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
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 2
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 3
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 4
Diplomsko delo Darko Valenko
• 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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 5
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 6
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 7
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 8
Diplomsko delo Darko Valenko
• 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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 9
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 10
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 11
Diplomsko delo Darko Valenko
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
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 12
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 13
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 14
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 15
Diplomsko delo Darko Valenko
2–3 izobarni1 dovod toplote
3–4 izentropska ekspanzija
4–1 izohorni odvod toplote.
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 16
Diplomsko delo Darko Valenko
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
4–1 izohorni odvod toplote.
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:
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 17
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 18
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 19
Diplomsko delo Darko Valenko
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 .
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 20
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 21
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 22
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 23
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 24
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 25
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 26
Diplomsko delo Darko Valenko
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].
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 27
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 28
Diplomsko delo Darko Valenko
• 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).
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 29
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 30
Diplomsko delo Darko Valenko
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).
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 31
Diplomsko delo Darko Valenko
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 = .
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 32
Diplomsko delo Darko Valenko
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].
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 33
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 34
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 35
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 36
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 37
Diplomsko delo Darko Valenko
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].
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 38
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 39
Diplomsko delo Darko Valenko
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].
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 40
Diplomsko delo Darko Valenko
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 %
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 41
Diplomsko delo Darko Valenko
• 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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 42
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 43
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 44
Diplomsko delo Darko Valenko
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).
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 45
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 46
Diplomsko delo Darko Valenko
-
+
+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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 47
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 48
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 49
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 50
Diplomsko delo Darko Valenko
• 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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 51
Diplomsko delo Darko Valenko
Slika 6.8: Signal na analognem vhodu ADC3
Slika 6.9: Signal na analognem vhodu ADC1
Slika 6.10: Signal na analognem vhodu ADC0
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 52
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 53
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 54
Diplomsko delo Darko Valenko
• 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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 55
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 56
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 57
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 58
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 59
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 60
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 61
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 62
Diplomsko delo Darko Valenko
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
[4] Wikipedia, 2009, [online]. Dostopno na:
http://en.wikipedia.org/wiki/Poppet_valve
[5] Wikipedia, 2009, [online]. Dostopno na:
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.
[7] Wikipedia, 2009, [online]. Dostopno na:
http://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectric_effect
[8] Wikipedia, 2009, [online]. Dostopno na:
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
[11] Wikipedia, 2008, [online]. Dostopno na:
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 63
Diplomsko delo Darko Valenko
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.
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 64
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 65
Diplomsko delo Darko Valenko
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)
PORTA |= BIT2; // LED on
else
PORTA &= ~BIT2; // LED off
/*******************************************************************************/
//
/*******************************************************************************/
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;
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 66
Diplomsko delo Darko Valenko
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
PORTA |= BIT2; // LED on
for (lTemp=0;lTemp<210000;lTemp++); // delay 1 s
PORTA &= ~BIT5; // reset = 0
PORTA &= ~BIT2; // LED off
//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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 67
Diplomsko delo Darko Valenko
// 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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 68
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 69
Diplomsko delo Darko Valenko
/*******************************************************************************/
//
/*******************************************************************************/
ISR(TIM1_OVF_vect ) // Interrupt on Timer1 overflow
// No periodic signal.
if (gcCycleCounter !=0) //if this is first time
ResetCharge(0);
gcCycleCounter=0;
giResetTimeCounter=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);
giResetTimeCounter=0;
else
if (giResetTimeCounter >= giResetOnPeriod)
ResetCharge(0);
giResetTimeCounter=0;
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 70
Diplomsko delo Darko Valenko
9.2 Izjava o istovetnosti
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 71
Diplomsko delo Darko Valenko
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
Sinhrono resetiranje ojačevalnika naboja Stran 72
Diplomsko delo Darko Valenko
9.4 Naslov študenta
Darko Valenko
Tibolci 5
2272 Gorišnica
Tel.: 051 649 889
e-mail: [email protected]