SINHRONO RESETIRANJE OJA ČEVALNIKA NABOJA · 2018. 8. 24. · Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja III Diplomsko delo Darko Valenko SINHRONO RESETIRANJE OJA ČEVALNIKA NABOJA

Darko Valenko

SINHRONO RESETIRANJE OJAČEVALNIKA

NABOJA

Diplomsko delo

Maribor, julij 2009

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

SINHRONO RESETIRANJE OJAČEVALNIKA

NABOJA

Študent: Darko Valenko

Študijski program: UN ŠP Elektrotehnika

Smer: Mehatronika

Mentor FERI: red. prof. dr. Riko Šafarič

Mentor FS: prof. dr. Karl Gotlih

Somentor: dr. Martin Pec, EMSISO d. o. o., Maribor

Lektorica: Manuela Markoja

UNIVERZA V MARIBORU

FERI

Maribor, julij 2009

Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja I

Diplomsko delo Darko Valenko

Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja II


ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorjema, red. prof. dr. Riku

Šafariču in prof. dr. Karlu Gotlihu, somentorju

dr. Martinu Pecu za pomoč in vodenje pri

opravljanju in izdelavi diplomskega dela.

Prav tako se za pomoč zahvaljujem vsem

sodelavcem v podjetju Emsiso, še posebej

Aleksandru Polutniku.

Iskrena zahvala gre tudi moji družini, ki mi je

omogočila študij. Zahvalil bi se rad tudi punci

Martini za moralno podporo v času nastajanja

mojega diplomskega dela.

Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja III


SINHRONO RESETIRANJE OJAČEVALNIKA NABOJA

Ključne besede: merjenje električnih in neelektričnih veličin, ojačevalnik naboja, piezoelektrični senzor, algoritem detekcije periode UDK: 621.375:621:436(043.2)

Povzetek

V diplomski nalogi smo realizirali sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja. Na začetku

smo podali osnove o motorjih z notranjim zgorevanjem, za razumevanje delovnega

krožnega procesa. Podali smo tudi osnove o piezoelektičnih senzorjih, za lažje

razumevanje delovanja le-teh. Beseda je tekla tudi o delovanju ojačevalnikov naboja in

sami problematiki, ki se pojavlja pri teh vrstah ojačevalnikov. Glavna težava

ojačevalnikov naboja je lezenje (ang. 'drift') oz. neželena sprememba izhoda.

Ojačevalniki naboja z visoko časovno konstanto po določenem času pridejo v pozitivno

ali negativno napetostno zasičenje, zato jih je potrebno občasno resetirati oz. sprazniti

integracijski kondenzator. Uporabljen ojačevalnik naboja se uporablja za merjenje

tlaka v valju motorja z notranjim zgorevanjem pri razvoju in testiranju teh vrst

motorjev. Testiranja so dolgotrajna, zato je sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja

nujno potrebno, da zagotovimo točne meritve tlaka med samim delovanjem motorja z

notranjim zgorevanjem.

Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja IV


SYNCHRONOUS RESETTING CHARGE AMPLIFIER

Key words: measurement of electric and non-electric values, charge amplifier,

piezoelectric sensor, period detection algorithm

UDK: 621.375:621:436(043.2)

Abstract

In the diploma work we have implemented synchronous resetting of the charge

amplifier. At the beginning we had presented some basic information about internal

combustion engines for the understanding of the working cycle. Then we presented

some basis about piezoelectric sensors, for better understanding of how they work.

There was also talk about charge amplifiers and problems that occur in these types of

amplifiers. The main problem in charge amplifiers is the drift, which is the undesired

change in output over a period of time. Charge amplifiers, with high time constant go to

positive or negative voltage saturation ofter a certain period of time. Because of that

charge amplifiers have to be reseted, which means the integrating capacitor has to be

emptied. This type of charge amplifiers are used for measuring the pressure in the

internal combustion engine during the developing and testing of such types of engines.

Testing takes a lot of time so synchronous resetting of charge amplifiers is needed to

ensure accurate measuremens of the pressure during the operation of internal

combustion engines.

Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja V


VSEBINA

1 UVOD.......................................................................................................................1

2 MOTORJI Z NOTRANJIM ZGOREVANJEM .................................................3

2.1 REAKCIJSKI MOTORJI .........................................................................................3

2.2 ROTACIJSKI MOTORJI .........................................................................................4

2.3 BATNI MOTORJI..................................................................................................5

3 DELOVNI KROŽNI PROCES BATNEGA MOTORJA ...................................9

3.1 OSNOVNA KONSTRUKCIJA BATNEGA MOTORJA ..................................................9

3.2 IDEALNI DELOVNI KROŽNI PROCES MOTORJA Z NOTRANJIM ZGOREVANJEM .....11

3.2.1 Dovod toplote pri konstantni prostornini ...............................................12

3.2.2 Dovod toplote pri konstantnem tlaku......................................................14

3.2.3 Dovod toplote pri konstantnem tlaku in prostornini...............................16

3.3 REALNI DELOVNI KROŽNI PROCES MOTORJA Z NOTRANJIM ZGOREVANJEM ......17

4 PIEZOELEKTRIČNI SENZOR TLAKA..........................................................21

4.1 PIEZOELEKTRIČNI POJAV..................................................................................21

4.2 IZNAJDBA PIEZOELEKTRIČNEGA POJAVA ..........................................................21

4.3 GENERIRANJE NABOJA .....................................................................................22

4.4 PIEZOELEKTRIČNI MATERIALI ..........................................................................24

4.5 MATEMATIČNI OPIS PIEZOELEKTRIČNIH LASTNOSTI .........................................27

4.6 TEMPERATURNO OBMOČJE DELOVANJA PIEZOELEKTRIČNIH KERAMIK.............30

4.7 NAPETOSTNO OBMOČJE DELOVANJA PIEZOELEKTRIČNIH KERAMIK..................31

4.8 MEHANSKE OMEJITVE DELOVANJA ..................................................................31

4.9 PIEZOELEKTRIČNI SENZOR TLAKA....................................................................31

5 OJAČEVALNIKI NABOJA IN NJIHOVA SPECIFIKA ................................33

5.1 IME OJAČEVALNIK NABOJA ..............................................................................33

5.2 VRSTE OJAČEVALNIKOV NABOJA .....................................................................33

5.3 LASTNOSTI OJAČEVALNIKOV NABOJA ..............................................................35

5.4 LEZENJE...........................................................................................................35

5.4.1 Eksponentno lezenje................................................................................35

5.4.2 Linearno lezenje......................................................................................37

Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja VI


5.5 RESET ............................................................................................................38

6 SINHRONO RESETIRANJE OJAČEVALNIKA NABOJA...........................40

6.1 UPORABLJEN PIEZOELEKTRIČNI SENZOR TLAKA...............................................40

6.2 SPECIFIKA OJAČEVALNIKOV NABOJA ZA MERJENJE TALKA V VALJU MOTORJA .41

6.3 OSNOVNO VEZJE OJAČEVALNIKA NABOJA ........................................................42

6.4 ZAKAJ JE POTREBNO RESETIRATI OJAČEVALNIK NABOJA?................................44

6.5 REALIZACIJA RESET STIKALA ...........................................................................45

6.6 ZAKAJ RESETIRAMO OJAČAVALNIK VEDNO V SESALNEM CIKLU? .....................48

6.7 VEZJE ZA SINHRONO KOMPENZACIJO LEZENJA .................................................48

6.8 ALGORITEM ZA DETEKCIJO PERIODE ................................................................52

6.9 START IN STOP MOTORJA..................................................................................54

6.10 CELOTEN OJAČEVALNIK NABOJA .....................................................................55

6.11 PRAKTIČNO DELO.............................................................................................57

6.12 PRAKTIČNI REZULTATI .....................................................................................57

7 ZAKLJUČEK........................................................................................................60

8 VIRI IN LITERATURA ......................................................................................62

9 PRILOGE..............................................................................................................63

9.1 PRIMER PROGRAMSKE KODE SINHRONEGA RESETIRANJA OJAČEVALNIKA

NABOJA ........................................................................................................................64

9.2 IZJAVA O ISTOVETNOSTI...................................................................................70

9.3 KRATEK ŽIVLJENJEPIS ......................................................................................71

9.4 NASLOV ŠTUDENTA .........................................................................................72

Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja VII


SEZNAM SLIK

Slika 2.1: Izumitelj Felix Wankel s svojim izumom in sodobni Wanklov motor ............ 4

Slika 3.1: Osnovna konstrukcija batnega motorja ............................................................ 9

Slika 3.2: Delovni takti 4-taktnega motorja (polnjenje – kompresija – ekspanzija –

izpuh) ...................................................................................................................... 11

Slika 3.3: Idealni proces z dovodom goriva pri V = konst v p-V diagramu.................... 12

Slika 3.4: Termodinamični izkoristek procesa z dovodom goriva pri V = konst ........... 14

Slika 3.5: Idealni krožni proces z dovodom toplote pri p = konst v p-V diagramu ....... 14

Slika 3.6: Dovod goriva pri p = konst in V = konst v p-V diagramu ............................. 16

Slika 3.7: Idealni in realni krožni proces Ottovega motorja ........................................... 19

Slika 3.8: Razviti indikatorski diagram Ottovega 4-taktnega motorja ........................... 20

Slika 4.1: Vijačnica kremenovega kristala ..................................................................... 22

Slika 4.2: Kristal kremena, odrezan po z osi................................................................... 23

Slika 4.3: Piezoelektrični senzor..................................................................................... 24

Slika 4.4: Polarizacijski postopek piezoelektrične keramike.......................................... 27

Slika 4.5: Koordinatni sistem smeri polarizacije ............................................................ 27

Slika 4.6: Smer polarizacije, električno polje in deformacija delujejo v isti smeri ........ 28

Slika 4.7: Smer polarizacije in električno polje delujeta v isti smeri, deformacija pa

pravokotno na smer polarizacije ............................................................................. 29

Slika 4.8: Prečni prerez tlačnega senzorja in pospeškometra ......................................... 32

Slika 5.1: Napetostni ojačevalnik s pripadajočimi upornostmi in kapacitivnostmi........ 33

Slika 5.2: Tokovni ojačevalnik naboja s pripadajočimi upornostmi in kapacitivnostmi 34

Slika 5.3: Samopraznilna krivulja kondenzatorja s končno upornostjo izolacije ........... 36

Slika 5.4: Linearno lezenje ojačevalnika naboja ............................................................ 38

Slika 5.5: Ojačevalnik naboja z integracijskim kondenzatorjem, uporom in stikalom .. 39

Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja VIII


Slika 6.1: Piezoelektrični senzor tlaka, tip GU23D ........................................................ 41

Slika 6.2: Višanje izhodne napetosti zaradi lezenja ojačevalnika naboja....................... 41

Slika 6.3: Osnovno vezje ojačevalnika naboja ............................................................... 42

Slika 6.4: Osnovna vezava reset stikala.......................................................................... 45

Slika 6.5: Realizacija reset stikala .................................................................................. 46

Slika 6.6: Vezje za sinhrono kompenzacijo lezenja ....................................................... 49

Slika 6.7: Vhodni analogni signal................................................................................... 50

Slika 6.8: Signal na analognem vhodu ADC3 ................................................................ 51

Slika 6.9: Signal na analognem vhodu ADC1 ................................................................ 51

Slika 6.10: Signal na analognem vhodu ADC0 .............................................................. 51

Slika 6.11: Diagram stanj programa ............................................................................... 52

Slika 6.12: Diagram sinhronizacije resetiranja ............................................................... 53

Slika 6.13: Blokovna shema ojačevalnika naboja in reset vezja .................................... 55

Slika 6.14: Ojačevalnik naboja ....................................................................................... 56

Slika 6.15: Ojačevalnik naboja z vgrajenim reset vezjem.............................................. 56

Slika 6.16: Prikaz reset pulzov, kadar ni periodičnega signala ...................................... 58

Slika 6.17: Potek sinhronizacije na periodični signal ..................................................... 58

Slika 6.18: Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja..................................................... 59

Slika 6.19: Signal pri zaustavitvi motorja z notranjim zgorevanjem.............................. 59

Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja IX


UPORABLJENI SIMBOLI

d premer

s pot

cV volumen kompresijskega prostora

δ višina kompresijskega prostora

l dolžina

r polmer

α kot

hV delovna prostornina

maxV maksimalna prostornina

minV minimalna prostornina

ε stopnja kompresije, kompresijsko razmerje

tL tehnično delo

doQ dovedena toplota

odQ odvedena toplota

tη termodinamični izkoristek

mtp srednji termodinamični tlak

V volumen

p tlak

m masa

c specifična toplota

T temperatura

vc specifična toplota pri konstantnem volumnu

Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja X


pc specifična toplota pri konstantnem tlaku

κ razmerje specifičnih toplot

pρ stopnja predhodne ekspanzije, stopnja ekspanzije med zgorevanjem

pλ stopnja zvečanja tlaka med dovajanjem toplote oz. med zgorevanjem

iL koristno notranje delo

eksL delo ekspanzije

komL delo kompresije

izmL delo izmenjave delovne snovi

izL delo izpuha

polL delo polnjenja

pη stopnja popolnosti

iη notranji izkoristek

gom dovedena masa goriva

fH spodnja kurilna vrednost

ip notranji srednji tlak

U napetost

Q naboj

C kapacitivnost

ijd razteznostni koeficient

ijg podaja povezavo med poljem in obremenitvijo

ijk sklopni koeficient

y∆ sprememba raztezka v y smeri

Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja XI


y raztezek v y smeri

E električno polje

x∆ sprememba raztezka v x smeri

x raztezek v x smeri

F sila

A površina

d debelina

ε dielektrična konstanta materiala

rε dielektrična konstanta praznega prostora

cT Curijeva temperatura

S površina

a pospešek

CS kapacitivnost piezoelektričnega senzorja

RS izolacijska upornost piezoelektričnega senzorja

CK kapacitivnost merilnega kabla

RK izolacijska upornost merilnega kabla

CO vhodna kapacitivnost operacijskega ojačevalnika

RO vhodna upornost operacijskega ojačevalnika

CC kapacitivnost integracijskega kondenzatorja

RC izolacijska upornost integracijskga kondenzatorja

R upornost

τ časovna konstanta

Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja XII


UPORABLJENE KRATICE

NSU kratica proizvajalca avtomobilov in motorjev, ki izhaja iz rek, kateri sta tekli v

bližini proizvodnje, Neckarsul in Sulm

GmbH enako kot v slovenščini d. o. o., oz. družba z omejeno odgovornostjo

SML spodnja mrtva lega bata

ZML zgornja mrtva lega bata

PVO polnilni ventil odprt

PVZ polnilni ventil zaprt

IVO izpušni ventil odprt

IVZ izpušni ventil zaprt

RG ročična gred

PVDF Polyvinylidene Flouride oz. Poliviniliden fluorid

DC enosmerna napetost

FET field efect transistor, tranzistor z učinkom polja

MOSFET metal oxide semiconductor field efect transistor, kovina oksid polprevodnik

tranzistor s poljskim efektom

Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 1


1 UVOD

V današnjih časih vsi stremimo k čistejšemu okolju. Radi se vozimo z avtomobili, zato

potrebujemo vedno kakovostnejše in okolju bolj prijazne motorje z notranjim

zgorevanjem. Podjetja, ki razvijajo motorje z notranjim zgorevanjem, si ne morejo

predstavljati razvoja teh motorjev brez merjenja tlaka v valju motorja med samim

delovanjem. Za merjenje tlaka v valju motorja se uporabljajo piezoelektrični senzorji

tlaka. Piezoelektrični senzor tlaka generira majhen naboj, ki ga je treba pretvoriti v

napetost in ojačati, da lahko merimo s takimi senzorji. Najbolj neželena lastnost

ojačevalnikov naboja je lezenje (ang. 'drift'), to je nekontrolirano spreminjanje izhodne

napetosti v časovnem obdobju, ki vodi v pozitivno ali negativno napetostno zasičenje

ojačevalnika naboja. Ta lastnost je še posebej neugodna pri dolgo trajajočih meritvah.

Za zmanjšanje tega neželenega pojava je treba resetirati ojačevalnik naboja, sprazniti

integracijski kondenzator v povratni vezavi ojačevalnika naboja. Resetiranje izvedemo

takrat, kadar želimo pri trenutnem naboju imeti izhodno napetost 0 V. To je takrat,

kadar imamo relativni tlak v valju motorja enak 0 bar. Med obratovanjem motorja z

notranjim zgorevanjem je nemogoče ročno resetirati ojačevalnik naboja v trenutku,

kadar je relativni tlak v valju motorja enak 0 bar. V ta namen smo razvili sinhrono

resetiranje ojačevalnika naboja.

Namen razvoja sinhronega resetiranja ojačevalnika naboja je omogočiti izvajanje

meritev tlaka v valju motorja z notranjim zgorevanjem v daljšem časovnem obdobju in s

pristnejšimi rezultati, ki niso popačeni zaradi lezenja ojačevalnika naboja. Obstoječi

ojačevalnik naboja smo nadgradili z vezjem za sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja.

Diplomsko delo je sestavljeno iz šestih poglavij. V prvem poglavju smo predstavili

različne vrste motorjev z notranjim zgorevanjem. Osnova za raziskavo in razvoj

sinhronega resetiranja ojačevalnika naboja je poznavanje delovanja batnega motorja z

notranjim zgorevanjem. V drugem poglavju bomo torej govorili o samem delovanju

batnih motorjev z notranjim zgorevanjem in o delovnem krožnem procesu teh vrst

motorjev. V batnem motorju merimo tlak med obratovanjem motorja, torej je

pomembno, da poznamo, kako se tlak spreminja v časovni odvisnosti. Vedeti moramo

tudi, kako delujejo piezoelektrični senzorji tlaka, kakšne lastnosti in omejitve imajo.



Tretje poglavje govori o piezoelektričnem pojavu, iznajdbi le-tega, kako poteka

generiranje naboja in o lastnostih ter omejitvah, ki jih imajo piezoelektrični materiali.

Predstavljeno je tudi delovanje piezoelektričnega senzorja tlaka in pospeškometra. Za

resetiranje ojačevalnika naboja je pomembno tudi, da poznamo osnove delovanja

ojačevalnika naboja. Peto poglavje predstavlja delovanje ojačevalnika naboja.

Predstavlja tudi problematiko in zahtevane lastnosti ojačevalnikov naboja. Razložena

sta tudi pojma eksponentno in linearno lezenje ojačevalnikov naboja, zaradi katerih je

treba resetirati ojačevalnik naboja. Opisano je tudi, kaj pomeni resetirati ojačevalnik

naboja. Šesto poglavje govori o samem raziskovanju in razvoju reset-stikala in

dodatnega vezja, katero služi za sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja med

delovanjem batnega motorja. S takim resetiranjem ojačevalnika naboja smo omogočili

razvojnim inžinirjem batnih motorjev z notranjim zgorevanjem pristnejše podatke o

dejanskih tlakih v valju motorja tudi za daljše časovno obdobje.



2 MOTORJI Z NOTRANJIM ZGOREVANJEM

Pri motorjih z notranjim zgorevanjem se proces zgorevanja odvija v samem motorju.

Toplota, sproščena med zgorevanjem, se prenaša na produkte zgorevanja, s čimer se

poveča njihov energetski potencial, izražen s tlakom in temperaturo. Toplotna energija

produktov zgorevanja v samem motorju se pretvarja v mehansko delo [1].

Poznamo tri osnovne vrste motorjev z notranjim zgorevanjem:

• reakcijski1 motorji

• motorji z rotirajočim se batom ali rotacijski2 motorji

• motorji s premočrtnim gibanjem bata ali batni3 motorji.

2.1 Reakcijski motorji

Reakcijski motorji so v glavnem namenjeni za pogon plovil, kot so letala, rakete,

helikopterji in raketoplani.

Vsi reakcijski motorji, ki so namenjeni za premik plovil, izkoriščajo energijo

izstopajočih izpušnih plinov. Delovanje teh motorjev temelji na tretjem Newtonovem4

zakonu o gibanju, ki pravi, da je sila akcije enaka sili reakcije. Sila akcije, je povezana s

smerjo toka izpušnih plinov iz motorja in ima za posledico reakcijo, ki je v končni fazi

smer pomika plovila [1].

Delitev reakcijskih motorjev:

• vir kisika za zgorevanje je oksidant, ki ga ima plovilo s sabo:

o raketni motorji

1Več o reakcijskih motorjih na spletni strani: http://en.wikipedia.org/wiki/Jet_engine.

2Več o rotacijskih motorjih na spletni strani: http://en.wikipedia.org/wiki/Rotary_piston.

3Več o batnih motorjih na spletni strani: http://en.wikipedia.org/wiki/Internal_Combustion_Engine.

4Imenovano po angleškem fiziku Isaacu Newtonu. Več na: http://en.wikipedia.org/wiki/Isac_Newton.



• vir kisika za zgorevanje je zrak:

o reakcijski motorji brez gibljivih delov – potisna cev

o turbinski motorji

turboreakcijski

turboventilatorski

turbopropelerski

turbogredni

2.2 Rotacijski motorji

Edini praktično delujoč batni motor z rotirajočim batom je Wanklov motor. Motor

temelji na gibanju bata v razmerju 2 : 3. Notranje ozobljen bat se vali po zobatem

kolesu, ki je trdno povezano z ohišjem in zaradi ekscentrično delujoče plinske sile

poganja ekscentrično gred. Ozobljenje teoretično ne prenaša nobene obremenitve,

ampak le omogoča gibanje bata [1].

Slika 2.1: Izumitelj Felix Wankel s svojim izumom in sodobni Wanklov motor

Motor se odlikuje po mirnem teku, saj je možna popolna izravnava vztrajnostnih sil.

Zaradi precej neugodne oblike zgorevalne komore je poraba goriva velika in prav tako



tudi emisija nezgorelih ogljikovodikov. Uporaba rotacijskega motorja kot dizelskega

motorja je praktično nemogoča, ker postane zgorevalni prostor zaradi zahtevanega

visokega kompresijskega razmerja skrajno neugoden. Uporaba sodobnih materialov,

npr. silicijevega nitrita, uspešno rešuje nekoč velike probleme v zvezi s tesnjenjem in z

življenjsko dobo rotacijskega motorja [1].

Motor z rotirajočim batom je izumil nemški strojni inžinir Felix Heinrich Wankel1

(slika 2.1) leta 1919. Mazda je bila že od začetka obstoja zelo zainteresirana za razvoj

Wanklovega motorja za serijsko proizvodnjo. Leta 1961 je Mazda začela pogajanja z

NSU2 in Wankel GmbH o tehnologiji rotacijskega motorja. Maja 1967 je dala na tržišče

avtomobil Cosmo Sport s prvim serijskim Wanklovim motorjem na svetu. Motor je imel

dve rotirajoči plošči, vsaka je imela delovno prostornino 491 cm3, moč motorja pa je

znašala 73 kW (110 konjskih moči) [2], [5].

2.3 Batni motorji

Začetki razvoja batnih motorjev segajo že v 17. stoletje. Od takrat pa vse do današnjih

dni poteka nenehen razvoj motorjev. Izredno velikim dosežkom na tem področju smo

priča še zlasti v zadnjih desetletjih. Tako danes obstaja izredno veliko različnih vrst

batnih motorjev, ki jih srečujemo na najrazličnejših področjih vsakodnevnega življenja.

Široko polje uporabe batnih motorjev s svojimi najrazličnejšimi zahtevami je vzrok za

razvoj različnih tipov in različnih konstrukcij motorjev. Intervali moči in vrtilnih

frekvenc motorjev so zelo široki. Moči se gibajo od nekaj W (modelarski motorji) do

150 MW (ladijski motorji). Vrtilne frekvence v območju 50 vrt/min (motorji največjih

moči) do 10000 vrt/min (za potniška vozila), v specialnih primerih tudi do 45000

vrt/min (modelarski motorji) [1], [3].

1Več o Felixu Wanklu dostopno na: http://en.wikipedia.org/wiki/Felix_Wankel.

2NSU je bil nemški proizvajalec avtomobilov, več na:

http://en.wikipedia.org/wiki/NSU_Motorenwerke_AG.



Delitev batnih motorjev glede na:

• način vžiga zgorevalne zmesi:

o bencinski motor oz. Ottov motor, leta 1876 izumljen prvi štiritaktni

Ottov motor, imenovan po izumitelju Nikolausu Augustu Ottu1

o dizelski motor, patentiran 1893, prvi delujoči motor izdelan leta 1897,

imenovan in izdelan po izumitelju Rudolfu Christianu Karlu Dieselu2

• število delovnih taktov:

o dvotaktni motorji (vse faze krožnega procesa se izvedejo v dveh taktih

oz. pri enem vrtljaju ročične gredi, 360 °)

o štiritaktni motorji (vse faze krožnega procesa se izvedejo v štirih taktih

oz. pri dveh vrtlajih ročične gredi, 720 °)

• srednjo hitrost gibanja bata:

o počasi tekoči motorji (srednja hitrost gibanja bata je manjša od 6 m/s)

o srednje hitro tekoči motorji (srednja hitrost gibanja bata je med 6 in 10

m/s)

o hitro tekoči motorji (srednja hitrost gibanja bata je med 10 in 16 m/s)

o super hitro tekoči motorji (dosežejo srednje hitrosti gibanja bata več

kot 16 m/s)

• področje uporabe:

o stacionarni motorji (motorji, ki obratujejo pri isti vrtilni frekvenci),

uporabljajo se predvsem za pogon električnih generatorjev, izdelujejo se

za moči v območju 5 kW do 20 MW, za manjše moči se uporabljajo Otto

- motorji, za večje moči pa se uporabljajo predvsem dizelski motorji

1Več o Nikolausu Augustu Ottu na: http://en.wikipedia.org/wiki/Nikolaus_August_Otto

2Več o Rudolfu Christianu Karlu Dieselu na: http://en.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Christian_Karl_Diesel



o motorji za pogon železniških lokomotiv; motorji za uporabo v

železniškem prometu, uporabljajo se predvsem dizelski motorji, pri njih

so zelo pomembni delovna prostornina, poraba goriva, vzdrževanje in

zanesljivost delovanja

o ladijski motorji; izdelujejo se za moči od nekaj 10 kW do 150 MW,

odlikujejo se po zanesljivosti obratovanja, majhni porabi goriva in nizkih

stroških vzdrževanja. Pri njih sta možni obe smeri vrtenja, uporabljajo se

tako Ottovi kot dizelski motorji

o motorji za pogon motornih vozil; uporabljajo se tako Ottovi kot

dizelski motorji, pri teh so zelo pomembni vpliv na okolje, poraba

goriva, cena, zanesljivost, fleksibilnost in stroški vzdrževanja

o letalski motoji; uporabljajo se pretežno Ottovi motorji, pomembni

dejavniki so zanesljivost, teža, velikost, moč in poraba goriva

• pripravo zmesi:

o zunanja priprava zmesi, gorivo dovajamo zraku zunaj valja motorja

o notranja priprava zmesi, med polnjenjem v valj dovajamo samo zrak,

gorivo vbrizgamo v valj šele pri koncu kompresije

o hibridni motorji uporabljajo kombinacijo obeh

• uporabo goriva:

o plinsko gorivo, za gorivo se uporablja naravni plin

o tekoče gorivo, za gorivo se uporablja bencin, dizelsko gorivo, metanol,

ali kakšno drugo alternativno gorivo

o dvogorivni ali večgorivni motorji; če motorji uporabljajo istočasno

alternativno plinsko in tekočinsko gorivo, v primeru potrebe pa se lahko

prevedejo tako, da delujejo samo na plinsko gorivo

o motorji na pogon s trdimi gorivi; uporabljajo za pogon premogov prah

ali emulzijo prahu in vode



• način odvajanja toplote:

o tekočinsko odvajanje toplote; vodno, oljno hlajeni motorji

o zračno odvajanje toplote

o kombinirano hlajenje, vodno in zračno ali oljno in zračno (Porshe

uporablja za odvod toplote z glave motorja olje, z valjev motorja pa zrak)

• število valjev:

o enovaljni motorji

o večvaljni motorji

• položaj valjev:

o vertikalno stoječi valji

o vertikalno viseči valji

o horizontalno ležeči valji

• razporeditev valjev:

o vrstni motorji

o V-motorji

o W-motorji

o bokser-motorji

o zvezdasti motorji.



3 DELOVNI KROŽNI PROCES BATNEGA MOTORJA

Osnovo za razumevanje realnega delovnega krožnega procesa v batnem motorju

predstavlja potek ustreznega idealnega procesa.

3.1 Osnovna konstrukcija batnega motorja

Batni motorji (slika 3.1) so motorji z notranjim zgorevanjem s periodično se

ponavlajočim delovnim procesom, pri katerem se premočrtno gibanje bata v valju

motorja spreminja v rotacijsko gibanje ročične gredi, kemična energija goriva pa se

pretvarja v mehansko delo [3],[4].

s

d

ZML

SML

δ

l

r

Slika 3.1: Osnovna konstrukcija batnega motorja



Skrajna spodnja lega bata, ko je bat najbolj oddaljen od glave valja, se imenuje spodnja

mrtva lega (SML), skrajna zgornja lega, ko se bat najbolj približa dnu glave valja, pa

zgornja mrtva lega (ZML). Bat premera d opravi od ene do druge mrtve lege pot s, ki jo

imenujemo hod bata. Prostor iznad bata, ko je le-ta v ZML, je kompresijski prostor s

prostornino Vc. Višina tega prostora je višina kompresijskega prostora δ. Premočrtno

gibanje bata se preko ojnice dolžine l prenaša v krožno gibanje ročice polmera r ročične

gredi (RG). Vsakemu položaju bata ustreza kot zavrtitve ročične gredi α. Pri enem hodu

bata znaša kot zavrtive ročične gredi 180 ° [1].

Prostornina v valju med ZML in SML je označena kot delovna prostornina Vh

sd

Vh ⋅⋅

=4

2π (3.1)

Pri delovanju batnega motorja prostornina prostora iznad bata zavzame dve mejni

vrednosti: maksimalno prostornino cVhVV +=max in minimalno prostornino

cVV =min , ki določata zelo pomemben parameter motorja, to je stopnjo kompresije ε.

c

ch

V

VV

V

V +==

min

maxε (3.2)

Delovni krožni proces 4-taktnega batnega motorja se periodično ponavlja. V njem se

izvedejo naslednji procesi (slika 3.2):

polnjenje

kompresija

o vžig

o zgorevanje

ekspanzija

izpuh.



Slika 3.2: Delovni takti 4-taktnega motorja (polnjenje – kompresija – ekspanzija – izpuh)

3.2 Idealni delovni krožni proces motorja z notranjim zgorevanjem

V primeru idealnih krožnih procesov govorimo o tehničnem delu tL , ki predstavlja

razliko med dovedeno ( doQ ) in odvedeno toploto ( odQ ). Za oceno termodinamičnih

procesov služita termodinamični izkoristek t

η , ki ga določimo kot razmerje med

tehničnim delom in dovedeno toploto

do

od

do

oddo

do

tt

Q

Q

Q

QQ

Q

L−=

−== 1η (3.3)

in srednji termodinamični tlak

2m

Nmtp ali povprečni konstantni tlak krožnega

procesa (za en hod bata) ali specifično tehniško delo; le-to dobimo kot tehniško delo tL

na enoto delovne prostornine hV , ki je zelo odvisno od obremenitve oz. od dovedene

količine toplote doQ .

h

dot

h

tmt

V

Q

V

Lp ⋅== η (3.4)

Termodinamični izkoristek in srednji termodinamični tlak idealnega procesa lahko

uporabimo za grobo oceno realnega delovnega krožnega procesa motorja.

Idealni proces z dovodom toplote pri konstantni prostornini je osnova realnemu procesu

v motorju s prisilnim vžigom, realni proces v motorju s samovžigom pa temelji na



idealnem krožnem procesu z dovodom toplote pri konstantnem tlaku oz. z dovodom

toplote deloma pri konstantni prostornini, deloma pri konstantnem tlaku oz. pri

konstantnem tlaku.

3.2.1 Dovod toplote pri konstantni prostornini

V primeru dovoda toplote pri optimalni stopnji učinkovitosti pri konstantni prostornini

je to idelani proces Ottovega motorja, slika 3.3, z naslednjimi preobrazbami:

1–2 izentropska1 kompresija

2–3 izohorni2 dovod toplote

3–4 izentropska ekspanzija

4–1 izohorni odvod toplote.

Slika 3.3: Idealni proces z dovodom goriva pri V = konst v p-V diagramu

Dovedena toplota v valj motorja:

( )23 TTcmQdo −⋅⋅= . (3.5)

1 Izentropska kompresija je kompresija, kadar toplote (Q) ne dovajamo in tudi ne odvajamo.

2 Izohorni dovod toplote je dovajanje toplote pri konstantni prostornini.



Odvedena toplota:

( )14 TTcmQod −⋅⋅= . (3.6)

Delo krožnega procesa:

oddot QQL −= . (3.7)

Termodinamični izkoristek idealnega procesa z dovodom toplote pri V = konst lahko ob

upoštevanju idealnega plina s konstantno specifično toploto vc pri V = konst določimo

23

14

23

14 1)(

)(11

TT

TT

TTcm

TTcm

Q

Q

Q

L

v

v

do

od

do

tt

−

−−=

−⋅⋅

−⋅⋅−=−==η . (3.8)

Za izentropski preobrazbi 1-2 in 3-4 velja konstVT =−⋅ 1κ , zato lahko zapišemo

11

3

4

4

31

2

1

1

2 −−−

=

==

= κ

κκ

εV

V

T

T

V

V

T

T, (3.9)

pri čemer je:

vc

pc=κ – razmerje specifičnih toplot.

Od tod sledi 143

−⋅= κεTT in tako lahko termodinamični izkoristek (3.8) zapišemo v

obliki

11

1−

−=κε

ηt . (3.10)

Termodinamični izkoristek tη tega procesa je odvisen od koeficienta κ in od

kompresijskega razmerja ε, kar je prikazano na sliki 3.4.



Slika 3.4: Termodinamični izkoristek procesa z dovodom goriva pri V = konst

3.2.2 Dovod toplote pri konstantnem tlaku

Upoštevanje omejitev glede predpisane temperature okolice kot spodnje meje procesa in

dopustnega najvišjega tlaka vodi do krožnega procesa, prikazanega na sliki 3.5.

Slika 3.5: Idealni krožni proces z dovodom toplote pri p = konst v p-V diagramu

Idealni proces batnih motorjev z notranjim zgorevanjem z dovodom toplote pri

konstantnem tlaku ostaja tako omejen s točkami 1–2–3–4–1 z naslednjimi

spremembami stanja:

1–2 izentropska kompresija do dovoljenega najvišjega tlaka



2–3 izobarni1 dovod toplote

3–4 izentropska ekspanzija


Termodinamični izkoristek idealnega krožnega procesa z dovodom toplote pri p = konst

določimo

23

14

23

14 11

)(

)(11

TT

TT

TTcm

TTcm

Q

Q

p

v

do

odt

−

−−=

−⋅⋅

−⋅⋅−=−=

κη , (3.11)

pri čemer je:

pc – specifična toplota pri p = konst

vc

pc=κ – razmerje specifičnih toplot.

Ob upoštevanju konstVT =−⋅ 1κ velja 112

−⋅= κεTT za izentropsko preobrazbo 1–

2 in

11

4

3

3

4−

=

−

=

κ

ε

ρκp

V

V

T

T oz.

1

4

−

=

κ

ε

ρ pT ,

11

3

−

−⋅=

κ

ε

ρκερ

ppT ,

11 TpT ⋅= κρ za preobrazbo 3-4, kjer je pρ stopnja predhodne ekspanzije pri

konstantnem tlaku zgorevanja oz. stopnja ekspanzije med zgorevanjem. Tako lahko

izraz (3.11) preoblikujemo v

( )

−⋅

−−=

−⋅

−⋅−=

−−− 1

111

111

111p

p

p

pt

ρκ

ρ

εεερ

ρ

κη

κ

κκκ

κ

. (3.12)

Termodinamični izkoristek je odvisen od koeficienta κ, stopnje kompresije ε in stopnje

predhodne ekspanzije pri konstantnem tlaku zgorevanja pρ . Ta idealni proces z

dovodom toplote pri konstantnem tlaku predstavlja idealni mejni proces dizelskega

motorja.

1 Izobarni dovod toplote je dovajanje toplote pri konstantnem tlaku.



3.2.3 Dovod toplote pri konstantnem tlaku in prostornini

Kombinacija dovoda toplote pri konstantnem tlaku in pri konstantni prostornini, ki

predstavlja osnovo za krožni proces dizelskega motorja, je prikazano na sliki 3.6 z

naslednjimi preobrazbami:

1–2 izentropska kompresija z vnaprej podano višino kompresije

2–3 izohorni dovod toplote

3–3* izobarni dovod toplote

3*–4 izentropska ekspanzija


Slika 3.6: Dovod goriva pri p = konst in V = konst v p-V diagramu

Termodinamični izkoristek tega procesa leži med termodinamičnim izkoristkom

idealnega Ottovega in idealnega mejnega procesa dizelskega motorja. Z upoštevanjem

2

3p

p

p =λ in 2

*3V

Vp =ρ lahko termodinamični izkoristek zapišemo kot

( ) ( )

−⋅⋅+−

−⋅⋅−=

− 11

111

1ppp

ppt

ρλκλ

ρλ

εη

κ

κ, (3.13)

pri čemer je:



pλ – stopnja zvečanja tlaka med dovajanjem toplote oz. med

zgorevanjem.

Termodinamični izkoristek tη je torej odvisen od parametrov krožnega procesa:

• stopnje kompresije ε

• stopnje zvečanja tlaka v toku dovajanja toplote – zgorevanje pλ

• stopnje predhodne ekspanzije pri konstantnem tlaku zgorevanja pρ in

• eksponenta izentrope κ .

Izboljšanje termodinamičnega izkoristka tη lahko dokaj uspešno dosežemo z večjo

stopnjo kompresijeε in večjo količino dovedene toplote doQ pri konstantni

kompresijski prostornini ( konstcV = ). To pa dosežemo z večjo stopnjo ekspanzije δ

(želimo, da bi se ekspanzija začela v ZML, εδ = ) in s približevanjem fizikalnih

lastnosti delovne snovi (siromašna zmes – velik presežek zraka) k idealnim lastnostim

idealnega plina.

3.3 Realni delovni krožni proces motorja z notranjim zgorevanjem

Med idealnimi procesi in potekom realnega delovnega krožnega procesa motorja

obstajajo pomembne razlike. Te se nanašajo tako na delovno snov kakor tudi na samo

kompresijo, zgorevanje, ekspanzijo in izmenjavo delovne snovi med enim delovnim

krožnim procesom.

ZNAČILNOSTI REALNEGA DELOVNEGA KROŽNEGA PROCESA SO:

delovna snov ni idealni plin

procesa kompresije in ekspanzije nista izentropska, obstaja izmenjava toplote

med plinom in okolico

dovod toplote v motorju predstavlja zgorevanje, ki poteka s končno hitrostjo in

izgubami, izgube so posledica nepopolnega zgorevanja, priprave komponent in

endotermne kemične reakcije



izmenjava delovne snovi poteka z izgubami.

Med delovnim krožnim procesom nastajajo manjše izgube mase, ker plini prodirajo

skozi režo med batom in pušo v ohišje motorja, vendar so te izgube mase minimalne.

Spremembe idealnega in realnega krožnega procesa štiritaktnega motorja s sesanjem

delovne snovi so prikazane na sliki (3.7). Koristno notranje delo motorja

izmLkomLeksLiL −−= je torej razlika med delom v času ekspanzije eksL in

porabljenim delom pri kompresiji komL ter izmenjavi delovne snovi Lizm . Delo,

porabljeno pri izmenjavi delovne snovi se nanaša na proces izpuha in polnjenja

polLizLizmL += .

Med realnim krožnim procesom nastajajo izgube, kot je razmerje med notranjim iL in

tehničnim delom tL , ocenjujemo jih s stopnjo popolnosti realnega krožnega procesa

pη .

t

ip

L

L=η (3.14)

Z upoštevanjem stopnje poplnosti lahko določimo notranji izkoristek iη

ptt

i

do

t

t

t

do

i

do

ii

L

L

Q

L

L

L

Q

L

Q

Lηηη ⋅=⋅=⋅== . (3.15)

Dovedeno toploto lahko zapišemo kot produkt po krožnem procesu dovedene mase

goriva v valj motorja gom in spodnje kurilne vrednosti goriva fH

fgodo HmQ ⋅= . (3.16)

Indikatorski diagram v koordinatah p-V (slika 3.7) lahko prevedemo v koordinate p-α

(slika 3.8). Seveda pa moramo pri tem upoštevati kinematske relacije med trenutnim

položajem bata x in kotom ročične gredi α.



Slika 3.7: Idealni in realni krožni proces Ottovega motorja

Na sliki 3.8 sta zgornja in spodnja mrtva lega bata označeni z oznakama ZML in SML,

trenutek odpiranja in zapiranja polnilnega ventila z oznakama PVO in PVZ, trenutek

odpiranja in zapiranja izpušnega ventila pa z oznakama IVO in IVZ. Glede na položaj

bata in ventila je prikazano trajanje polnjenja, kompresije, zgorevanja, ekspanzije in

izpuha pri Ottovem 4-taktnem batnem motorju.

Za razliko od termodinamičnih veličin pri idealnih krožnih procesih govorimo v

primeru realnih krožnih procesov o notranjih veličinah:

notranje delo: izmkomeksi LLLL −−=

notranji srednji tlak: h

ii

V

Lp =

notranji izkoristek: do

ii

Q

L=η .



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720

ZMLSMLZML SML ZML

Vžig

PVZIVZ IVO PVO

POLNJENJE

KOMPRESIJA EKSPANZIJA

ZGOREVANJE

IZPUH

p[bar]

α [°RG]

Slika 3.8: Razviti indikatorski diagram Ottovega 4-taktnega motorja



4 PIEZOELEKTRIČNI SENZOR TLAKA

Merjenje tlaka v valjih motorjev z notranjim zgorevanjem izvajamo s piezoelektričnimi

senzorji tlaka.

4.1 Piezoelektrični pojav

Piezoelektrični pojav je sposobnost materialov z urejeno notranjo strukturo (posebnost

kristalov in določenih keramik, tudi kosti), da generirajo električni potencial v

odvisnosti od mehanske napetosti. To se na zunaj izkaže kot električni naboj čez

kristalno strukturo kristala. Kadar kristal ni kratko vezan, naboj inducira napetost na

materialu.

Piezoelektrični pojav je reverzibilen, to pomeni, da ob pritisku na kristal ta generira

naboj, če pa kristal priključimo na električno napetost, se kristal deformira.

Beseda ˝piezo˝ izvira iz grške besede ˝piezein˝, ki pomeni pritisniti [7].

4.2 Iznajdba piezoelektričnega pojava

Piroelektrični pojav, kjer material generira električni potencial v odvisnotsti od

temperaturne spremembe, sta raziskovala Carolus Linnaeus (1707–1778) in Franz

Aepinus (1724–1802) v sredini 18. stoletja. Iz tega znanja sta izhajala René Just Haüy

(1743–1822) in Antoine César Becquerel (1788–1878); oba sta podala povezavo med

mehansko napetostjo in električnim nabojem, vendar nobenemu ni uspelo tega dokazati

s poskusi.

Prva predstavitev o iznajdbi piezoelekričnega pojava je bila prikazana leta 1880,

prikazala sta jo brata Pierre (1859–1906) in Jacques (1856–1941) Curie. Združila sta

znanje iz piroelektričnega pojava in osnovnih kristalnih struktur ter tako napovedala

obnašanje kristalnih struktur in piezoelektrični pojav tudi dokazala na kristalih

turmalina, kremena, topaza, trsnega sladkorja in kalij-natrijevega tartrata. Največji

piezoelektrični efekt sta izkazala kristala kremena in kalij-natrijevega tartrata.



Brata Curie nista predvidela nasprotnega piezoelektričnega pojava. Nasprotni

piezoelektrični pojav je razvil Gabriel Lippmann (1845–1921) v letu 1881 iz

poznavanja osnov termodinamičnih načel.

Paul Langevin (1872–1946) je s sodelavci v Franciji leta 1917 izdelal prvi ultrazvočni

detektor za podmornico za zaznavanje predmetov v vodi. Detektor je bil izdelan iz tanke

rezine kremenovega kristala, na katerega so nalepili kovinski plošči in hidrofona1. Z

oddajo visokofrekvenčnege zvoka in z merjenjem časa potovanja odbitega vala zvoka

so izračunali razdaljo, na kateri je predmet, od katerega se je zvok odbil [6], [7].

4.3 Generiranje naboja

Kremenov kristal sestavlja vijačnica, ki jo tvorijo atomi silicija in kisika. Tako so po en

atom silicija in dva atoma kisika zviti v vijačnico, kot kaže slika (4.1).

Si

O2O2

Optična os

Slika 4.1: Vijačnica kremenovega kristala

Kremenov kristal je lahko odrezan vzdolž lastnih osi x, y ali z. Slika (4.2) predstavlja

pogled na kristal vzdolž z osi. V osnovni celici kristala se tako nahajajo trije atomi

silicija in šetst atomov kisika. Kisikovi atomi so tako združeni po parih. Silicijev atom

je štirivalenten, zato odda štiri elektrone, kisikov atom je dvovalenten in sprejme po dva

elektrona. Tako je kristal navzven električno nevtralen [6].

1 Hidrofon je naprava za poslušanje zvokov v vodi.



Si

O2

Si Si

O2

O2

+

-+ +

- - - -

-

+ +

+- -

-+ +

+

A B C

+

_+

_

FX FX FX FX

X

Y

Slika 4.2: Kristal kremena, odrezan po z osi

Direktni piezoelektrični pojav: Slika (4.2a) ponazarja razmere, ko kremenov kristal ni

izpostavljen mehanski sili. V primeru, da kristal izpostavimo mehanski sili, ki deluje v

smeri x osi, se prvotna ravnovesna heksagonalna porazdelitev atomov podre. Slika

(4.2b) prikazuje delovanje mehanske sile tako, da kristal stisne, s tem pride do

preureditve notranje kristalne strukture in s tem tudi naboja. Silicijevi atomi, ki so

oddali elektrone, imajo presežek pozitivnega naboja in so zaradi mehanske sile

potisnjeni na eno stran kristalne strukture, kisikovi atomi, ki so sprejeli elektrone, pa na

drugo stran kristalne strukture. Kristal zato navzven ni več električno nevtralen. Razlika

potencialov se pojavi vzdolž y osi. Če pa mehanska sila deluje tako, da kristal raztegne

vzdolž x osi (slika 4.2c), pa pride do obratne prerazporeditve naboja [6].

Nasprotni piezoelektrični pojav: V primeru, izpostavitve kremenovega kristala (slika

4.2a) električni napetosti v smeri kot je prikazana na sliki (4.2b), pride do privlačne sile

med pozitivno sponko električne napetosti in negativnimi elektroni, ter med negativno

sponko električne napetosti in pozitivnimi elektroni. Zaradi te električne napetosti se

kristal skrči vzdolž x osi. Ko pa kremenov kristal izpostavimo električni napetosti v

smeri kot je prikazana na sliki (4.2c), se bo kremenov kristal raztegnil vzdolž x osi.

Da lahko pridobimo in koristno uporabimo električni naboj, ki ga tvori kistalna

struktura, je potrebno na kristal nanesti kovinske elektrode (slika 4.3). Te se morajo

nahajati na nasprotnih straneh reza. Posledica tega je, da ima piezoelektrični senzor

vedno obliko kondenzatorja. Dielektrik se v takšnem kondenzatorju obnaša kot

generator električnega naboja, elektrode pa kot plošče kondenzatorja. Zato dobimo ob

deformaciji na senzorju napetost



C

QU =

, (4.1)

pri tem je:

U – napetost na senzorju

Q – generiran naboj

C – kapacitivnost senzorja.

Slika 4.3: Piezoelektrični senzor

4.4 Piezoelektrični materiali

Piezoelektrični pojav izkazuje veliko število naravnih in umetnih kristalov. Od

dvaintrideset kristalografskih razredov jih je enaindvajset necentrosimetričnih (nimajo

centra simetrije) in od teh enaindvajsetih jih dvajset izkazuje piezoelektrični pojav,

deset od teh dvajsetih je polarnih, imajo dipol v osnovnih celicah in izkazujejo

piroelektrični pojav [6], [8].

NARAVNI KRISTALI, KI IZKAZUJEJO PIEZOELEKTRIČNE LASTNOSTI:

SiO2 (kremen), najbolj pogost material s piezoelektričnimi lastnostmi v naravi

AlPO4 (berlinit), redek fosfatni material in edini, ki ima identično kristalno

strukturo kot kremen

trsni sladkor



KNaC4O6 (kalij natrijevega tartrata), prvi iznajden material, ki izkazuje

piezoelektrične lastnosti

Al2SiO4(F,OH2), topaz je mineralni silikat aluminija in floura

turmalinove skupine mineralov, (Ca, K, Na); (Al, Fe, Li, Mg, Mn)3; (Al, Cr, Fe,

V)6; (BO3)3(Si, Al, B)6O18; (OH, F)4

OSTALI NARAVNI MATERIALI:

kosti, suhe kosti izkazjejo nekaj piezoelektričnih lastnosti

kite

svila

les, zaradi piezoelektrične strukture

emajl

zobovina

IZDELANI KRISTALI

GaPO4, galijev ortofosfat, novejši material, TC = 970 °C, nima piroelektričnih

lastnosti

La3Ga5SiO14, kvarčni kristal Analogan

IZDELANE KERAMIKE

BaTiO3, barijev titanat, prva piezoelektrična keramika

PbTiO3, svinčev titanat

PbZrO3, svinčev cirkonijev titanat, bolj poznan pod imenom PZT-keramika;

velja za najbolj uporabljano piezoelektrično keramiko v današnjih časih

KNbO3, kalijev niobat

LiNbO3, litijev niobat

LiTaO3, litijev tantalat

Na2WO3, natrijev volframat



Ba2NaNb5O5

Pb2KNb5O15

Piezoelektrične lastnosti, nekajkrat večje od kremenovih, izkazuje tudi poliviniliden-

fluorid (PVDF). V nasprotju s keramiko, kjer kristalna struktura materiala ustvarja

piezoelektrični učinek, so v polimerih prepletene dolge verige molekul, ki se privlačijo

in odbijajo, ko je prisotno električno polje.

Če primerjamo keramike barijevega titanata, svinčevega tiatnata in svinčev cirkonijev

titantat z ostalimi piezoelektričnimi materiali, imajo keramike naslednje prednosti [9]:

• visok izkoristek elektromehanske pretvorbe

• dobro strojno obdelavo

• širok spekter lastnosti je mogoče doseči z različnimi sestavinami (visoka stopnja

svobode v razvoju karakteristik izdelka)

• visoka stopnja stabilnosti

• primerne so za proizvajanje v velikih količinah – ekonomično.

Piezoelektrične keramike so vrsta multikristalnih dielektrikov z veliko dielektrično

konstanto in so izdelane v dveh postopkih. Najprej se žgejo pri visoki temperaturi. Po

žganju imajo značilno kristalno strukturo (slika 4.4a), vendar pa še nimajo

piezoelektričnih lastnosti, ker so električni dipoli znotraj kristalne strukture poljubno

usmerjeni. Če hočemo, da ima keramika piezoelektrične lastnosti, mora biti

polarizirana. Za polarizacijo se uporabja enosmerno (DC) električno polje nekaj

kV/mm, da se usmerijo dipoli v željeno smer (slika 4.4b). Zaradi močnih dielektričnih

lastnosti keramike ostane smer dipolov nespremenjena po prenehanju električnega polja.

Take keramike kažejo močne piezoelektrične lastnosti (slika 4.4c) [9].



Slika 4.4: Polarizacijski postopek piezoelektrične keramike

4.5 Matematični opis piezoelektričnih lastnosti

Napetost ali deformacija piezoelektričnega elementa je odvisna od smeri, v kateri deluje

sila (deformacija) glede na os polarizacije in postavitve elektrod glede na os polarizacije

elementa. Zato je v praksi za označevanje in podajanje lastnosti piezoelektričnih

elementov uveljavljen naslednji koordinatni sistem (slika 4.5) [6]:

• standardna označitev koordinatnih osi x,y,z je podana z 1,2,3

• pri tem je os 3 določena s procesom polarizacije, torej je os 3 zmeraj vzporedna

s polarizacijskim poljem

1

2

3Smer

polarizacije

X Y

Z

Slika 4.5: Koordinatni sistem smeri polarizacije

Lastnosti piezokeramičnih elementov lahko opišemo s pomočjo naslednjih parametrov:

• ijd [m/V], razteznostni koeficient, določa raztezek v odvisnosti od jakosti

električnega polja oz. električno polje v odvisnosti od raztezka



• ijg [Vm/N], podaja povezavo med poljem in obremenitvijo – mehansko

napetostjo

• ijk , sklopni koeficient, podaja učinkovitost pretvorbe mehanske energije v

električno in obratno.

Koeficienta d in g sta med seboj povezana preko naslednje zveze:

333131 ε⋅= gd , (4.2)

333232 ε⋅= gd , (4.3)

kjer je:

33ε – dielektrična konstanta v smeri polarizacije

33d in 33g opisujeta primer, kadar se merilno ali pogonsko električno polje nahaja v

isti smeri kot polarizacija (elektrode so pravokotne na smer polarizacije elementa),

enako pa velja tudi za deformacijo, ki kaže v smeri polarizacije (slika 4.6).

F

F

Smerpolarizacije

+U

-U

Slika 4.6: Smer polarizacije, električno polje in deformacija delujejo v isti smeri

31d in 31g pa opisujeta primer, kadar se merilno ali pogonsko električno polje nahaja v

isti smeri kot polarizacija (elektrode so pravokotne na smer polarizacije elementa),

deformacija pa je pravokotna na smer polarizacije (slika 4.7).



FF

Smerpolarizacije

+U

-U

Slika 4.7: Smer polarizacije in električno polje delujeta v isti smeri, deformacija pa

pravokotno na smer polarizacije

Raztezek vzdolž smeri, v kateri je bila izvedena polarizacija, bo v primeru, ko je v enaki

smeri tudi zunanje električno polje (slika 4.6), je enak:

EdEdy

y⋅=⋅=

∆33 , (4.4)

Udy ⋅=∆ 33 . (4.5)

Raztezek vzdolž smeri, ki je pravokotna na smer polarizacije bo v primeru, ko je v enaki

smeri tudi zunanje električno polje (slika 4.7), je enak:

Edx

x⋅=

∆31 , (4.6)

y

Ud

x

x⋅=

∆31 . (4.7)

Napetost ob deformaciji piezoelektričnega elementa izračunamo z izrazom:

dA

FgU ij ⋅⋅= , (4.8)

kjer je:

33ggij = – če sila deluje v isti smeri, kot je bila izvedena

polarizacija



31ggij = – če sila deluje pravokotno na smer polarizacije

F – sila

A – površina elektrod

d – debelina piezoelektričnega elementa (slika 4.3).

Kapacitivnost piezoelektričnega tipala je definirana z:

d

AC r ⋅⋅= εε (4.9)

kjer je:

ε – dielektrična konstanta piezoelektričnega tipala (tipično med 1000 in 3500)

rε – dielektrična konstanta praznega prostora

⋅× −

mV

C1210854,8 .

4.6 Temperaturno območje delovanja piezoelektričnih keramik

Maksimalna obratovalna temperatura piezoelektričnih keramik je določena s cT ,

Curijevo1 temperaturo. To je temperatura, pri kateri pride do depolarizacije

piezoelektričnega tipala in piezoelektrična keramika trajno izgubi piezoelektrične

lastnosti. Priporočena zgornja delovna temperatura piezoelektrične keramike je

ponavadi med 0 °C in cT [9].

Nekateri piezoelektrični materiali imajo tudi piroelektrične lastnosti, kar pa slabo vpliva

na samo meritev. Če se spreminja temperatura med meritvijo, se generira naboj tudi v

odvisnosti od temperaturne spremembe. Dobimo popačene rezultate zaradi vpliva

temperature. Zaradi tega neželenega učinka uporabljamo materiale, ki imajo čim manjši

piroelektrični pojav.

1 Poimenovana po fiziku Pierre Curie (1859–1906).



4.7 Napetostno območje delovanja piezoelektričnih keramik

Prav tako lahko trajno depolarizira piezoelektrično keramiko tudi močno električno

polje, ki je usmerjeno nasproti prvotni polarizaciji. Zato je pomembno, da vemo, kakšna

je bila dejanska smer prvotne polarizacije. Največje dopustno električno polje je

odvisno od samega materiala in časa, kako dolgo je element izpostavljen električnemu

polju in delovni temperaturi. Tipične obratovalne poljske jakosti se nahajajo med 500 in

1000 V/mm [6].

4.8 Mehanske omejitve delovanja

Visoka mehanska obremenitev prav tako lahko depolarizira piezoelektrično keramiko.

Dovoljena obremenitev je odvisna od materiala, časa trajanja obremenitve in od delovne

temperature. Za kratko trajajoče dinamične obremenitve je meja največje obremenitve

višja. Prav tako lahko trajno depolariziramo piezoelektrično keramiko z nepravilnim

vzbujanjem v bližini resonančne frekvence elektromehanskega sistema. V resonančni

frekvenci so dielektrične in mehanske izgube precejšnje, kar lahko povzroči pregretje in

odpoved elementa [6].

4.9 Piezoelektrični senzor tlaka

Na podlagi piezoelektrične tehnologije lahko merimo različne fizikalne veličine. Najbolj

pomembno pa je merjenje tlaka in pospeška. V obeh senzorjih sta uporabljena

piezoelektrična elementa, oblikovana v valj (cev ali kako drugo obliko), ki sta

pozicionirana v smeri največjih raztezkov [10].

Senzor tlaka ima piezoelektrični kristal, tanko membrano znanih dimenzij, in masivno

osnovo (slika 4.8a), s katero zagotovimo delovanje tlaka samo v željeni smeri. Na

membrano s površino S deluje sila F, ki ustvari tlak p po zakonu S

Fp = .



Merilnik pospeška ima pritrjeno znano maso na piezoelektrični kristal (slika 4.8b).

Kadar pospeškometer izpostavimo gibanju, masa obremeni piezoelektrični kristal v

skladu z drugim Newtonovim zakonom o gibanju amF ⋅= .

F aMembrana

Onova

Piezokristal

Masa

a) b)

Slika 4.8: Prečni prerez tlačnega senzorja in pospeškometra

Senzorji so pogosto občutljivi na več kot eno samo fizikalno veličino. Zato je včasih

potrebno kompenzirati neželene učinke. Vrhunski tlačni senzorji na primer pogosto

uporabljajo kompenzacijo pospeška. Ta kompenzacija temelji na dejstvu, da je tlačni

senzor lahko hkrati izpostavljen tlaku in pospešku. Dodana je druga merilna enota, ki je

izpostavljena samo pospešku. Z natančnim ujemanjem teh dveh elementov se signal, ki

ga generira pospeškometer, odšteje od signala, popačenega s pospeškom, ki ga generira

tlačni senzor; tako dobimo samo signal tlaka brez popačenj zaradi pospeška [10].



5 OJAČEVALNIKI NABOJA IN NJIHOVA SPECIFIKA

Ojačevalnik naboja je vezje, ki ojačuje generiran naboj piezoelektričnega tipala, da

lahko merimo s takim tipalom.

5.1 Ime ojačevalnik naboja

Ime 'ojačevalnik naboja' nekoliko zavaja, saj ojačevalnik naboja ne ojačuje naboja, ki

je prisoten na vhodu, ampak pretvarja generiran naboj v napetost na izhodu, ki je

premosorazmerna naboju [11].

5.2 Vrste ojačevalnikov naboja

Generiran naboj je običajno majhen, pogosto pa želimo meriti počasne spremembe, zato

moramo preprečiti odtekanje naboja. Piezoelektrični senzor ima končno vrednost

izolacijske upornosti, zato odteka naboj s senzorja. Prav tako ima končno izolacijsko

upornost merilni kabel in vhod ojačevalnika, zato nam naboj odteka tudi s kabla in

ojačevalnika.

Poznamo dve vrsti ojačevalnikov, to sta:

• napetostni ojačevalnik (slika 5.1)

• tokovni ojačevalnik (slika 5.2).

Rk

PIEZO SENZOR OPERACIJSKI OJCEVALNIK

Q

MERILNI KABEL

CkCsRs

-

+5

67

Co Ro

Slika 5.1: Napetostni ojačevalnik s pripadajočimi upornostmi in kapacitivnostmi

Napetostni ojačevalnik (slika 5.1) ojačuje napetost, ki jo generira piezoelektrični senzor.

Piezoelektrični senzor generira napetost po zakonu C

QU = (4.1). Vhod operacijskega



ojačevalnika ima neko kapacitivnost CO, prav tako ima kapacitivnost merilni kabel CK.

Kapacitivnost senzorja CS in operacijskega ojačevalnika CO se ne spreminjata,

spreminja pa se kapacitivnost merilnega kabla CK z dolžino kabla. S spremembo

kapacitivnosti se sprememni inducirana napetost po zakonu

)('

KdodKOS CCCC

QU

±++= . Pri napetostnem ojačevalniku moramo pri vsaki

menjavi merinega kabla ponovno umeriti ojačevalnik naboja. Piezoelektrični senzor

generira naboj Q, pri tem se nabije na napetost U; zaradi končne izolacijske upornosti

dielektrika RS teče praznilni tok IS, ki nam prazni generiran naboj. Prav tako teče tok čez

izolacijsko upornost merilnega kabla IK in vhodno upornost operacijskega ojačevalnika

IO. Pri takem vezju moramo uporabiti materiale, ki imajo najvišje izolacijske upornosti.

Glavni problem pri taki vezavi je odtekanje naboja preko izolacijske upornosti.

PIEZO SENSOR INTEGRATOR

Q

MERILNI KABEL

Cs CkRs Rk-

+5

67

Rc

Cc

Slika 5.2: Tokovni ojačevalnik naboja s pripadajočimi upornostmi in kapacitivnostmi

Tokovni ojačevalnik naboja je v bistvu integrator (slika 5.2). Piezoelektrični senzor

generira naboj Q, ta naboj teče v integracijski kondenzator CC v povratni vezavi

operacijskega ojačevalnika in se nabije na napetost CC

QU = ; posledično se spremeni

izhodna napetost operacijskega ojačevalnika. Idealni operacijski ojačevalnik ima

napetost med invertirajočim ('–') in neivertirajočim ('+') vhodom enako 0 V, zato ne teče

praznilni tok čez izolacijsko upornost kabla RK in čez izolacijsko upornost dielektrika

piezoelektričnega senzorja RS. Realni operacijski ojačevalnik ima napetost med

invertirajočim in neivertirajočim vhodom reda velikosti nekaj 10 µV, zato lahko

zanemarimo praznilni tok čez izolacijke upornosti kabla in dielektrika, ki so reda

velikosti nekaj 10 GΩ. Tok lahko teče samo čez izolacijsko upornost integracijskega



kondenzatorja RC, zato uporabimo kondenzator z zelo visoko izolacijsko upornostjo.

Operacijski ojačevalnik mora imeti tok v invertirajoči in neinvertirajoči vhod čim

manjši. Ta tok nam prazni oz. polni integracijski kondenzator, kar se odraža z lezenjem

('drift') izhodne napetosti.

5.3 Lastnosti ojačevalnikov naboja

Ojačevalniki naboja so v večini realizirani z integracijskim vezjem. S tako vezavo je

lažje zagotoviti zahtevane lastnosti ojačevalnikov naboja:

• visoko časovno konstanto, da lahko merimo signale z zelo nizko frekvenco

• nizko lezenje izhodne napetosti.

V ta namen uporabljamo operacijske ojačevalnike s sledečimi lastnostmi:

• zelo nizek vhodni ('bias') tok, tok v invertirajoči in neinvertirajoči vhod

• zelo visoko vhodno upornost

• nizko vhodno diferenčno napetost med invertirajočim in neinvertirajočim

vhodom.

Na razpolago imamo mnoge sodobne operacijske ojačevalnike svetovno priznanih

proizvajalcev.

5.4 Lezenje

Lezenje v ojačevalnikih naboja je še vedno malo poznan pojav. Lezenje, kot je

definirano s ANSI/INSA-S37.1-1975 (R1982) standardom [ISA1982], je neželena

sprememba izhoda v časovnem odbdobju, ki ni funkicija merjenca[12].

5.4.1 Eksponentno lezenje

Električni naboj, ki ga generira piezoelektrični sensor, napolni kondenzator na napetost,

ki je definirana z C

QU = (4.1). Napetostni signal je lažje obdelovati v merilni verigi kot

naboj.



Kondenzator, napolnjen z električnim nabojem Q na napetost U, bi držal to napetost

neskončno dolgo, če bi imel neskončno visoko izolacijsko upornost. V praksi izolcijska

upornost ni neskončno visoka, zato napetost U s časom pade na nič. Razlog je praznilni

tok R

UI = , ki teče preko končne upornosti R. Napetost pada neprekinjeno, zato se tudi

tok zmanjšuje. Zaradi tega napetost na kondenzatorju pada po eksponentni funkciji

(slika 5.3):

τ

t

eUtU−

= 0)( (5.1)

Slika 5.3: Samopraznilna krivulja kondenzatorja s končno upornostjo izolacije

Če začetni praznilni tok R

UI 00 = nadaljuje teči, bo praznjenje končano po času

RCt == τ . Ta čas τ je imenovan časovna konstanta kondenzatorja. Takšno praznjenje

ustreza tangenti, položeni na realno krivujo praznjenja iz začetne napetosti. V realnosti

praznjenje kondenzatorja traja neskončno dolgo, ker se praznilna krivuja približuje nulti

vrednosti asimptotično. Po pretečenem času τ=t napetost pade na:

01

0 37,0 UeUU ⋅≈⋅= −τ (5.2)

Časovna konstanta τ je uporaben parameter, ker definira začetno tangento na krivuji

praznjenja. V območju τ⋅<< 1,00 t je za vse praktične namene dovolj točen približek

krivulje in omogoča enostavno določitev najdaljšega časa trajanja meritve v danih

mejah odstopanja. Za odstopanje v obomočju 2 % čas meritve ne sme presegati τ⋅02,0



oz. 2 % τ. Če imamo zahtevani čas meritve 100 s, mora časovna konstanta τ biti najmanj

5000 s.

Časovna konstanta je definirana s RC=τ . Integracijski kondenzator za izbiro območja

v ojačevalniku naboja je lahko izbran v določenih mejah. V ojačevalnikih naboja je

kondenzator za izbiro območja ponavadi izbran tako, da napetost v delovnih območjih

ojačevalnika kar v večini primerih znaša ±10 V. Časovno konstanto lahko povečamo z

večanjem kapacitivnosti kondenzatorja, kar ima za posledico nižjo napetost. To lahko

naredimo do meje, kadar še imamo dovolj visoko razmerje signal – šum.

Drugi parameter, ki nam definira časovno konstanto, je upornost R, ki je podana z

izolacijsko upornostjo uporabljenih materialov.

Za doseganje najdaljše možne časovne konstante moramo uporabiti materiale z najvišjo

možno izolacijsko upornostjo. Medtem ko so v splošni uporabi elektronskih naprav

vrednosti izolacijske upornosti nad 100 MΩ, zadovoljujejo potrebe ali pa so odlične,

mora biti v piezoelektričnih sistemih izolacijska upornost vsaj 1 TΩ, še boljše 10 TΩ, za

doseganje nizkih frekvenčnih omejitev in za omogočanje meritev, ki so skoraj statične.

Samo za čisto dinamične meritve, in to s senzorji, ki so narejeni iz piezoelektričnih

keramik, so lahko izolacijske upornosti reda GΩ [12].

5.4.2 Linearno lezenje

Linearno lezenje je posledica toka, ki teče v oz. iz vhodnih sponk operacijskega

ojačevalnika.

Izolacijske plasti v polprevodnikih, uprabljenih kot vhodna stopnja v ojačevalnikih

naboja, niso popolni izolatorji. Zato imajo take naprave vedno zelo majhen vhodni tok

reda pA. Podobno lahko taki tokovi tečejo (polzijo) po izolaciji materialov vhodnega

vezja. Ti tokovi so zelo temperaturno odvisni in se eksponentno povečujejo z višanjem

temperature.

Ti tokovi povzročajo lezenje izhodne napetosti. Lezenje je konstantno, če ni

temperaturne spremembe. Skupni vhodni polzeči tok lI pomeni električni naboj

tIQ l= , ki linearno narašča s časom in teče v kondenzator v povratni vezavi, dokler

izhod ne pride v zasičenje, do pozitivne ali negativne napajalne napetosti [12].



V normalnih pogojih, kar pomeni v področju brez temperaturnih sprememb ali v

majhnih temperaturnih spremembah, še posebej brez temperaturnih sprememb senzorja,

bo izhod ojačevalnika naboja (v enosmernem področju) bolj ali manj linearno lezel z

nekaj sfC / , kar se prenese na izhod ojačevalnika naboja kot napetostno lezenje. Dobri

ojačevalniki (z MOSFET vhodno stopnjo) imajo lezenje, ki ostaja v meji približno

±0,03 pC/s. Velikost izhodnega napetostnega lezenja je odvisna od izbranega območja

ojačevalnika. Če je območje ojačevalnika na primer nastavljeno na ±100 pC, kar

pomeni občutljivost 10 pC/V, bo napetostno lezenje približno ±3 mV/s. Lezenje je

lahko pozitivno ali negativno. Ojačevalnik naboja bo, po tem, ko je vključen na

delovanje, lezel vedno v pozitivno ali negativno zasičenje, če ga pustimo dovolj dolgo

časa, ne glede na to, če je senzor priključen ali ne (slika 5.4).

Slika 5.4: Linearno lezenje ojačevalnika naboja

5.5 RESET

Ojačevalnik naboja, ki obratuje z zelo veliko časovno konstanto, to je z zelo visoko

upornostjo upora (Rf > 100 GΩ), vezanega vzporedno k integracijskemu kondenzatorju

za izbiro delovnega območja ali brez tega upora, mora imeti vzporedno vezano tudi

reset stikalo, ki omogoča kratko skleniti kondenzator za izbiro delovnega območja, s

čimer postavimo izhodno napetost ojačevalnika naboja na nič.



SW

C

Q

OUT-

+5

67

Rf

Slika 5.5: Ojačevalnik naboja z integracijskim kondenzatorjem, uporom in stikalom

Ojačevalniki naboja s srednjo in kratko časovno konstanto (1 GΩ < Rf < 100 GΩ) in

ojačevalniki naboja za dinamične meritve reset stikala ne potrebujejo, ker se pri takih

ojačevalnikih kondenzator v povratni vezavi prazni preko upora Rf [12].



6 SINHRONO RESETIRANJE OJAČEVALNIKA NABOJA

Potreba po razvoju vezja za sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja se je izkazala pri

merjenju tlaka s piezoelektričnim senzorjem v valju motorja z notranjim zgorevanjem.

Piezoelektrični senzor tlaka generira majhen naboj v odvisnosti od tlaka, ki ga je treba

ojačiti in spremeniti v napetost (ali tok), da lahko merimo s takim senzorjem. V ta

namen uporabljamo ojačevalnike naboja. Narava ojačevalnikov naboja je lezenje

izhodne napetosti, ki ni odvisno od merjenca. Tudi brez merjenca bo izhodna napetost

ojačevalnika naboja lezla proti pozitivnemu ali negativnemu napetostnemu zasičenju.

Meritve tlaka v valju motorja z notranjim zgorevanjem med razvojem in testiranjem se

opravljajo z ojačevalniki naboja. Take meritve trajajo precej časa, več ur, zato je lezenje

izhodne napetosti zelo nezaželjen pojav. Iz tega razloga je potrebno resetirati

ojačevalnik naboja, da postavimo izhodno napetost ojačevalnika naboja na 0 V.

6.1 Uporabljen piezoelektrični senzor tlaka

Meritve smo izvajali s tlačnim piezoelektričnim senzorjem GU23D (slika 6.1). To je

senzor, izdelan iz materiala GaPO4 in ni hlajen. Velikost senzorja je M8 x 0,75

(dimenzija navoja). Zaradi visoke občutljivosti je ta senzor primeren za precizne

termodinamične meritve.

Nekaj karakterističnih podatkov tlačnega senzorja GU23D [13]:

• delovno področje: od 0 do 250 bar

• maksimalna preobremenitev: 300 bar

• občutljivost: 35 pC/bar

• naravna resonančna frekvenca: 85 kHz

• občutljivost na pospeške: < 0,002 bar/g

• temperaturno delovno področje: do 400 °C

• toplotna občutljivost za temperaturno območje od 20 do 400 °C: < ±2 %



• izolacijska upornost pri 20 °C: > 1013 Ω.

Slika 6.1: Piezoelektrični senzor tlaka, tip GU23D

6.2 Specifika ojačevalnikov naboja za merjenje talka v valju motorja

Meritve z ojačevalniki naboja pri merjenju tlaka v valju motorja z notranjim

zgorevanjem trajajo dalj časa zato, ker se uporabljajo za razvijanje in testiranje teh

motorjev. Zaradi tega jih je potrebno občasno med meritvijo resetirati, sprazniti

integracijski kondenzator v povratni vezavi, da se nastavi izhodna napetost na 0 V.

Slika 6.2 predstavlja višanje izhodne napetosti (zelena črtkana črta) zaradi lezenja

ojačevalnika naboja. Izhodna napetost bi se višala vse do napajalne napetosti

ojačevalnika. Kadar je uporabljeno vezje za sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja, se

ta pojav izniči.

U

t

Slika 6.2: Višanje izhodne napetosti zaradi lezenja ojačevalnika naboja



6.3 Osnovno vezje ojačevalnika naboja

Osnovno vezje ojačevalnika naboja je prikazano na sliki 6.3. Pri gibanju bata proti ZML

se tlak p v valju motorja povečuje, s čimer se povečuje sila F na piezoelektrični kristal.

Kristal se ob večaju sile, stiska in pri tem generira naboj Q. Generiran naboj napolni

kondenzator C v povratni vezavi na napetost C

QU = . Izhodna napetost se pri tem

spremeni po zakonu:

∫ +−=

tin

out cdtC

VV

0

, (6.1)

kjer je:

Vout – izhodna napetost

Vin – vhodna napetost, napetost na kondenzatorju

C – kapacitivnost kondenzatorja v povratni vezavi

c – izhodna napetost v času t = 0.

-

+

+Vcc

-Vcc

LMC6081AIM

2

3

4

6

7

C

+5V

-5V

Q

OUT

Slika 6.3: Osnovno vezje ojačevalnika naboja

Kondenzator povratne vezave mora imeti visoko izolacijsko upornost, temperaturno

stabilnost (kapacitivnost se ne sme spreminjati s temperaturo) in časovno stabilnost

(kapacitivnost se ne sme spreminjati s časom). Take lastnosti imajo kondenzatorji z

dielektrikom iz materiala C0G. Material C0G je keramika s kemijsko formulo CaZrO3

razreda 1 in razreda 2 BaTiO3.



Lastnosti uporabljenega kondenzatorja [14]:

• kapacitivnost C = 10 nF

• nazivna napetost UN = 630 VDC

• toleranca ±5 %

• izolacijska upornost minimalno Ω×=Ω 9101010 G

• delovna temperatura od –55 do 125 °C

• temperaturna stabilnost ±30 ppm/°C (±0,3 pF/°C).

Med podatki še posebej izstopa nazivna napetost kondenzatorja 630 V. Kondenzator

obratuje v območju napetosti od -10 V do 10 V, zato zadostuje nazivna napetost 16 V. Z

višanjem delovne napetosti kondenzatorja se veča debelina dielektrika, s tem pa se

povečuje njegova izolacijska upornost. V ojačevalnikih naboja je izolacijska upornost

ključnega pomena.

Uporabljen operacijski ojačevalnik LMC6081 je bil izbran zaradi zahtevanih lastnosti

ojačevalnika naboja, to je nizkega lezenja in zelo visoke časovne konstante. Zato mora

imeti operacijski ojačevalnik zelo nizek vhodni tok (tok v invertirajoči in neinvertirajoči

vhod), zelo visoko vhodno upornost in nizko vhodno preostalo diferenčno napetost.

Značilne lastnosti uporabljenega operacijskega ojačevalnika LMC6081AIM[15]:

• delovna napetost od 4,5 do 15 V

• delovna temperatura od –55 do +125 °C

• vhodna preostala diferenčna napetost 150 µV

• vhodni tok (tok, ki teče v invertirajoči in neinvertirajoči vhod) 10 fA (10-15 A).

Vhodni tok 10 fA, predstavlja v realnem vezju 62400 elektronov na sekundo v vhodni

sponki operacijskega ojačevalnika (6.2), (6.3).

tIQ ⋅= , (6.2)

pri tem je:

Q – naboj [C]

I – tok



t – čas

6241510602176487,1

1010.

10602176487,1

101010110

19

15

0

190

15

≈×

×==

×=

×==⋅=

−

−

−

−

C

C

e

Qelšt

Ce

fCsfAQ

(6.3)

pri tem je:

e0 – osnovni naboj elektrona

št.el – število elektronov.

Vhodni tok ni odvisen od napetosti, zato ga je težje izraziti z upornostjo, če pa

vzamemo neko povprečno vhodno napetost, ki znaša reda velikosti 1 V, lahko približno

ocenimo vhodno upornost operacijskega ojačevalnika:

Ω=×=== TfA

V

I

UR 10010100

10

1 12 ; (6.4)

to nam pove, da je vhodna upornost operacijskega ojačevalnika zelo velika.

6.4 Zakaj je potrebno resetirati ojačevalnik naboja?

Ojačevalnik naboja, ki je uporabljen za ojačanje generiranega naboja med delovnim

taktom motorja, ni idealen ojačevalnik naboja. To pomeni, da izhod ojačevalnika

naboja, po določenem času doseže pozitivno ali negativno zasičenje zaradi lezenja. Zato

je potrebno izprazniti integracijski kondenzator v povratni vezavi ojačevalnika.

Kondenzator se izprazni s stikalom SW, ki je vzporedno vezano k kondenzatorju (slika

6.4).



SW

-

+

+Vcc

-Vcc

LMC6081AIM

2

3

4

6

7

C

-5V

+5V

Q

OUT

Slika 6.4: Osnovna vezava reset stikala

6.5 Realizacija reset stikala

Reset stikalo se lahko realizira na več načinov. Pri vseh realizacijah je potrebno izpolniti

naslednja dva pogoja:

• dovolj visoka izolacijska upornost

• reset stikalo ne sme generirati nobenega električnega naboja.

Za izpolnitev teh dveh pogojev se uporabljajo:

• reed-releji, ki so zaprti v posebno visoko izolacijsko steklo

• J-FET stikala.

Najprej smo za reset stikalo uporabili J-FET tranzistor. Vendar to stikalo ni izpolnilo

zahtevanih lastnosti, zato smo poiskali drugo rešitev. Reset stikalo smo realizirali, kot je

prikazano na sliki 6.5.



-

+

+Vcc

-Vcc

LMC6081AIM

2

3

4

6

7

C

-5V

+5V

Q

OUT

R110k

R2100M

D1 D2

R5

47K

12

7 8

ILD217T

34

5 6

RESET

-

+U8B

OPA4227UA

5

67

D3BAS21

D4BAS21 R3

100K

10mV

R4100R

10Vx1000

0V

0V

Slika 6.5: Realizacija reset stikala

Stikalo je sestavljeno iz:

• operacijskega ojačevalnika z nizko preostalo napetostjo VUoffset µ75±= in

napetostnim ojačanjem Au = 1000

• dvojnega optičnega izolatorja, ki delujeta kot stikalo; ker je izhodna napetost

lahko pozitivna ali negativna, moramo zagotoviti prevajanje v obe smeri

• dveh parov usmerniških diod.

Delovanje stikala je sledeče: v danem trenutku je na integracijskem kondenzatorju C

naboj Q, pri tem je izhodna napetost na operacijskem ojačevalniku LM6081AIM, npr.

+10 mV. Ta napetost je ojačana s faktorjem 1000, torej je na izhodu napetostnega

ojačevalnika +10 V. Ojačevalnik naboja se resetira v točno določenih časovnih

presledkih, kadar krmilni signal RESET sklenemo na 5 V. S tem je omogočeno

prevajanje tranzistorjev v optičnem izolatorju. Napetost na napetostnem ojačevalniku je

+10 V, torej steče tok čez diodo D3 in preko upora R1 proti masi in hkrati tudi preko

upora R2 in čez diodo D1 v kondenzator v povratni vezavi. Kakor hitro začne teči tok v



kondenzator, se napetost na izhodu operacijskega ojačevalnika prične manjšati proti 0

V. Ko napetost pade pod kolensko napetost diod, ki sta zaporedno vezani, se tokokrog

prekine.

V nasprotnem primeru, pri izhodni napetosti –10 mV, bo tok tekel iz kondenzatorja

proti izhodu operacijskega ojačevalnika.

Po takem resetu je izhodna napetost za faktor 1000 manjša kot je kolenska napetost

zaporedno vezanih diod.

Tok, ki je potreben, da izpraznimo kondenzator s kapacitivnostjo C = 10 nF v času t =

100 ms z napetostjo U = 10 mV, znaša:

nAms

mVnF

t

UCI 1

100

1010=

⋅=

⋅= (6.5)

Enačbo (6.5) smo dobili s preobrazbo enačb (6.2) in (4.1).

Dioda BAS21 ima pri toku 10 mA kolensko napetost 600 mV, torej imata dve zaporedno

vezani diodi kolensko napetost 1,2 V. Izhodna napetost, po resetu, bo torej 1,2 mV, ob

predpostavki, da je tok skozi diodi 10 mA. Vendar je tok skozi diodi približno 1 mA

(6.6), zato bo tudi kolenska napetost nekoliko nižja, s tem pa bo nižja tudi izhodna

napetost.

mAk

kmV

R

UI out

D 110

1101000

14,3 =

Ω

⋅=

⋅= , (6.6)

pri tem je:

4,3 DDI – tok skozi diodo D3 oz. D4,

outU – izhodna napetost,

1000 – ojačanje operacijskega ojačevalnika OPA4227UA.

Idealni operacijski ojačevalnik ima vhodno preostalo diferenčno napetost enako 0 V,

tako bi bila napetost na diodah D1 in D2 enaka 0 V, ker sta upora R1 in R2 vezana proti

masi. Tudi idealni optični izolator ne prevaja, kadar ni napetosti na diodah. Tako ne bi

bilo pomembno, kakšne lastnosti bi imeli diodi D1 in D2.

V praksi pa ima operacijski ojačevalnik LMC6081AIM vhodno preostalo diferenčno

napetost večjo od 0 V, tipično 150 µV. V optičnem izolatorju ILD217T teče tok, tipično



5 nA, skozi tranzistorja tudi v primeru, kadar je napetost na diodah enaka 0 V zaradi

nečistoč v PN- spoju. Ta tok povzroči padec napetosti na uporu R1, tako je neka

napetost v točki med R1 in R2; tipično je napetost v točki R1 in R2 enaka

uVknRIU 50105102,1 =⋅=⋅= . Diodi D1 in D2 nista več vezani proti napetosti 0 V,

ampak proti napetosti, ki je reda velikosti nekaj 10 µV. Posledično to pogojuje izbiro

diod D1 in D2 tako, da imata čim manjši tok, kadar je napetost na PN-spoju blizu 0 V,

oz. nekaj 10 µV. V ta namen smo namesto diod uporabili J-FET tranzistorja, v katerih je

uporabljen PN-spoj med vrati G in izvorom S. Ta PN-spoj je veliko manjši kot je pri

diodah. Število nečistoč narašča z volumnom PN-spoja; manjši PN-spoj ima manj

nečistoč, s tem pa manjši tok, kadar je napetost na PN-spoju približno enaka 0 V.

6.6 Zakaj resetiramo ojačavalnik vedno v sesalnem ciklu?

Ojačevalnik naboja resetiramo zato, ker želimo imeti izhodno napetost 0 V, kadar je

relativni tlak v valju motorja enak 0 bar. Naboj Q pa ni enak 0 C kadar je relativi tlak 0

bar, zato resetiramo ojačevalnik naboja, izpraznimo kondenzator v povratni vezavi.

Relativni tlak 0 bar je v cilindru v določenem trenutku polnilnega cikla, to je nekaj

trenutkov po odprtju polnilnega ventila. Kasneje je zaradi sesalnega efekta tlak nekoliko

nižji, nekaj 100 mbar, pri atmosfersko polnjenih motorjih. Delovni tlak motorja v

celotnem delovnem področju je nekje med 50 in 100 bar, zato lahko zanemarimo 0,1 bar

podtlaka, kar predstavlja pri tlaku 50 bar napako 0,2 % in pri tlaku 100 bar napako 0,1

%.

Primeren trenutek za resetiranje ojačevalnika naboja je torej nekje v polnilnem taktu

motorja.

6.7 Vezje za sinhrono kompenzacijo lezenja

Vezje za sinhrono kompenzacijo lezenja je v bistvu vezje, ki sinhrono z delovnim

ciklom motorja z notranjim zgrevanjem resetira ojačevalnik naboja (slika 6.6). Ima tri

glavne sklope, to so: mikrokrmilnik, analogni filter zajetega signala in stikalo.



C1 1uR7

68K

VCC

V_Out

C2

1u

VCC

R11

10K

R410K

R12220K

ADC1

ADC0

ADC3

ADC3

ADC0ADC1

PA5

R1310K

VCC

V_Out

V_IN

TP3

PA5

TP4

LED1

VCC

C3

1u

R31K

R5

10K

R91K8

R1010K

U7AILD207T

12 7

8

Q1BC850CLT1

1

23

P1

MO

LE

X_53

047-0

910 1

1

22

33

44

55

66

77

88

99

Reset

GND

Reset

SCLSDA

-5V

V_IN

uP_Reset

SCLSDA

uP_Reset

U2

ATtiny 44-20SSU

Vcc1

PB0(PCINT8/XTAL1/CLKI)2

PB1(PCINT9/XTAL2)3

PB3(PCINT11/RESET/dW)4

PB2(PCINT10/INT0/OC0A/CKOUT)5

PA7(PCINT7/ICP/OC0B/ADC7)6

PA6(PCINT6/OC1A/SDA/MOSI/ADC6)7

(ADC5/DO/MISO/OC1B/PCINT5)PA58(ADC4/USCK/SCL/T1/PCINT4)PA49(ADC3/T0/PCINT3)PA310(ADC2/AIN1/PCINT2)PA211(ADC1/AIN0/PCINT1)PA112(ADC0/AREF/PCINT0)PA013GND14

VCC

VCC

VCC

R6

10K

R810K

Slika 6.6: Vezje za sinhrono kompenzacijo lezenja

Uporabljen je mikrokrmilnik proizvajalca ATMEL, z oznako ATtiny44-20SSU. Je eden

manjših in dokaj zmogljiv mikrokrmilnik iz serije ATtiny.

Uporabljeni vhodi/izhodi in njihov pomen:

• uP_Reset, resetiranje mikrokrmilnika in vhod za programiranje

• TP3 in TP4, rezerva

• SDA, (serial data), podatkovna linija pri I2C komunikaciji

• PA5, vklop/izklop stikala

• SCL, (serial clock), ura pri I2C komunikaciji

• ADC3, analogni vhod 3, zajemanje analognega signala, ki je deljen s faktorjem

6,8:1 in enosmerno premaknjen za 2,5 V

• ADC1, analogni vhod 1, zajemanje analognega signala ki je enosmerno ločen od

ADC3

• ADC0, analogni vhod 0, zajemanje povprečne vrednosti analognega signala

• V_IN, napajalna napetost za vklaplanje reset stikala ojačevalnika naboja

• Reset, izhod za krmiljenje reset stikala ojačevalnika naboja



• V_Out, vhodni signal iz ojačevalnika naboja.

Vhodna napetost, zajeta iz ojačevalnika naboja V_Out (slika 6.7), se lahko spreminja

med ±10 V, zato imamo na analognem vhodu ADC3 napetostni delilnik in seštevalnik.

Napetostni delilnik predstavljata upora R7 in R6 v razmerju 6,8 : 1, tako da je vhodna

napetost omejena na ±1,5 V. Mikrokrmilnik lahko meri samo pozitivne napetosti, zato

smo z uporoma R8 in R6 naredili enosmerno premaknitev za +2,5 V. Vsi trije upori

skupaj torej predstavljajo analogni uporovni seštevalnik z enosmerno premaknitvijo;

koristni signal se bo spreminjal med vrednostmi 1 V in 4 V (slika 6.8). Analogni vhod

ADC1 zajema signal, ki je enosmerno ločen s C1 od seštevalnika napetosti (slika 6.9).

Analogni vhod ADC0 pa zajema signal iz drugega seštevalnika napetosti, ki ima tudi

enosmerno premaknitev za +2,5 V. Dodan ima kondenzator C2, skupaj z uporom R12

tvori nizkopasovni filter s časovno konstanto τ = 220 ms. Na analognem vhodu ADC0

zajemamo povprečno vrednost signala (slika 6.10).

Slika 6.7: Vhodni analogni signal



Slika 6.8: Signal na analognem vhodu ADC3





6.8 Algoritem za detekcijo periode

Ojačevalnik naboja za merjenje tlaka v valju motorja lahko deluje, če motor z notranjim

zgorevanjem obratuje ali ne, zato imamo dva načina delovanja kalibracijskega vezja

(slika 6.11):

• delovanje v načinu, kadar ni periodičnega signala

• delovanje v načinu, kadar je periodični signal.

Slika 6.11: Diagram stanj programa

Ojačevalnik naboja se, kadar ni periodičnega signala na vhodu, resetira vsakih 10 s, s

trajanjem reseta 100 ms.

Resetiranje ojačevalnika naboja pri neperiodičnem signalu je realizirano s časovnikom 0

(TCNT0). Časovnik je nastavljen tako, da s frekvenco 1 kHz (vsako 1 ms) generira

prekinitev. V prekinitveni funkciji imamo spremenljivko (giResetTimeCounter), ki jo ob

vsaki prekinitvi povečamo za 1. Imamo dva pogoja: da resetiramo ojačevalnik naboja

(RESET = 1) in da ga ne resetiramo (RESET = 0). V primeru, kadar resetiramo

ojačevalnik naboja, šteje spremenljivka (giResetTimeCounter) do 100, torej do 100 ms;

kadar ga ne resetiramo, štejemo do 10000 ms.

Pri uspešni detekciji periodičnega signala se resetira ojačevalnik naboja periodično in

sinhrono z delovnim taktom motorja.



DELOVNI CIKEL

ANALOGNI SIGNALADC3

MEJNA VREDNOST

ADC3 > MEJNA VREDNOST

ADC3 < MEJNA VREDNOST

PERIODA SIGNALA

CENTER DELOVNEGA TAKTA

RESETIRANJE

Slika 6.12: Diagram sinhronizacije resetiranja

Analogni signal, zajet z analognim vhodom ADC3, primerjamo z mejno vrednostjo

(giSignalThreshold) (slika 6.12). Kadar je analogni signal večji ali enak mejni

vrednosti, se zabeleži in resetira števec 1 (TCNT1), števec začne ponovno šteti od 0

navzgor, ter spremenimo zastavico za smer signala (gcSignalDirection). Vrednost

števca predstavlja periodo signala. Kadar pa je signal manjši od mejne vrednosti, se

zabeleži vrednost števca 1 in izračuna center delovnega takta (uiCenter), reset start

(gcResetStart) in reset stop (gcResetStop) ter spremeni zastavica za smer signala. Center

delovnega takta se izračuna tako, da se vrednost števca deli z 2. Resetiranje

ojačevalnika naboja poteka od 64 % periode do 74 %. Reset start se izračuna tako, da se

perioda pomnoži z vrednostjo v procentih, pri kateri želimo začeti z resetom, reset stop

pa tako, da se perioda pomnoži z vrednostjo v procentih, pri kateri želimo končati z

resetom. Vrednost ResetStart vpišemo v izhodni primerjalni register A-števca 1

(OCR1A) in ResetStop v izhodni primerjalni register B-števca 1 (OCR1B). Kadar števec

1 prešteje do nastavljene vrednosti v registru OCR1A, postavi izhod PA5 oz. RESET na

visok nivo (5 V); kadar prešteje do nastavljene vrednosti v registru OCR1B, postavi

izhod PA5 na nazaj na nizki nivo (0 V).

Celoten program za resetiranje ojačevalnika naboja se izvaja v prekinitvah. V glavni

(main) funkciji se vrti samo zanka za sprejem ukazov preko I2C vodila. Z I2C vodilom

lahko beremo in spreminjamo parametre za proces resetiranja ojačevalnika naboja, ki se

zapišejo v EEPROM mikrokrmilnika.

Nastavljivi parametri:

• gcPolarity, polariteta signala, signal je lahko pozitiven ali negativen



• giSignalThreshold, napetost v mV v sredini histereze, za detektiranje vžiga

• giSignalHysteresis, histereza v mV

• gcResetStart, točka v kateri se vklopi resetiranje ojačevalnika naboja

• gcResetStop, točka v kateri se izklopi resetiranje ojačevalnika naboja

• gcMinimumNumberOfEngineCycles, število veljavnih ciklov po katerih se

prične periodično resetiranje ojačevalnika naboja

• giResetOffPeriod, čas med posameznimi reseti v primeru nezaznavanja

periodičnega cikla

• giResetOnPeriod, čas trajanja reseta ojačevalnika naboja, kadar ni zaznanega

periodičnega cikla .

6.9 Start in stop motorja

Motorji z notranjim zgorevanjem se praviloma zaganjajo z električnimi zaganjači, z

določenimi vrtljaji, ki so v večini primerov nižji od vrtlajev motroja z notranjim

zgorevanjem v prostem teku. Kadar zaganjamo motor z notranjim zgorevanjem, le-ta

pospešuje od zagonskih vrtljajev do željenih vrtljajev, zato se perioda spreminja –

krajša. Tlak zgorevalnega procesa se postopoma veča do delovnega tlaka.

Pri zaustavljanju motorja z notranjim zgorevanjem pa se perioda krožnega delovnega

procesa motroja daljša vse do zaustavitve, takrat ni več periode. Tlak zgorevalnega

procesa se postopoma manjša, kadar tlak ni več dovolj visok, ne pride do vžiga

zgorevalne zmesi in delovni krožni proces se prekine.



6.10 Celoten ojačevalnik naboja

Slika 6.13: Blokovna shema ojačevalnika naboja in reset vezja

Ojačevalnik naboja je v osnovi sestavljen iz intergratorja, naboj integriramo in dobimo

napetost. Napetost nato ojačamo z ojačevalnikom, ki mu lahko spremenimo ojačanje iz

faktorja 1 na 5. Signal nato filtriramo z nizko propustnim filtrom 1. reda z mejno

frekvenco f0 = 16 kHz. Z izhodnim ojačevalnikom nastavimo točno ojačanje celotnega

vezja s pomočjo digitalnega potenciometra preko komunikacijskega I2C-vodila.

Reset vezje, ki smo ga dodali pozneje, smo priključili na izhodno signalno napetost Uout.

Napaja se iz napetosti –5 V in GND. Izhod reset vezja je povezan na reset stikalo, ki je

realizirano na tiskanem vezju ojačevalnika naboja. Preko komunikacijskega vodila

lahko nastavljamo parametre za proces resetiranja ojačevalnika naboja (slika 6.13).

Spodnja slika 6.14 prikazuje končan izdelek ojačevalnika naboja v aluminijastem

ohišju. Na levi konektor pripeljemo naboj Q, desni konektor je napajalni in

komunikacijski konektor.



Slika 6.14: Ojačevalnik naboja

Na sliki 6.15 vidimo vgrajeno prototipno reset vezje v obstoječi ojačevalnik naboja.

Prototipno reset vezje smo povezali z žicami na ojačevalnik naboja, privijačili z M3

vijakom in električno izolirali z izolacijsko folijo, ki se nahaja pod reset vezjem.

Slika 6.15: Ojačevalnik naboja z vgrajenim reset vezjem



6.11 Praktično delo

Razvoj vezja in programa je potekal na podjetju Emsiso d. o. o. Signal je bil simuliran s

funkcijskim generatorjem Keithley 3390. Po končanem razvoju smo delovanje testirali

na podjetju Piezocryst Advanced Sensorics GmbH v Avstriji. Merilni rezultati so bili

posneti med postopkom testiranja.

Vezalna shema vezja je načrtana v programskem paketu Cadence Allegro Design Entry

CIS. Načrt tiskanega vezja je izdelan v programskem paketu Cadence Allegro PCB

Editor. Tiskano vezje je izdelal priznan slovenski proizvajalec tiskanih vezij Lingva d.

o. o. Izdelano vezje smo vgradili v obstoječi ojačevalnik naboja (slika 6.15)

Program je razvit v programskem okolju AVR Studio 4, ki je namenjeno za razvijanje

programov za mikrokrmilnike proizvajalca ATMEL. Programska koda je napisana v C

programskem jeziku. Primer programske kode je priložen v prilogi 9.1.

Končno testiranje je bilo izvedeno na referenčnem dizelskem enovaljnem batnem

motorju z notranjim zgorevanjem, kateri se uporablja za testiranje tlačnih

piezoelektričnih senzorejv in ojačevalnikov naboja na podjetju Piezocryst Advanced

Sensorics GmbH v Avstriji.

6.12 Praktični rezultati

Slika 6.16 prikazuje dejanski časovni potek, trenutke resetiranja ojačevalnika naboja,

kadar ne zaznamo periodičnega signala. Modra krivulja prikazuje tlak v valju motorja,

signal na analognem vhodu ADC3, ki je enak 0 V, ni periode. Vijolična krivulja

prikazuje potek reset pulzov. Reset, ob neperiodičnem signalu, se izvede vsakih 10 s s

trajanjem reseta 100 ms, torej je perioda reseta 10,1 s.



Slika 6.16: Prikaz reset pulzov, kadar ni periodičnega signala

Kadar zaganjamo motor z notranjim zgorevanjem, perioda ni konstantna, ker motor

pospešuje in tlak se povečuje do delovnega tlaka (slika 6.17). Kadar zaznamo dva

veljavna zgorevalna cikla motorja, začnemo periodično resetirati ojačevalnik naboja.

Modra krivulja prikazuje potek tlaka v valju motorja. Vijolična krivulja prikazuje

trenutke resetiranja ojačevalnika naboja. Izmerimo trenutno periodo, resetiramo pa v

naslednjem delovnem ciklu. Razvidno je, da prvi reset ojačevalnika naboja ni v pravem

trenutku, to pa se je zgodilo zato, ker perioda ni konstantna. Prva perioda je daljša od

vseh nadaljnjih. Reset se izvede na 64–74 % periode, to je v tem primeru točno v

trenutku pred naslednjim zgorevalnim ciklom. Od tretjega reset pulza dalje, je

resetiranje v pravem trenutku, ker je perioda konstantna.

Slika 6.17: Potek sinhronizacije na periodični signal



Slika 6.18 prikazuje sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja za merjenje tlaka v valju

motorja z notranjim zgorevanjem.

Slika 6.18: Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja

Slika 6.19 prikazuje časovni potek, kadar motor z notranjim zgorevanjem ustavljamo.

Med ustavljanjem delovni tlak postopoma upada; kadar je tlak manjši od nastavljene

mejne vrednosti, se sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja prekine in se začne

periodično resetiranje vsakih 10 s s trajanjem reseta 100 ms. Vidimo, da je zadnji reset

ojačevalnika naboja v trenutku, kadar ni več periodičnega signala, ker merimo trenutno

periodo in resetiramo v naslednji.

Slika 6.19: Signal pri zaustavitvi motorja z notranjim zgorevanjem



7 ZAKLJUČEK

Razvijanje sinhronega resetiranja ojačevalnika naboja je zahtevalo znanja iz delovanja

batnih motorjev z notranjim zgorevanjem in znanja o delovnem krožnem ciklu (slika

3.8), kar je predstavljalo osnovo za nadaljnje raziskave. Raziskave so pokazale potrebo

po znanju iz teorije piezoelektričnih senzorjev, ki se uporabljajo za merjenje tlaka.

Največ raziskav pa je bilo posvečenih delovanju ojačevalnikov naboja.

Zastavljen problem je bil zmanjšati vpliv časovnega lezenja izhodne napetosti

ojačevalnika naboja pri merjenju tlaka v valju motorja z notranjim zgorevanjem.

Izhodna napetost ojačevalnika naboja časovno leze zaradi dveh glavnih razlogov: prvič,

integracijski kondenzator nima neskončne izolacijske upornosti in drugič, v vhodne

sponke operacijskega ojačevalnika teče tok reda velikosti nekaj pA.

Ugotovili smo, da lahko zmanjšamo vpliv časovnega lezenja izhodne napetosti tako, da

se ojačevalnik naboja pogosteje resetira. Do sedaj se je ojačevalnik naboja resetiral

ročno, tik pred pričetkom meritve in po določenem času, zato je prihajalo do popačenja

rezultatov z lezenjem izhodne napetosti. Za potrebe meritev se je najbolje izkazalo

resetirati ojačevalnik naboja med 64 % in 74 % vsake periode delovnega cikla motorja.

To zahteva merjenje izhodne napetosti ojačevalnika naboja v realnem času. Z meritvijo

se določi perioda signala in izračuna trenutek resetiranja ojačevalnika naboja.

Ob prvih testiranjih na testnem mestu se je izkazalo, da resetiranje ne poteka tako kot

smo predvideli. Problem je predstavljalo zaganjanje motorja z notranjim zgorevanjem.

Pri zagonu perioda ni konstantna in tlak se hipoma poveča vse do delovnega tlaka, zato

sinhronizacija resetiranja ni mogoča. Resetiranje se je zgodilo v trenutku zgorevalnega

oz. ekspanzijskega takta, zato je bila izhodna napetost enosmerno premaknjena. Procesu

resetiranja smo dodali dva parametra, mejno vrednost in minimalno število veljavnih

delovnih ciklov. S tem smo postavili mejo najnižjega delovnega tlaka, pri katerem je

resetiranje še aktivno, in določili minimalno število veljavnih delovnih ciklov, preden

postane resetiranje aktivno. Končno testiranje je pokazalo, da sinhrono resetiranje

ojačevalnika naboja za merjenje tlaka v valju motorja uspešno odpravi popačenje

meritev zaradi lezenja izhodne napetosti. S tem je omogočeno merjenje tlaka v daljšem

časovnem obdobju, brez popačenja meritev zaradi lezenja izhodne napetosti.



Izdelali smo prototipno vezje za sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja, ki smo ga z

žicami povezali na ojačevalnik naboja. Pri serijski izdelavi ojačevalnikov naboja za

merjenje tlaka v valju motorja bo potrebno modificirati vezje ojačevalnika naboja.

Dodan bo konektor, na katerega se bo priključilo vezje za sinhrono resetiranje.



8 VIRI IN LITERATURA

[1] Breda Kegl, Osnove motorjev z notranjim zgorevanjem, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2006.

[2] Proizvajalec avtomobilov Mazda. Dostopno na:

http://www.mazda.com/

[3] Wikipedia, 2009, [online]. Dostopno na:

http://en.wikipedia.org/wiki/Four-stroke_engine


http://en.wikipedia.org/wiki/Poppet_valve


http://en.wikipedia.org/wiki/Wankel_engine

[6] Denis Đonlagić, Zapiski s predavanj pri predmetu SENZORJI – Osnove

delovanja senzorjev in pripadajoča merilna vezja, Maribor, 2006.


http://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectric_effect


http://en.wikipedia.org/wiki/Piezo_effect#Materials

[9] Murata, izdelovalec piezoelektrične keramike. Dostopno na:

http://www.murata.com/products/catalog/pdf/p19e.pdf

[10] Piezocryst, izdelovalec tlačnih senzorjev. Dostopno na:

http://www.piezocryst.com/downloads/Piezoelectric_Sensors_01.pdf


http://en.wikipedia.org/wiki/Charge_amplifier

[12] J. Tichý, G. Gautschi, Piezoelektrische Messtechnik, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 1980.

[13] Piezocryst, proizvajalec piezoelektričnih senzorjev tlaka. Dostopno na:

http://www.piezocryst.com/pressure_sensors.php

[14] TDK, proizvajalec keramičnih kondenzatorjev. Dostopno na:

http://www.tdk.com/

[15] National Semiconductor, proizvajalec polprevodnikov. Dostopno na:

http://www.national.com/analog



9 PRILOGE

Seznam prilog

1. Primer programske kode sinhronega resetiranja ojačevalnika naboja

2. Izjava o istovetnosti

3. Kratek življenjepis

4. Naslov študenta

K diplomski nalogi je priložena zgoščenka, na kateri je elektronska oblika te diplomske

naloge v PDF formatu.



9.1 Primer programske kode sinhronega resetiranja ojačevalnika naboja

#include <avr/io.h>

#include <avr/interrupt.h>

#include "BitDefinition.h"

#include "I2C.h"

#include "EEPROM.h"

// parameter list

unsigned char gcPolarity; //ADR 0, (1),1 0.. disabled, 1..signal is positive, 2.. signal is negative

int giSignalThreshold; //ADR 1, (500),300 voltage in mV in the midle of histeresis for ignition detection

int giSignalHysteresis; //ADR 2, (100),50 hysteresis in mV

unsigned char gcResetStart; //ADR 3, (64),64 point at which reset is turned on (complete period is 128)

unsigned char gcResetStop; //ADR 4, (74),75 point at which reset is turned off (complete period is 128)

unsigned char gcMinimumNumberOfEngineCycles;//ADR 5, (2),2 after how many valid engine cycles start with periodic reset

unsigned int giResetOffPeriod; //ADR 6, (10000),10k ms, how long we wait betwen resets, if no engine period detected

unsigned int giResetOnPeriod; //ADR 7, (100),100 ms, how long is reset, if no engine period detected

// internal variables

unsigned int guiPeriod; // current period of engine

char gcSignalDirection=0; // in wich direction signal is moving

char gcCycleCounter=0; // how many valid engine cycles detected

unsigned int giResetTimeCounter=0; // time in ms after reset on/off

char gcResetOn=0; // current state of reset

/*******************************************************************************/

//

/*******************************************************************************/

void ResetCharge (char ResetState) // ta funkcija resetira charge amplifer

if (ResetState == 0)

PORTA &= ~BIT5; // reset = 0

PORTA &= ~BIT2; // LED off

else

if (gcPolarity != 0)

PORTA |= BIT5; // reset = 1

PORTA |= BIT2; // LED on



gcResetOn = ResetState;

/*******************************************************************************/

//

/*******************************************************************************/

void InitParameters (void)

gcPolarity = EEPROM_read (0);

giSignalThreshold = EEPROM_read (1);

giSignalHysteresis = EEPROM_read (2);

gcResetStart = EEPROM_read (3);

gcResetStop = EEPROM_read (4);

gcMinimumNumberOfEngineCycles = EEPROM_read (5);

giResetOffPeriod = EEPROM_read (6);

giResetOnPeriod = EEPROM_read (7);

gcCycleCounter=0;

ResetCharge(0);

giResetTimeCounter=0;

/*******************************************************************************/

//

/*******************************************************************************/

void TogleLED (void)

if ((PORTA & BIT2) ==0)


else


/*******************************************************************************/

//

/*******************************************************************************/

int ReadAD_Vin (void)

int iTmp;

iTmp = ADCL; // vrednost registra ADCL zapise v temp

iTmp += ((int)ADCH <<8) & 0x03FF; // vrednost registra ADCH zapise v temp, pemaknjeno za 8 bitov

iTmp = (iTmp-580)*37; // skaliranje vrednosti

if (gcPolarity == 2) // negira signal

iTmp = -iTmp;



return (iTmp);

/*******************************************************************************/

//

/*******************************************************************************/

int main(void) // Glavna funkcija

int iTemp;

long lTemp;

unsigned char ucAddress;

unsigned char TWI_slaveAddress;

DDRA |= BIT2; //set PA2 LED to output

DDRA |= BIT5; //set PA5 to output - Reset

// reset charge amplifier at power on for 1 sec

PORTA |= BIT5; // reset = 1


for (lTemp=0;lTemp<210000;lTemp++); // delay 1 s

PORTA &= ~BIT5; // reset = 0


//AD converter

ADMUX = (0x0<<6) | 0x03; // Ref = Vcc, mux =ch3

ADCSRA = BIT7 |BIT3| 0x05; // ADC enabled, prescaler 32

ADCSRB = 0;

ADCSRA |= BIT6; // ADC start

TWI_slaveAddress = 0xA0>>1;

USI_TWI_Slave_Initialise( TWI_slaveAddress);

sei(); // enable global interupts

InitParameters();

// timer 1

TCNT1 =0; // reset timer

TCCR1B = 0b00000000; // Waveform select, Normal

TCCR1A = 0b00000000; // Compare mode select, wave form select

TIMSK1 = 0b00000111; // Timer interupts enabled for compA, compB, overflow

TCCR1B |= 0x03; // start timer with prescaler 64



// timer 0

TCCR0A = 0x03; // wgm1 and wgm0 =1

TCCR0B = 0x0C; // /256, wgm2=1

OCR0A = 31; // to get 1 kHz clock

TIMSK0 = 0x01; // enable overflow interrupt

while(1)

if(USI_TWI_Data_In_Receive_Buffer() ==3) // received write command

iTemp = TWI_RxBuf[2];

iTemp = iTemp<<8;

iTemp += TWI_RxBuf[1];

ucAddress = TWI_RxBuf[0];

EEPROM_write (ucAddress, iTemp);

InitParameters();

if(TWI_CheckIfReadReceived() ==1) // received read command

ucAddress = TWI_RxBuf[0];

iTemp = EEPROM_read (ucAddress);

TWI_TxBuf[0] = iTemp &0xFF;

TWI_TxBuf[1] = iTemp >> 8;

/*******************************************************************************/

//

/*******************************************************************************/

ISR(ADC_vect) // Interrupt on ADC complete

int iResult;

unsigned int uiTemp,uiTemp1, uiCenter;

iResult = ReadAD_Vin();

// if signal over Threshold

// read timer value. This is estimated period

if ((gcSignalDirection==0) && (iResult > (giSignalThreshold+(giSignalHysteresis>>1))))

guiPeriod = TCNT1; // shranimo periodo



TCCR1B &= ~0x07; // stop timer

TCNT1 =0; // resetiramo števec

TCCR1B |= 0x03; // start timer with prescaler 64

gcSignalDirection=1;

if (gcCycleCounter < gcMinimumNumberOfEngineCycles)

gcCycleCounter++;

// if signal below Threshold

// read timer value, calculate ignition point and both compare points

if ((gcSignalDirection==1) &&(iResult < (giSignalThreshold-(giSignalHysteresis>>1))))

uiCenter = TCNT1>>1; // izracunamo center

uiTemp = ((long)guiPeriod*gcResetStart)>>7; // izracunamo reset start

uiTemp += uiCenter;

OCR1A = uiTemp;

uiTemp1 = ((long)guiPeriod*gcResetStop)>>7; // izracunamo reset stop

uiTemp1 += uiCenter;

OCR1B = uiTemp1;

gcSignalDirection=0;

ADCSRA |= BIT6; // ADC start

/*******************************************************************************/

//

/*******************************************************************************/

ISR(TIM1_COMPA_vect) // Interrupt on Timer/Counter Compare Match A

// interupt compare A

if (gcCycleCounter == gcMinimumNumberOfEngineCycles)

ResetCharge(1); // Reset charge on

/*******************************************************************************/

//

/*******************************************************************************/

ISR(TIM1_COMPB_vect) // Interrupt on Timer/Counter Compare Match B

// interupt compare B

if (gcCycleCounter == gcMinimumNumberOfEngineCycles)

ResetCharge(0); // Reset charge off



/*******************************************************************************/

//

/*******************************************************************************/

ISR(TIM1_OVF_vect ) // Interrupt on Timer1 overflow

// No periodic signal.

if (gcCycleCounter !=0) //if this is first time

ResetCharge(0);

gcCycleCounter=0;


/*******************************************************************************/

// this interupt is 1 kHz

//

/*******************************************************************************/

ISR(TIM0_OVF_vect ) // Interrupt on Timer0 overflow

if (gcCycleCounter == 0) // no engine cycles detected

giResetTimeCounter++;

if (gcResetOn ==0) // now reset is off

if (giResetTimeCounter >= giResetOffPeriod)

ResetCharge(1);


else

if (giResetTimeCounter >= giResetOnPeriod)

ResetCharge(0);




9.2 Izjava o istovetnosti



9.3 Kratek življenjepis

Ime in priimek: Darko Valenko

Rojen: 09.02.1983, na Ptuju

Osnovna šola: 1990–1998, OŠ Gorišnica

Srednja šola: 1998–2002, Poklicna in tehniška elektro šola Ptuj, elektrotehnik –

elektronik

Fakulteta: 2002–2008, FERI Maribor, študijski program: elektrotehnika UNI,

smer: mehatronika



9.4 Naslov študenta

Darko Valenko

Tibolci 5

2272 Gorišnica

Tel.: 051 649 889

e-mail: [email protected]

Documents

SINHRONO RESETIRANJE OJA ČEVALNIKA NABOJA · 2018. 8. 24. · Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja III Diplomsko delo Darko Valenko SINHRONO RESETIRANJE OJA ČEVALNIKA NABOJA