Opgave
In de zomer loopt de watertemperatuur in het tropisch aquarium van dierentuin Arts soms te hoog op. Een ventilator blaast dan lucht over het water.
a) Leg met behulp van de theorie van bewegende moleculen uit dat de temperatuur van het water daardoor daalt.
Door het verdampen van het water zakt het waterpeil in het aquarium.
Een automatisch systeem bewaakt dit waterpeil. In dit systeem schijnt een gele lichtstraal van bovenaf op een prisma, dat tegen de zijkant van het aquarium is geplakt. Zie figuur 1.
Als het waterpeil lager dan punt P van het prisma is, wordt de gele lichtstraal gereflecteerd naar de lichtsensor. Het prisma is van (gewoon) glas.
b) Als het waterpeil hoger dan punt P is, treedt er lichtbreking op van glas naar water. In figuur 2 zijn vijf mogelijke lichtstralen getekend.
c) Leg uit welke van de getekende lichtstralen de gebroken lichtstraal kan zijn.
Het signaal van de lichtsensor wordt gebruikt om een kraan te openen en te sluiten zodat het water in het aquarium tot het gewenste niveau wordt bijgevuld.
d) Leg uit of we hier te maken hebben met een meet-, stuur- of regelsysteem.
De lichtsensor bestaat uit een LDR in serie met een weerstand van 680 ? die aangesloten is op een spanning van 12,0 V. Zie figuur 3.
In het automatische systeem is ook een comparator en een relais opgenomen.
Wanneer het relais een hoog signaal krijgt, gaat de kraan open.
e) Leg uit of er tussen de comparator en het relais nog een invertor moet worden geschakeld om het systeem goed te laten werken.
In figuur 4 is de weerstand van de LDR bij verschillende verlichtingssterkten uitgezet.
Men wil dat het automatische systeem schakelt bij een verlichtingssterkte van 140 lux.
f) Bepaal op welke waarde de referentiespanning van de comparator daartoe moet worden ingesteld.
Uitwerking vraag (a)
De verdamping wordt bevorderd door lucht over het water te blazen.
Snel bewegende moleculen hebben een relatief hoge kinetische energie. Omdat deze moleculen het meest ontsnappen, neemt de gemiddelde kinetische energie van de moleculen af en dus daalt de temperatuur.
Uitwerking vraag (b)
Er vindt totale reflectie plaats als de hoek van inval groter is dan de grenshoek.
Voor geel licht geldt voor glas dat de grenshoek 41,5 º is.
De hoek van inval is 45 º.
Er vindt dus totale reflectie plaats.
Uitwerking vraag (c)
Eerst moet bepaald worden welk medium optisch het dichtst is. Met behulp van tabel 18 van de Binas is te bepalen dat dat hier het glas is. De lichtstraal gaat dus van een optisch dicht naar een optisch minder dicht medium. De breking moet dus van de normaal af zijn. Dit is alleen het geval bij straal e.
Uitwerking vraag (d)
Het ingangssignaal, in dit geval de intensiteit van het licht op de sensor, wordt beïnvloed door de uitgang, de kraan. Het is dus een regelsysteem, er is immers sprake van terugkoppeling.
Uitwerking vraag (e)
De weerstand van de LDR neemt af wanneer het waterpeil onder P daalt. In dat geval wordt de LDR namelijk sterker belicht. Dit betekend dat de spanning over de weerstand van 680 Ω toeneemt. De comperator krijgt dan een hoog signaal en de kraan wordt opengezet. Als het waterpeil onder P daalt, is het natuurlijk gewenst dat de kraan open gaat. Er is dus geen invertor nodig.
Uitwerking vraag (f)
De weerstand van de LDR bij een verlichtingssterkte van 140 lux is 1,40kΩ.
De referentiespanning is dan eenvoudig te bepalen:
(0,680 / (0,680 + 1,40) ) * 12,0 = 8,16 / 2,08 = 3,92 V
