1 Meet-, stuur- en regelsystemen

Bij automaten denk je eerder aan een frisdrankautomaat dan aan een apparaat dat de temperatuur van het water in een subtropisch zwembad op 30 °C houdt. Wanneer spreek je van een automaat? Welke typen automaten zijn er?

Figuur 1

Automaten

Automaten zijn apparaten die een bepaalde taak geheel zelfstandig kunnen uitvoeren. Een automaat is een signaalverwerkend systeem. Je kunt het vergelijken met de manier waarop jij met signalen omgaat. Als je een druk kruispunt nadert, kijk je welke kleur het verkeerslicht heeft. Als het verkeerslicht op oranje staat, denk je: ‘Ai, dat haal ik niet meer’ en je stopt. In drie stappen verwerk je het signaal van het verkeerslicht: waarnemen, denken en doen. Ook een automaat behandelt een signaal in drie stappen. Deze stappen noem je

invoer, verwerking en uitvoer. Zie het blokschema in figuur 2.

Figuur 2

Het ingangssignaal S1 kan door verschillende grootheden (temperatuur, kracht, licht, geluid) worden veroorzaakt. Het apparaat dat een bepaalde grootheid omzet in een elektrische spanning noem je een sensor. Zo zet bij het subtropisch zwembad een temperatuursensor de waarde van de temperatuur S1 om in een spanningssignaal S2.

Afhankelijk van wat er daarna gebeurt met een signaal, onderscheid je drie soorten automaten: meetsystemen, stuursystemen en regelsystemen.

Meetsysteem

Op een thermometer lees je zelf de temperatuur af. Je kunt de temperatuur ook laten meten door een automaat met een temperatuursensor. De spanning die de sensor afgeeft wordt omgezet in een temperatuur die je afleest op een display. Het blokschema staat in figuur 3. Een automaat die alleen maar meet en het resultaat weergeeft, noem je een meetsysteem.

Figuur 3 Meetsysteem

Stuursysteem

De temperatuur in een koelcel verandert in de loop van de dag. Die temperatuur mag echter niet hoger worden dan 10 °C. Als dat toch gebeurt, gaat een alarm af. Het blokschema van zo’n alarmsysteem staat in figuur 4. Een systeem dat meet en vervolgens alleen waarschuwt, noem je een stuursysteem. Je moet daarna zelf in actie komen, in dit geval om een koelmachine in en later weer uit te schakelen.

Figuur 4 Stuursysteem

Regelsysteem

Als in een koelcel het systeem zelf zorgt voor het in- en uitschakelen van een koelmachine, spreek je van een regelsysteem. Wordt de temperatuur in de koelcel op een bepaald moment hoger dan 10 °C, dan wordt automatisch de koelmachine ingeschakeld. Als de temperatuur na enige tijd weer onder 10 °C is gedaald, schakelt het systeem de koeling weer uit. De automaat heeft dus invloed op de temperatuur door middel van het in- en uitschakelen van de koelmachine. Deze invloed heet terugkoppeling. Een systeem met een terugkoppeling noem je een regelsysteem. Het blokschema van een regelsysteem staat in figuur 5.

Figuur 5 Regelsysteem

Analoge en digitale signalen

Een temperatuursensor geeft een elektrische spanning af die groter is naarmate de temperatuur hoger is. Een signaal dat alle waarden tussen bepaalde grenzen kan aannemen, noem je een continu of een analoog signaal. Zowel de temperatuur als de elektrische spanning die de temperatuursensor afgeeft, is een analoog signaal. Een analoog signaal kan worden omgezet in een digitaal signaal. Zie paragraaf 6.

Een digitaal signaal is een signaal dat in stapjes verandert. Bij stuur- en regelsystemen wordt een analoog signaal meestal zo verwerkt dat de uitgang van de verwerking slechts twee waarden kan aannemen, bijvoorbeeld 0 V en 5 V. Zo’n signaal noem je tweewaardig of binair. Een binair signaal noem je laag of hoog en geef je weer met een 0 of een 1. Zie tabel 1.

Binair signaal

Spanning 0 V

In woorden laag

In cijfers 0

Tabel 1

5 V

hoog

1

1 In een telefoon zitten sensoren, die signalen geven aan verschillende automaten.

Geef van de volgende beschrijvingen aan of de automaat een meet- of een stuursysteem is. a Je zegt een telefoonnummer en je telefoon belt dat nummer. b De gps bepaalt met behulp van satellieten en zendmasten de locatie van je telefoon. c Een telefoon kun je als kompas gebruiken dankzij de geomagnetische sensor. d Je draait je telefoon en de gyroscoop in je telefoon bepaalt of het scherm gedraaid moet worden.

2 In een subtropisch zwembad wordt het water op 30 °C gehouden. Dit is een voorbeeld van een regelsysteem. Als je een blokschema van dit systeem moet maken, gebruik je figuur 5 met enkele aanpassingen. a Teken een blokschema van een subtropisch zwembad.

In het blokschema van figuur 5 staan de signalen S1, S2, S3 en S4. b Welke signalen in het regelsysteem van het subtropisch zwembad zijn analoog en welke digitaal? Licht je antwoord toe. c Leg uit welk van deze signalen hoog is als de temperatuur lager dan 30 °C is.

3 Rookmelders die je zelf plaatst, werken op batterijen en hebben een testknop. Zie figuur 6.

In een rookmelder zendt een led een lichtbundel uit die door een lichtsensor wordt opgevangen. Als er rook in de lichtbundel komt, wordt het licht verstrooid en gaat het apparaat hard piepen. Druk je op de testknop van de rookmelder, dan moet een rookmelder ook hard piepen.

Emma drukt op de testknop en het apparaat gaat niet piepen. Zij noemt drie oorzaken.

I De batterij is (bijna) leeg. Figuur 6

II De schakeling is stuk.

III Er zit stof voor de lichtsensor. a Leg van elke oorzaak uit of dit de reden kan zijn voor het niet piepen bij het indrukken van de testknop. b Teken het blokschema van de rookmelder. Je hoeft de testknop niet in je schema op te nemen.

4 In de volgende tekst staan de beschrijvingen van vier automaten. Een half uur voordat je wekker afgaat, schakelt de thermostaat in de woonkamer de verwarming in.

Onderweg naar school gaat de straatverlichting uit als het licht begint te worden.

Het stoplicht springt net op groen als je aan komt rijden. Daardoor ben je ruim op tijd op school. a Geef van elke automaat aan of het een meetsysteem, stuursysteem of regelsysteem is. Licht je antwoord telkens toe. b Noem de sensor die nodig is bij: ▪ de thermostaat; ▪ de automatische straatverlichting. c Teken een blokschema van de automatische straatverlichting.

5 Als je in een lift stapt en de lift is te zwaar belast, dan hoor je een geluidssignaal.

In figuur 7 staat een blokschema van de lift.

Figuur 7

a Leg uit of deze lift een meetsysteem, stuursysteem of regelsysteem is. b Leg uit dat het signaal S1 analoog is. c Is het signaal S3 analoog of digitaal? Licht je antwoord toe. d Welke signalen zijn binair?

6 Diabetes type 1 (suikerziekte) is een aandoening waarbij iemand te weinig insuline aanmaakt.

Als je lichaam te weinig insuline aanmaakt, moet je insuline inspuiten.

Gerard heeft diabetes en moet daarom regelmatig zijn bloedsuiker controleren. Dat kan met een bloedglucosemeter. Hij prikt in zijn vinger. De druppel bloed houdt hij tegen een teststrip aan. Zie figuur 8. Aan de hand van het bloedsuikergehalte bepaalt Gerard of hij insuline moet inspuiten. Figuur 8

Gerard kan ook kiezen voor een insulinepomp die direct op het lichaam wordt geplakt. Deze bestaat uit een sensor en een pompje.

De sensor meet voortdurend het bloedsuikergehalte. Afhankelijk van de waarde zal het pompje een bepaalde hoeveelheid insuline inspuiten. a Is de glucosemeter een meet-, een stuur- of een regelsysteem? En de insulinepomp? b Geef van elk van deze apparaten een voordeel en een nadeel.