Analóg telemetriagyűjtés módszereinek áttekintése. Hőmérsékletmérők és árammérők típusai, méretezése

Analóg telemetriagyűjtés módszereinek áttekintése. Hőmérsékletmérők és árammérők típusai, méretezése Űrtechnológia a gyakorlatban Kocsis Gábor BME Űrkutató Csoport, 708-as labor kocsis@mht.bme.hu

Kommunikációs busz (vagy közvetlen vonal) Műholdfedélzeti telemetria - Telemetria adatok szükségessége, szerepe - Telemetria gyűjtés és feldolgozás útja Űr szegmens Alegység Mérőeszköz Alrendszer/Kísérlet Adatgyűjtő/ feldolgozó (előfeldolgozás, adatcsomagok) Memória Fedélzeti számítógép (adatcsomag formálás; szükség esetén adatfeldolgozás és megfelelő vezérlő parancs generálása) Földi szegmens Földi állomás (demoduláció, dekódolás) Kommunikációs alrendszer (kódolás, moduláció) - Speciális követelmények - közvetlen hozzáférhetőség hiánya TM adatok megbízhatósága, pontossága - korlátozott átviteli csatorna TM frame megfelelő összeállítása Felhasználó (adatfeldolgozás)

Telemetria gyűjtés - digitális (állapot, üzemmód, hiba, stb) - analóg - elektromos (feszültség, áram) - mechanikus (nyomás, szögsebesség, fordulatszám, stb) - egyéb fizikai jellemzők (hőmérséklet, hőtágulás stb.) Analóg telemetriagyűjtés Analóg érzékelő 1 Analóg érzékelő 2 Analóg MUX A/D Szintillesztő Processzor Analóg érzékelő n Tervezési szempontok érzékelő eszköz tranziens válasza A/D csatornáinak konverziós ideje A/D bemeneti impedanciája A/D konverziós hibája analóg vonalak hossza (zajérzékenység) Érzékelő eszköz kiválasztása környezetállóság tranziens idő pontosság energiaigény méret ár

Hőmérséklet mérése - Hőmérséklet mérésének módszerei (néhány példa): - Gázhőmérő (gáz térfogatváltozása) - Folyadékhőmérő (hőtágulás) - Galilei hőmérő (folyadék sűrűségének változása) - Bimetál hőmérő (különböző hőtágulási együtthatójú fémek görbülése) - Ellenállás-hőmérő (fémek ellenállásának változása) - Termisztor (kerámia félvezetők ellenállásának változása) - Termoelem (Seebeck hatás; fémek érintkezési potenciáljának változása) - Választás szempontjai: - alkalmazási terület (melyik fizikai jelenség használható ki) - hőmérséklet tartomány - időállandó - mechanikai paraméterek (méret, szerelhetőség, hőátadás, stb) - pontosság, hosszú idejű stabilitás (EOL) - ár

Termisztorok - Thermistor = thermal + resistor (temperature sensitive resistor) - Alkalmazási példák: inrush current limitation, hőmérséklet érzékelők, túláram korlátozó (automatikusan visszaáll), önkorlátozó fűtőelemek, érzékelők hőfokfüggőségének kompenzálása, munkapont stabilizálás - Anyaga: általában félvezető (Si, Ge, stb; régen főleg fém-oxid kerámia) - Fizikai jelenség: termorezisztivitás (elektromos fajlagos ellenállás hőmérséklet függése): - az exponenciális tényező változik gyorsan - kis hőmérsékletekre (n*100 C-ig): b=0 - Δw : félvezető anyagban a töltéshordozók egyik energia szintről a másikra történő átugráshoz szükséges energia - k : Boltzmann állandó, 1.38*10-23 J/ K - T: abszolút hőmérséklet - A: hőmérséklettől független anyagállandó - B: állandó (hőmérséklet érzékenységi mutató; B= 2000..4000)

Termisztorok - NTC/ PTC hőmérséklet nő vegyértéksávból egyre több/kevesebb elektron jut át a vezetési sávba - ha nagy ellenállás: nem szükséges négyvezetékes mérés - összehasonlítás fém ellenállás-hőmérőkkel és termoelemekkel: Előnyök - Érzékenység - tipkus értékek: R=5kΩ, TC=4%/ C - gyors termikus beállási idő - kis méret (SMD is) - alacsony ár (egyszerű gyártástechnológia) Hátrányok - nemlineáris karakterisztika - szűkebb mérési tartomány (néhány 100 C-ig) - saját melegedésre érzékeny - katalógusban: maximális áram - érzékeny konstrukció - gyártási paraméterek szórása (E6) - pl. műszerekben csak hitelesítéssel cserélhetők - kalibrálás szükséges

Négyvezetékes ellenállás mérés 2 vezetékes mérés 4 vezetékes mérés Mérővezetékek ellenállása által okozott hiba kiküszöbölése 4 vezetékes mérés Kelvin csipesszel

- Példa: Termisztorok - Termisztorok jellemző adatai: - ellenállás 25 ºC-on: néhány tíz Ω - néhány száz kω - (ellenállás 80 ºC-on): a 25 ºC-on mért érték 1/5-1/10 része - hőmérséklet tényező (α) 25 ºC-on: -0,04...-0,15/ ºC - maximális teljesítmény: néhány tíz µw - néhány W - termikus időállandó: 10-2 s - néhány perc - hőmérséklet mérési tartomány: -200 ºC és +200 ºC között (ált. szűkebb) R(25 C) = 10kΩ ± 2% B (0..50 C) = 3892K ± 1.4% R(T) = 7110Ω T =? A =? Mérési hiba? (tfh. R(25 C) pontos)

Űrminősítésű lineáris termisztor

Lineáris hőmérséklet szenzor - integrated circuit temperature transducer - feszültség és áram kimenetű is van - tipikus értékek: 10mV/K, 1μA/K - előny: hőmérséklettel lineáris kimenet - hátrány: tápfeszültség igény (+ ld. hagyományos termisztor) - pl. AD 590 - nagy impedanciájú konstans áramú szabályozó 1μA/K lineáris karakterisztikával - tápfeszültség: 4..30V - hőmérséklet tartomány: -55 C..+150 C - nincs szükség külső linearizáló áramkörre - nagy kimeneti impedancia (>10MΩ) tápfeszültség változásra kevésbé érzékeny (5V 10V csak 1μA vagyis 1 C hibát okoz) - Egyszerű méretezési példa: T = -55..+70 C A/D full scale: 2.5V Rsense =? (praktikus megfontolásokkal) scale factor =?

Lineáris hőmérséklet szenzor - Hibák: - Kalibrációs hiba: tényleges és mért hőmérséklet közti különbség (gyári beállítás után) trimmelő ellenállással könnyen nullázható a teljes hőmérséklet tartományban - hőmérséklet függő hiba - nemlinearitás - környezeti hőmérséklet változás hatása: melegedés és lassabb tranziens idő P disszipált teljesítmény ϴ - hőellenállás [K/W]

Áram mérése - Alkalmazás: védelem, áramkör állapotának monitorozása, kapcsolóüzemű tápegységek visszacsatolt jele, akkumulátor töltők, stb - leggyakoribb megoldás: sönt ellenállás (speciális esetben mágneses áramérzékelés) - mért árammal arányos feszültség/áram kimenet - érzékelő ellenállás megválasztása: - disszipáció pontosság Földágban érzékelés - előnyök: - egyszerű megvalósítás (1 opamp) - olcsó és pontos - hátrányok: - földágba nem kívánt ellenállás kerül zavarérzékenység Melegágban érzékelés - előnyök: - nincs extra zavar a földágban - hátrányok: - bonyolultabb áramkör - (hibaérzékenység) pl. ellenállások azonossága

Földágban érzékelés - közös módusú feszültség közel 0 egyszerű műveleti erősítő használható - terhelés földjének eltolása probléma lehet - Pl: termisztor referencia pontjának eltolódása mérési pontosság romlik

Melegágban érzékelés - Előny: áramkör földje zavartalan - Kezdetleges megoldás: differenciál erősítővel - Követelmények: - precíziós opamp és pontos (válogatott) ellenállások - differenciál erősítő + szintillesztő - nagy közös módusú feszültség juthat az erősítő bemenetére - Gyakorlati problémák: - erősítők ofszet feszültsége és ofszet árama, ofszet drift - ellenállások szórása, driftje

Mérési pontosság (gyakorlati példa) Vcm = 1V Vsense = 10mV! Vout = 250*10mV = 2.5V Ofszet feszültségek által okozott hiba: pl. V o1 = V o2 = 1mV V o,out = 250*1.4mV = 350mV 14% Ellenállások szórásának hatása: pl. 1%-os tolerancia worst case 3.6mV/V k. m. feszültség hiba A1 kimenetén 36mV hiba A2-t telítésbe viheti! R2/R1 és R4/R3 1%-os eltérése esetén is 0.9mV hiba Teljes hiba: Kimeneten: V error,out = 250*1,67mV = 417.5mV Javítható: Kisebb toleranciájú ellenállások (pl. 0.1%) Jobb ofszetű erősítő Integrált áramköri megvalósítás További problémák: Ellenállás osztók nem kívánt áram utat jelentenek fogyasztás! Hőmérséklet, zaj

Feladat-specifikus érzékelők (melegágban) - Integrált áramköri megoldások - nagy CMRR (100-120dB) - kis bemeneti ofszet - működés: - érzékelő ellenálláson V sense = I*R sense differenciális feszültség - Erősítő nyílt hurkú erősítése hatására + és - bemeneteken azonos feszültség - RG1-en V sense -el arányos áram folyik - Áramtükör: a kimeneti terheléstől független áram: I out = I sense *R sense /RG1 - feszültség kimenet: buffer vagy ellenállás - pl. INA169 Példa: I load,max = 1A A/D full scale: 5V V offset = 1mV cél: 1%-os pontosság R sense =? R L =?

Áramtükör - R bias -al beállított áram tükrözése a kimenetre - Terheléstől független V BE konstans I B, I C, I E konst. gond: áram és hőmérséklet függés

Kétirányú áramérzékelő - pl. MAX472

Kérdések - Mit nevezünk műholdfedélzeti telemetriának? Rajzolja fel a műholdas telemetria gyűjtés és továbbítás szokásos útvonalát! - Adjon példákat analóg telemetriákra és rajzolja fel az analóg telemetria gyűjtés tipikus megvalósítását! - Milyen alaptípusai vannak a termisztoroknak? Milyen hőmérséklet tartományban használhatók? Mik a termisztorok előnyei és hátrányai a fém ellenállás-hőmérőkkel szemben? - Az áramkörünkben alkalmazott termisztor ellenállása 25 C-on 20kΩ, 1%-os toleranciával. Katalógus alapján a hőmérséklet-érzékenységi tényezője 3672K, 1.5%-os toleranciával. Jelenleg a termisztor ellenállása 1562Ω. Mekkora a mért hőmérséklet? Milyen értékű a termisztor anyagállandója? A 25 C-os ellenállás értéket pontosnak feltételezve mekkora maximális hibát okoz a hőmérséklet-érzékenységi tényező változása? - Egy AD590 típusú 1uA/K karakterisztikájú lineáris hőmérséklet érzékelőt használunk a -55..+70 Cos tartományban való mérésre. Az A/D átalakító bemenetére 5V full scale feszültség adható. Mekkora értékűre válasszuk az érzékelő ellenállást (praktikus megfontolásokkal)? Mi legyen a scale factor? - Hasonlítsa össze az áram mérésének két fő típusát! Melyik módszert használná egy műholdfedélzeti rendszerben és miért? - Melyek a fő hibaforrások a melegágban történő árammérés klasszikus módszerénél? Hogyan javíthatók/küszöbölhetők ki ezek a problémák? - Az ábrán látható (nagyban ld.16.dia) INA169 típusú árammérőt alkalmazzuk, melynek ofszet feszültsége 1mV. Egy 2A maximális áramfelvételű terhelés áramát szeretnénk mérni 1%-os pontossággal. Az A/D átalakító bemenetére 5V full scale feszültség adható. Mekkora értékűre válasszuk az érzékelő ellenállást és az áram/feszültség átalakítást megvalósító ellenállást?