 0 door druk op S Vanaf t = 0 s telt de teller de aangeboden pulsen. Bij de derde puls zijn de uitgangen 1 en 2 van de teller beide hoog en zullen daarom ook de uitgang van de EN-poort hoog maken. Op datzelfde moment wordt geheugencel 2 geset en is de uitgang ervan ook hoog. De rode lamp gaat uit en de groene lamp gaat aan. Situatie vanaf de 8e puls na de druk op S Vanaf de 8e puls worden beide geheugencellen door het hoge signaal op uitgang 8 van de teller gereset. De teller stopt met tellen, de groene lamp gaat uit en de rode lamp gaat weer aan. Het wachten is nu tot de volgende op de knop drukt. Uitvoering We geven bovenstaande weer in een kopie van figuur 66:

druk op S

Spuls0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

t (s)

14

15

rood groenControle Controleer nog eens of de juiste pulsmomenten gekozen zijn. 97 Verkeerslicht Orientatie Gevraagd: In welke periode(n) branden het rode, het oranje en het groene licht na het moment waarop een auto de sensor passeert? Gegeven: Een regelschakeling voor de 3 verkeerslichten. Planning Om na te gaan op welke momenten de drie lichten geschakeld worden, moet je nagaan hoe de verschillende signalen door de schakeling worden doorgegeven. Het beste kun je dat in 2 stappen nagaan: A vr het moment van passeren van de reed-contactsensor. B vanaf het moment van passeren van de reed-contactsensor. Uitvoering Ad A. Stel dat de geheugencel, die met de reedcontact-sensor verbonden is, een laag signaal geeft. De daaraan gekoppelde invertor geeft dan een hoog signaal aan de reset van de teller. Deze staat dus op 0. Bovendien maakt het lage signaal van de geheugencel op de A/U dat de teller niet telt. Alle uitgangen van de teller zijn laag. De invertor naar het rode licht heeft een laag ingangsignaal en dus een hoog uitgangsignaal het rode licht brandt. Het oranje en het groene licht branden niet omdat deze een laag signaal aangeboden krijgen.

Vervolg op volgende bladzijde.

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

126

Vervolg van opgave 97. Ad B. Als de reedcontact-sensor een kort hoog signaal afgeeft bij het passeren van de auto, wordt de geheugencel geset. Deze heeft nu een hoog uitgangsignaal via de invertor stopt het resetten van de teller en de teller krijgt op A/U een hoog signaal en gaat dus tellen. De pulsgenerator geeft 1 puls per seconde. Na 1 seconde krijgt de OF-poort naar het groene licht een hoog signaal: het groene licht gaat branden en tegelijkertijd gaat het rode licht uit omdat de OF-poort naar het rode licht ook hoog wordt terwijl de daaraan gekoppelde invertor er een laag signaal van maakt. Dit blijft ook zo in de 2e en 3e seconde. Na de 4e seconde gaat het groene licht weer uit en gaat het oranje licht branden. De OF-poort naar het groene licht wordt dan weer laag op de uitgang omdat beide ingangsignalen ook laag worden. Ook het rode licht kan niet gaan branden omdat de OF-poort naar het rode licht ook nu weer een hoog signaal aangeboden krijgt. In de 5e seconde wordt de EN-poort die de reset van de geheugencel bedient even hoog. Dit maakt dat de teller stopt met tellen n dat de teller op 0 wordt gezet. Alle uitgangen van de teller worden weer laag gemaakt waardoor ook het oranje licht uitgaat en het rode licht weer aangaat. Controle Conclusie: Voordat de auto het reed-contact passeert, brandt het rode licht. Nadat de auto het reed-contact gepasseerd is, gaat het rode licht uit en het groene licht aan. Dit groene licht blijft 3 seconden branden. Daarna brandt het oranje licht gedurende 1 seconde. Vervolgens gaat het rode licht weer aan: de cyclus heeft dan 5 seconden geduurd. 98 Krachtsensor Orientatie Gevraagd: De gevoeligheid van de sensor zo nauwkeurig mogelijk bepalen bij F = 30 N. Gegeven: Het ijkdiagram van de sensor met horizontaal een logaritmische schaal. Om de gevoeligheid te bepalen is het van belang om te weten in hoeverre er sprake is van een lineair verband. Dit is aan het gegeven diagram niet af te lezen omdat de horizontale schaal logaritmisch van aard is. Het is van belang om het gegeven diagram dus eerst om te zetten in een diagram met ook horizontaal een lineaire schaalverdeling. N.B. Indien je er zeker van bent dat er sprake is van een lineair verband tussen het sensorsignaal Ss en de kracht F dan zou je kunnen volstaan met het gegeven diagram. Je neemt dan twee punten in de buurt van de 30 N bijvoorbeeld 20 resp. 40 N en leest de bijbehorende waarden van het sensorsignaal af. S ( 40 ) S s ( 20 ) Je berekent de gevoeligheid dan als volgt: gevoelighe id = s . 40 20 Planning Door in het gegeven diagram een aantal waarden af te lezen kun je een diagram maken met ook horizontaal een lineaire schaal. I.v.m. de grootste nauwkeurigheid kun je vervolgens het beste een raaklijn aan de kromme tekenen in het punt (2,5 V;30 N). De helling van deze raaklijn geeft dan de gevraagde gevoeligheid. Uitvoering Zie diagram hiernaast. Het blijkt dat het ijkdiagram redelijk lineair is in het gebied rond de 30 N. Toch tekenen we een raaklijn om de nauwkeurigheid zo groot mogelijk te maken. Vervolgens nemen we de waarden van twee punten op deze raaklijn om de gevoeligheid 4,5 0 = 0,2045 V/N te berekenen: gevoelighe id = 40 185

Ss 4 (V)3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70

F (N)Afgerond: Gevoeligheid = 0,20 V/N

Controle De berekende waarde van de gevoeligheid lijkt te kloppen als je let op het sensorbereik. Het is ook duidelijk dat de sensor in het gebied rond 20 N en in het gebied rond 40 N zeker niet meer lineair verloopt. Als je uitgegaan was van het gegeven diagram met de logaritmische schaal, had je zeker geen nauwkeurige waarde gevonden.

Newton vwo deel 1a

Uitwerkingen Hoofdstuk 8 Technische automatisering

127

99 Geluidmeting Orientatie Gevraagd Waarschuwingsschakeling voor geluidmeting. Gegeven: Er moet een waarschuwingssignaal gegeven worden als de geluidssterkte boven de 90 dB uitkomt. Dit waarschuwings-signaal moet nog 3 seconden blijven doorgaan nadat de geluidssterkte weer onder de 90 dB is gekomen. Planning Het systeem moet op 2 punten aangevuld worden: A Zo gauw de comparator een hoog signaal geeft, moet D ook hoog zijn en bovendien blijven ook als het comparator signaal laag is geworden dit vraagt om aansluiting op een geheugencel. B Het signaal in D moet 3 seconden hoog blijven nadat het comparator-signaal laag geworden is. Na 3 seconden zijn zowel de uitgang 1 als 2 van de teller hoog. Door deze op een EN-poort aan te sluiten, kun je het hoge signaal dat deze na 3 seconden geeft, gebruiken om de geheugencel weer te resetten. Hierdoor wordt het signaal in D weer laag. Uitvoering Zie nevenstaande schakeling. Controle Ter controle ga je nog eens na of het systeem aan alle eisen voldoet en of er geen onnodige componenten gebruikt zijn.A

+ Sref1 Hz

S R

M

tel pulsen 84

1

A/U

D

2 1

&

reset