Hoofdstuk 2

Natuurkunde Hoofdstuk 2 Automatische systemen

Automatische verlopende processen zijn goed te beschrijven met een blokschema. Je kunt dan duidelijk zien wat de functie is van de verschillende onderdelen, die het proces automatische laten verlopen. Een blokschema bestaat uit:
- invoer
- verwerking
- uitvoer

Je kunt onderscheid maken tussen meet- stuur- en regelsystemen. Verschillen zitten in de actuatoren en in wel of geen terugkoppeling.

De onderdelen die er samen voor zorgen dat het proces op de juiste manier verloopt, worden een systeem genoemd.

In de meeste geautomatiseerde systemen brengen elektrische spanningen, signalen, gegevens van het ene deelsysteem naar het andere.

Een sensor is een apparaat dat de waarde van een natuurkundige grootheid omzet in een elektrisch signaal. In een diagram kun je zien hoe het signaal afhangt van de waarde van de natuurkundige grootheid. Zo’n diagram wordt een sensorkarakteristiek genoemd en de lijn erin de ijkkromme. Als de ijkkromme een rechte lijn is, dan heb je te maken met een lineaire sensor. De gevoeligheid is een maat voor de grootte van de spanningsverandering bij een verandering van de te meten grootheid. De nauwkeurigheid geeft aan hoe groot de afwijking van de gemeten waarde is vergeleken met de echte waarde. Met het bereik van een sensor wordt bedoeld het gebied waarbinnen de waarde van de te meten grootheid moet liggen.
Veel gebruikte sensoren zijn temperatuur-, licht-, positie-, druk-, kracht-, en geluidssensoren. Het uitgangssignaal van deze sensoren is continu. Een lichtsensor kan ook een discreet uitgangssignaal geven. De sensor wordt dan óf belicht óf verduisterd.
Een ingeschakelde spanningsbron van 5,0V geeft een ‘hoog’ signaal, een uitgeschakelde spanningsbron een ‘laag’ signaal. Een pulsgenerator geeft met een bepaalde frequentie spanningspulsjes.

Een comparator is een verwerker die een continu signaal op de ingang vergelijkt met een ingestelde waarde: de referentiespanning.
Als Uin > Uref dan is Uuit = ‘hoog’ (‘1’)
Als Uin < Uref dan is Uuit = ‘laag’ (‘0’)
Een EN- poort geeft alleen een ‘hoog’ signaal op de uitgang als de signalen op beide ingangen ‘hoog’ zijn.
Een OF- poort geeft een ‘hoog’ signaal op de uitgang als één of beide signalen op de ingangen ‘hoog’ zijn.
Een invertor maakt van een ‘hoog’ signaal een ‘laag’ signaal en omgekeerd.
Een teller telt het aantal malen dat een tweewaardig signaal van ‘laag’ naar ‘hoog’ gaat. Dit aantal wordt weergegeven op een display en in een code van ‘0’ en ‘1’. Een teller waarvan de ingang verbonden is met een plusgenerator fungeert als een elektronische klok.
Een geheugenelement geeft een ‘hoog’ signaal als er op de ingang een ‘hoog’ signaal gezet wordt. Dit signaal blijft hoog, totdat het geheugenelement ‘gereset’ wordt.

Een AD- omzetter zet analoge waarden om in een binaire code. De kleinste analoge waarde die een omzetter kan onderscheiden is de resolutie.

Als uitvoer kun je een actuator gebruiken, zoals een display, LED, een zoemer of een relais, waarmee een uitwendige stroomkring gesloten kan worden.

Complete systemen bouw je in fasen:
Fase 1: probleemanalyse
Fase 2a: ontwerpen in- en uitvoerblok
Fase 2b: ontwerpen verwerkingsblok
Fase 3: bouwen van het systeem
Fase 4: evaluatie van het systeem

Elk automatisch verlopend proces is te beschrijven met een bolkschema, dat uit drie delen bestaat: een invoerblok, een verwerkingsblok en uitvoerblok. Het gebruik van blokschema’s vergemakkelijkt het oplossen van een automatiseringsprobleem.

Een systeem is een samenhangend geheel van onderdelen, die elk een eigen functie hebben en die aan elkaar gegevens doorgeven.

In een automatisch systeem zijn in ieder geval aanwezig:

- een of meer sensoren
- een of meer verwerkers
- een of meer actuatoren

Soms geeft de elektrische spanning informatie over een grootheid. We spreken dan van een elektrisch signaal. Andere keren zegt spanning iets over de elektrische energie in een stroomkring.

Een sensor zet de waarde van een natuurkundige grootheid om in en elektrische spanning. Bij een sensor zijn van belang het bereik, de lineariteit, de gevoeligheid en de nauwkeurigheid.

Een comparator is een elektrische schakelaar zonder bewegende delen. Hij vergelijkt het signaal van het invoerblok Uin met een in te stellen referentiespanning Uref . De uitgang geeft een ‘hoog’ signaal (‘1’) als Uin groter is dan Uref en een ‘laag’ signaal (‘0’) als Uin kleiner is dan Uref

Een comparator verandert een continu signaal op de ingang in een discreet signaal op de uitgang.
Een inventor zet een ‘laag’ signaal (‘0’) om in een hoog signaal (‘1’) en omgekeerd.
Voor een elektronische klok zijn een teller en een pulsgenerator met een bekende frequentie nodig.
Er zijn discrete en continue grootheden. Beide kunnen op een digitale of analoge manier worden weergegeven

Een AD- omzetter zet een analoge waarde om in een digitale waarde, uitgedrukt in een binaire code. Daarbij verlies je informatie over het signaal. De mate van overeenkomst van het digitale signaal met het analoge signaal hangt af van het aantal bits dat beschikbaar is.

Een meetsysteem verzamelt kwantitatieve gegevens over een fysische grootheid, verwerkt deze gegevens en voert ze uit in een voor ons bruikbare vorm: op een scherm, in een diagram of tabel, enzovoort.


Een stuursysteem bestaat uit een sensor die de waarde van een fysische grootheid meet, een of meer verwerkers, die het signaal verwerken en een actuator die eventueel actie uitvoert.

Een regelsysteem is er op gericht de waarde van een grootheid zo dicht mogelijk te houden bij de gewenste waarde van de grootheid. In elk regelsysteem kun je onderscheiden:
- de sensor om een grootheid te meten
- een verwerker om de waarde van de grootheid te vergelijken met de gewenste waarde
- de actuator om eventueel een actie uit te voeren
- terugkoppeling: de actie heeft invloed op de te meten grootheid

Het oplossen van een automatiseringsprobleem is in vier fasen op te delen:
- de probleemanalyse
- het ontwerpen van oplossingen
- het bouwen van het systeem: de implementatie
- het toetsen van het gebouwde systeem aan de gestelde eisen: de evaluatie