Newton 4 4H K2 uitwerkingen v2

K2 Technische automatisering
Meten en regelen | Havo
Uitwerkingen basisboek
K2.1 INTRODUCTIE
1
[W] Automatische systemen om je heen
2
[W]
3
Waar of niet waar?
a Waar
b Niet waar: De uitvoer van een automatisch systeem wordt geregeld door actuatoren.
c Waar
d Niet waar: In het verwerkingsdeel wordt op basis van de invoer een ‘beslissing’
genomen over de uitvoer.
e Waar.
4
a
b
c
Een sensor heeft een bepaalde waarde bereikt of er is een bepaalde combinatie van
twee of meer sensorsignalen.
Er is een bepaalde tijd of een bepaald aantal gebeurtenissen verstreken.
Er wordt een apparaat aan- of uitgeschakeld.
5
a
b
c
d
e
De input is het juiste muntje of aantal muntjes.
De verwerking is het controleren van het ingeworpen bedrag en het uitzoeken van het
blikje.
De output is de motor die het juist blikje naar buiten gooit.
Er moet een sensor zijn die meet of het niet te hard waait (een windsensor) en een
sensor die meet of de zon schijnt (een lichtsensor).
Het scherm moet worden opgerold als het te hard waait of als de zon niet meer
schijnt.
Een nachtlamp bij de voordeur, die alleen aan gaat als het donker is (lichtsensor) én
als er iemand aankomt (bewegingssensor).
Als de lichtsensor aangeeft dat er weinig licht is en de bewegingssensor aangeeft dat
er iemand is, moet de lamp aan gaan.
6
a
b
c
Geluidssensor en bewegingssensor.
De antenne vangt het gsm-signaal op, maar zendt ook weer een signaal uit.
Een luidspreker.
a
b
‘to compare’ betekent ‘vergelijken’.
Een Nederlands woord voor ‘invertor’ is ‘omkeerder’. Deze draait het signaal om: hoog
wordt laag en laag wordt hoog.
a
b
Een lichtsensor.
Met behulp van een tijdklok worden er enkele seconden afgeteld, waarna de fontein
weer aangaat.
7
8
© ThiemeMeulenhoff bv
Pagina 1 van 12
9
De robotstofzuiger zendt infraroodstraling uit, met een infrarood sensor wordt de door
voorwerpen en muren weerkaatste straling opgevangen en de afstand tot de hindernissen
bepaald, zodat de zuiger deze kan ontwijken.
K2.2 SENSOREN EN SIGNALEN
10
Waar of niet waar?
a Waar
b Niet waar: Het meetbereik van een sensor geeft aan binnen welk gebied de sensor
bruikbaar is.
c Waar
d Niet war: Een continu signaal kan alle mogelijke waarden hebben tussen 0 en 5 V,
maar het hoeft niet continu te veranderen.
e Waar.
11
A: continu
C: continu
12
V
a
b
c
B: binair
D: digitaal
Voorbeelden zijn: thermostaat, nachtlamp, koelkast, alarminstallatie, winkelbel…
Thermostaat: temperatuur
nachtlamp: lichtsterkte
koelkast: temperatuur
alarminstallatie: warmte (infraroodstraling van een persoon die binnenkomt)
winkelbel: lichtsterkte.
De temperatuursensor van de koelkast heeft een grote gevoeligheid en de lichtsensor
van de nachtlamp een groot meetbereik.
13
a
b
c
De parkeersensoren zijn aan de voorkant en aan de achterkant van de auto
aangebracht (vaak op de bumper) en ook aan de zijkant. Parkeersensoren zenden
ulstrasoon geluid uit en vangen dat ook weer op.
Een lichtsensor en een bewegingssensor.
Mensen stralen warmte (dus infrarode straling) uit. Je zou dit kunnen onderzoeken
door een koud voorwerp en een warm voorwerp voor de sensor te houden.
14
a
1 contactsensor (die registreert of de riem in de houder zit)
2 niveausensor (vlotter of ultrasoon)
3 druksensor
4 stroommeter
Een piezo-element dat bij samendrukking een spanning produceert (dus een soort
druksensor).
a
Een continu signaal kan alle mogelijk waarden tussen 0 en 5 V zijn. Een binair signaal
kan alleen 0 V (laag) of 5 V (hoog) zijn.
Een binair signaal geeft weinig informatie: iets zit boven of onder een bepaalde
waarde, maar je weet niet hoe ver boven of onder die waarde.
15
b
© ThiemeMeulenhoff bv
Pagina 2 van 12
c
De drukschakelaar en de puls generator.
a
De steilheid van de lijn in het ijkdiagram geeft de gevoeligheid aan. De gevoeligheid
van een sensor is hoger als de lijn steiler loopt.
Het meetbereik is langs de horizontale as van het diagram af te lezen.
16
b
c
17
Eigen antwoord.
18
a
b
c
d
e
f
Niet waar: De gevoeligheid van een versnellingssensor wordt uitgedrukt in volt per
m/s2.
Waar
Waar
Waar
Niet waar: In een lichtsensor worde een LDR als gevoelige weerstand opgenomen.
Waar
19
a
b
c
20
De temperatuur op de horizontale as loopt van 0 tot 300 °C. Dat is ook het meetbereik
van de sensor.
De gevoeligheid is het hellingsgetal van de grafiek bij 150 °C, om dat te bepalen moet
je de raaklijn aan de grafiek in dat punt tekenen.
Deze sensor kan goed in een oven gebruikt worden.
Fz,max = m ∙ g = 20,0 ∙ 9,81 = 196 N  sensor C valt duidelijk af. Het meetbereik is
onvoldoende.
Sensor B met het bereik van 0 - 200 N voldoet het beste. In het betreffende meetgebied
van 0 - 200 N heeft deze sensor ook de grootste gevoeligheid namelijk 0,020 V/N.
21
a
b
Voorbeelden zijn: temperatuursensor, geluidssensor, evenwichtssensor, lichtsensor,
tastzintuig...
De temperatuursensor werkt per individu verschillend: de een heeft het veel sneller
koud dan de ander en zal reageren op kleinere temperatuurverschillen.
22
a
b
Bij 5,0 V is de kracht 5,0 / 0,33 = 15 N. Het meetbereik van de sensor is
0 – 15 N.
De grafiek is een rechte lijn door de oorsprong en het punt (15 N, 5,0 V):
© ThiemeMeulenhoff bv
Pagina 3 van 12
23
a
b
c
De sensor is lineair tussen 4,0 en 12,0 m/s.
Gevoeligheid = (4,0 - 1,0) / (12 - 4,0) = 0,375 V/(m/s) = 0,38 Vs/m.
De sensor is geen weerstand maar een spanningsbron (dynamo).
a
b
c
Zie de figuur hiernaast.
Bereik: van 15 dB tot 115 dB.
Gevoeligheid = (3,20 - 1,20) / (80 - 40) = 0,050 V/dB.
a
b
c
Als er meer licht op de LDR valt neemt de weerstand van de LDR af.
De stroomsterkte door de schakeling wordt daardoor groter.
De spanning over de vaste weerstand wordt groter bij een grotere stroomsterkte, dus
neemt het sensorsignaal toe.
De bronspanning verandert niet, dus door het toenemen van de spanning over de
vaste weerstand zal de spanning over de LDR afnemen. Als het sensorsignaal de
spanning over de LDR is, neemt dit sensorsignaal af als er meer licht op de LDR valt.
Je zou dan een dalende ijkgrafiek krijgen. We werken liever met een stijgende
ijkgrafiek.
Antwoord met stroomsterkte: 𝑅tot = 1,5 + 0,700 = 2,2 kΩ en
24
25
d
e
𝑈
12,0
𝐼 = 𝑅 = 2200 = 5,45 ∙ 10−3 A. Het sensorsignaal is de spanning over de vaste
weerstand: 𝑈 = 𝐼 ∙ 𝑅 = 5,45 ∙ 10−3 ∙ 1500 = 8,2 V.
Antwoord met spanningsdeling: De spanning wordt verdeeld over weerstanden van
0,700 en 1,5 kΩ. Het sensorsignaal is de spanning over de vaste weerstand:
𝑈=
f
𝑅sensor
𝑅totaal
1,5
∙ 𝑈tot = 2,2 ∙ 12 = 8,2 V.
Antwoord met stroomsterkte:
𝐼=
𝑈LDR
𝑅LDR
=
1,8
1500
= 1,2 ∙ 10−3 A en
𝑈LDR = 𝑈totaal − 𝑈sensor = 12 − 1,8 = 10,2 V dus
𝑅LDR =
𝑈LDR
10,2
=
= 8,5 kΩ
𝐼
1,2 ∙ 10−3
Antwoord met spanningsdeling: 𝑈sensor = 1,8 V en hoort bij een weerstand van 1,5
kΩ. 𝑈totaal = 12 𝑉 dus 𝑈LDR = 12 − 1,8 = 10,2 V. De weerstand van de LDR is dan
𝑈LDR
𝑅LDR = 𝑈
sensor
∙ 𝑅sensor =
10,3
∙
1,8
1,5 = 8,5 kΩ.
26
a
b
c
Bij deze sensor neemt de (variabele) weerstand (en dus ook de sensorspanning) toe
als de kracht toeneemt.
De kracht van 25 N is het gemiddelde van 0 en 50 N, de weerstand is het gemiddelde
van 12 en 36 kΩ: 24 kΩ.
De weerstanden zijn resp. 12 en 24 kΩ dus Utotaal = 36 kΩ. De sensorspanning is de
spanning over de weerstand van 24 kΩ dus
𝑈sensor =
d
𝑅sensor
𝑅totaal
24
2
∙ 𝑈totaal = 36 ∙ 10 = 3 ∙ 10 = 6,7 V.
Het sensorsignaal is maximaal als de weerstand 36 kΩ is. Utotaal = 48 kΩ. De spanning
is dan 𝑈sensor
=
© ThiemeMeulenhoff bv
𝑅sensor
𝑅totaal
∙ 𝑈totaal =
36
48
3
4
∙ 10 = ∙ 10 = 7,5 V.
Pagina 4 van 12
27
a
b
Als er meer licht op de LDR valt, zal de weerstand van de LDR afnemen. Hierdoor
neemt de spanning over de LDR af en de spanning over de vaste weerstand (het
sensorsignaal) toe.
De vaste weerstand is 680 Ω, de weerstand van de LDR 340 Ω. Over de vaste
weerstand is de sensorspanning.
𝑈sensor =
c
𝑅sensor
𝑅totaal
∙ 𝑈totaal =
680
∙
680+340
2
3
12,0 = ∙ 12,0 V = 8,00 V.
𝑈sensor = 3,5 V dus 𝑈LDR = 𝑈totaal − 𝑈sensor = 12,0 − 3,5 = 8,5 V. De weerstand van de
LDR is dus 𝑅LDR
=
lichtsterkte is 110 =
𝑈LDR
𝑈sensor
1,1∙102
∙ 𝑅sensor =
8,5
∙
3,5
680 = 1651 Ω = 1,65 kΩ. De
lux.
28
a
b
1 ∙ 24 + 1 ∙ 23 + 1 ∙ 22 + 0 ∙ 21 + 1 ∙ 20 = 16 + 8 + 4 + 0 + 1 = 29
1 ∙ 27 + 0 ∙ 26 + 1 ∙ 25 + 1 ∙ 24 + 1 ∙ 23 + 1 ∙ 22 + 0 ∙ 21 + 1 ∙ 20 =
128 + 0 + 32 + 16 + 8 + 4 + 0 + 1 = 189
c
210 – 1 = 1023
a
b
c
Het cijfer 2 komt niet voor in een binair getal.
29
102 = 64 + 32 + 4 + 2 = 26 + 25 + 21 + 20  1 1 0 0 1 1 0
9, want 29 = 512 (dus voor 512 zijn 10 bits nodig)
K2.3 AUTOMATEN BOUWEN
30
Waar of niet waar?
a Waar
b Niet waar: Een comparator zet een continu signaal om in een digitaal signaal.
c Niet waar: De invoer van en automatisch systeem wordt geregeld door sensoren, de
uitvoer door actuatoren.
d Niet waar: Een invertor zet een hoog signaal om in een laag signaal en andersom.
e Niet waar: De uitgang van een EN-poort is alleen hoog als beide ingangen hoog zijn.
f
Niet waar: De uitgang van een OF-poort is alleen laag als beide ingangen laag zijn.
g Waar
h Niet waar: De uitgang van een geheugencel springt van laag naar hoog op het
moment dat de set van laag naar hoog gaat.
i
Waar
j
Waar
k Waar
l
Niet waar: Een invertor na een EN-poort verandert deze in een NEN-poort.
m Niet waar: Een geheugencel kun je via de reset laag maken.
n Niet waar: Een pulsenteller kan maximaal 10 s tellen (hij springt na 9 weer naar nul).
31
a
b
Als je de spanning van twee sensoren combineert, is het resultaat een onbekende
spanning, waarop de comparator niet correct kan reageren.
Twee componenten van het systeembord kunnen gecombineerd worden met een ENpoort en een OF-poort.
© ThiemeMeulenhoff bv
Pagina 5 van 12
c
Als het ene signaal hoog is en het andere laag, wordt de combinatie een onbekende
spanning tussen 0 en 5 V. Het is dan niet meer duidelijk of het een hoog of een laag
signaal is.
a
Omdat EN 1 EN 2 EN 3 hoog moeten zijn heb je twee EN-poorten nodig.
b
Voor de EN-poort van 2 en 3 komt een invertor.
c
Om de werking van de schakeling van vraag om te keren worden alle drie ingangen
direct verbonden met een invertor.
a
Zodra de teller op 8 springt, wordt de teller gereset naar nul. Je krijgt de 8 dus net niet
te zien op het display.
Daarna gaat de teller verder met tellen, omdat de uitgang van de 8 en dus ook de
ingang van de reset weer laag zijn geworden.
Zodra de teller 8 wil aangeven, springt hij direct naar nul. Je ziet dus de waarde 8 net
niet. De waarden die je ziet zijn: 0 – 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7.
Op uitgang 4 van de teller. De led brandt op 4 – 5 – 6 – 7.
Als je de led aansluit op uitgang 2, zal de led afwisselend 2 s aan en 2 s uit zijn.
32
33
b
c
d
e
34
Deze vraag wordt praktisch uitgewerkt in het werkboek – vraag 25.
Je hebt nodig een comparator, geheugencel, teller en invertor.
35
Eigen antwoord.
36
a
b
* Het alarm gaat af als:
- de sensor even hoog is geweest;
- er daarna 4 seconden is gewacht.
* Het alarm gaat niet af of wordt uitgezet als:
- er iemand op een knop drukt.
Comparator, geheugencel en schakelklok.
© ThiemeMeulenhoff bv
Pagina 6 van 12
c
Zie de figuur.
a
Het scherm gaat naar beneden als:
- de verlichtingssterkte op de vensterbank boven een bepaalde waarde komt;
- bovendien de temperatuur in de kamer boven een bepaalde waarde is.
Omdat de temperatuur hoog moet zijn en er veel licht moet zijn komt bij Y een ENpoort. Bij X komt geen poort maar een verbinding (draad).
37
b
38
a
b
c
Beide EN-poorten hebben als uitgang een 0, de led brandt niet (0).
Alleen als alle drie de drukschakelaars S1, S2, en S3 ingedrukt worden, zal de led
branden.
Zie de figuur.
39
a
b
c
d
De uitgangen van de OF-poort en de eerste EN-poort zijn 0, uitgang van de invertor is
1 en de uitgang van de tweede EN-poort is 0, dus de led brandt niet.
Dan wordt de uitgang van de OF-poort 1 en de led gaat branden.
S1
0
S2
0
led
0
1
0
0
1
1
1
1
1
0
Alleen als slechts één van de schakelaars S1 of S2 wordt ingedrukt, zal de led gaan
branden.
40
Bij A een invertor: bij weinig licht gaat de teller aan.
Bij B een draad, als er veel licht is wordt de teller gereset.
Bij C een OF-poort om van 2 tot 8 s te blazen.
41
a
Zie de figuur.
© ThiemeMeulenhoff bv
Pagina 7 van 12
b
c
d
e
f
g
De geheugencel M1 is hoog, de teller loopt.
De uitgang van de EN-poort wordt hoog, M2 wordt hoog, het licht springt op groen
(rood gaat uit).
Tot de teller op 8 staat: M1 en M2 worden gereset.
Als M1 gereset wordt, dus de uitgang van de invertor na M1 hoog wordt, wordt de teller
ook gereset. Dat is nodig omdat de teller anders vanaf 8 door zou lopen en niet op 0
start als er weer iemand op de schakelaar drukt.
Als de A/U open is staat de teller voortdurend aan. Zolang de uitgang van M1 laag is
blijft de reset van de teller aan, de teller wordt voortdurend op 0 gehouden.
De teller wordt dan niet bij 8 gereset maar loopt door: het ritme is 2 s rood, 6 s groen,
4 s rood, 6 s groen, …
42
d
De gevoeligheid is het hellingsgetal: (4,8 – 1,6) / (30 – 10) = 0,16 V/°C.
De referentiespanningen zijn 3,2 V (bij 20 °C) en 2,6 V (bij 16 °C).
Eénmaal boven de 20 °C moet de verfrisser blijvend werken, dat kan alleen via een
geheugencel. Lager dan 16 °C moet de geheugencel gereset worden, daarom komt er
tussen die comparator en de reset een invertor.
Zie de figuur.
e
Het resultaat is:
a
b
c
43
Zie ook werkboek vraag 23.
© ThiemeMeulenhoff bv
X
Y
Z
0
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
Pagina 8 van 12
44
a
b
45
Zie ook werkboek vraag 24.
-
Zie ook werkboek vraag 25.
46
a
Zie de figuur.
b
Verbind de 1 en de 8 met een EN-poort naar de set van de geheugencel.
a
Stuursysteem: het controlelampje en het alarm gaan aan als er aan bepaalde
voorwaarden is voldaan.
Stuursysteem: de zonwering moet zakken als bepaalde waarden overschreden
worden.
Stuursysteem: de handendroger springt voor een bepaalde tijd aan als er aan
bepaalde voorwaarden is voldaan.
Stuursysteem: het licht springt voor een bepaalde tijd op groen als er op een knopje
wordt gedrukt.
Stuursysteem: de luchtverfrisser wordt ingeschakeld als bepaalde waarden
overschreden worden.
Stuursysteem: de roltrap gaat enige tijd draaien als iemand de lichtsluis aan het begin
van de trap passeert.
Regelsysteem: er is sprake van een terugkoppeling: de oven wordt ingeschakeld als
de temperatuur onder de 200 °C is, hierdoor stijgt de temperatuur van de oven en
wordt hij weer uitgeschakeld als de temperatuur boven de 200 °C is.
47
b
c
d
e
f
g
K2.4 AFSLUITING
48
Eigen antwoord
49
a
Een automatisch systeem bestaat uit een invoer (hiervoor wordt een sensor, een
drukknop of een ingebouwde klok gebruikt), een verwerking (hier worden de juiste
© ThiemeMeulenhoff bv
Pagina 9 van 12
b
c
d
e
f
g
h
i
handelingen gedaan) en een uitvoer (vaak een apparaat, een actuator, die aan of uit
wordt geschakeld).
Het meetbereik van een sensor geeft aan binnen welk gebied de sensor bruikbaar is.
De gevoeligheid van een sensor geeft aan hoeveel de sensorspanning verandert bij
een verandering van de te meten grootheid.
Een continu signaal kan alle mogelijke waarden tussen 0 en 5 V hebben. Een binair
signaal kan alleen maar hoog of laag zijn (1 of 0).
Een comparator vergelijkt de spanning op de ingang met een ingestelde waarde, de
referentiespanning. Als het signaal van de ingang hoger is dan de referentiespanning
geeft de comparator een hoog signaal af en als het signaal van de sensor lager is dan
de referentiespanning, is de uitgang laag.
Een EN-poort geeft alleen een hoog uitgangssignaal al beide ingangssignalen hoog
zijn.
Een OF-poort geeft een hoog uitgangssignaal als één van beide ingangssignalen
hoog is of als beide ingangssignalen hoog zijn.
Een invertor keert het (binaire) signaal om. Een hoog ingangssignaal wordt aan de
uitgang laag en een laag ingangssignaal wordt hoog.
Een pulsenteller telt hoe vaak een bepaald signaal hoog is geweest. In combinatie
met een pulsgenerator kan de pulsenteller als klok worden gebruikt.
50
a
b
c
d
tijdstip
A
B
C
D
E
F
direct vóór het indrukken
tijdens het indrukken
0
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
direct ná het indrukken
0
0
1
0
1
1
Lees het ijkdiagram af bij 3,0 V: de ingestelde temperatuur is 2,3·102 °C.
Als de ingestelde temperatuur is bereikt, wordt de uitgang van de comparator hoog en
dus de uitgang van de invertor laag. (Omdat een van de ingangen van de EN-poort nu
laag is,) gaat het verwarmingselement dan uit. Als de temperatuur in de oven onder
de ingestelde temperatuur zakt, gaat het verwarmingselement weer aan, enzovoort.
Zie de figuur.
© ThiemeMeulenhoff bv
Pagina 10 van 12
51
a
b
c
d
e
De gevoeligheid van de sensor is gelijk aan de steilheid van de grafiek. Deze kan bij
90 °C bepaald worden door een raaklijn te tekenen. Dit geeft: (2,2 - 1,5)/(100 - 80) =
0,035 V/°C.
Bij 95 °C is de spanning van de sensor 2,0 V. Bij een lagere temperatuur is de
spanning dus lager dan 2,0 V. De comparator geeft dan dus een laag signaal. De OFpoort voor de rode led ontvangt dus een laag signaal van de comparator en geeft
alleen een hoog signaal als het inkomende signaal van de pulsgenerator hoog is. De
rode led knippert dus.
Als de temperatuur 95 °C bereikt, wordt het signaal van de comparator hoog. Deze
gaat door een invertor en wordt dus weer laag. Dit lage signaal wordt doorgegeven
aan het verwarmingselement. Deze gaat dus uit.
Als de temperatuur 95 °C bereikt, is het signaal van de comparator hoog. Deze gaat
naar de OF-poort voor de rode led. Het uitgaande signaal van de OF-poort is dan dus
altijd positief. De rode led zal dus continu gaan branden.
Als de schakelaar ingedrukt wordt moet de pomp beginnen. Deze moet 20 s lang
blijven werken. Er is dus een geheugencel nodig. De geheugencel moet gereset
worden na 20 s. Op het moment dat de schakelaar ingedrukt wordt moet de teller dus
aangezet worden.
Na 20 s is de uitvoer van uitgang 16 en uitgang 4 van de teller hoog. Deze moeten
dus met een EN-poort verbonden worden met de reset van de geheugencel. Als de 20
s voorbij zijn wordt de geheugencel nu dus gereset, maar de teller moet nu ook
gereset worden, zodat hij bij het volgende kopje koffie weer werkt. Zie de figuur.
52
a
b
Als sensor A nog niet is afgedekt, is het uitgangsignaal van sensor A hoog. De
comparator geeft dan een hoog signaal waardoor de lamp ‘vooruit’ brandt. Als sensor
A is afgedekt, wordt het uitgangsignaal van deze sensor laag. De comparator geeft
nu een laag signaal zodat de lamp ‘vooruit’ uitgaat.
Als ook sensor B is afgedekt wordt het signaal bij B laag. De invertor keert het signaal
om in een hoog signaal zodat de lamp ‘achteruit’ aangaat. (De lamp bij A blijft uit
doordat de sensor bij A afgedekt blijft waardoor de comparator een laag signaal aan
de lamp ‘vooruit’ geeft.)
© ThiemeMeulenhoff bv
Pagina 11 van 12
c
Zie de figuur.
a
Bij het passeren van sensor 1 wordt de uitgang van de geheugencel hoog en start de
teller, bij het passeren van sensor 2 wordt de geheugencel en de teller gereset. Als er
in 64/1384e seconde gereset wordt is de snelheid groot genoeg om bij P geen hoog
signaal te geven. Daaronder, dus onder vk, wordt P in ieder geval enige tijd hoog.
Zie de figuur.
53
b
© ThiemeMeulenhoff bv
Pagina 12 van 12