- •Автоматизация измерений, контроля и испытаний
- •Введение. Основные определения и термины
- •1. Принципы построения измерительных систем
- •1.1. Ввод аналоговых сигналов в измерительных системах
- •1.1.1. Датчики измерительных систем и устройства согласования
- •1.1.2. Измерительные коммутаторы
- •1.1.3. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
- •1.2. Оценка системных параметров многоканальных измерительных систем
- •1.3. Каналы передачи данных (интерфейс)
- •1.4. Устройства и системы ввода/вывода фирмы National Instruments
- •1.4.1. Системы согласования сигналов scxi и scc
- •1.4.2. Многофункциональные платы и устройства для сбора данных
- •1.4.3. Модульные измерительные системы стандарта pxi
- •1.4.4. Система распределенного ввода/вывода и промышленного управления FieldPoint
- •1.4.5. Реконфигурируемая контрольно-измерительная система CompactRio
- •1.5. Система дистанционного измерения и сбора измерительно-диагностической информации
- •1.5.1. Общая структура системы
- •1.5.2. Измерительная часть автоматизированной системы дистанционных измерений
- •1.5.3. Алгоритмы работы автоматизированной системы дистанционных измерений
- •1.5.4. Разработка схем подключения средств измерения
- •2. Сигналы и методы их исследования
- •2.1. Общие характеристики электрических сигналов
- •2.2. Методы исследования прохождения сигналов
- •2.3. Динамические модели преобразователей сигналов
- •2.4. Механические, тепловые и электрические аналогии
- •2.4.1. Механические элементы
- •2.4.2. Тепловые элементы
- •2.4.3. Электрические элементы
- •2.5. Фильтры
- •2.5.1. Фильтры нижних частот
- •2.5.2. Фильтры верхних частот
- •2.5.3. Полосовые фильтры
- •2.5.4. Полосно-подавляющие фильтры
- •3. Аналоговая обработка сигналов
- •3.1. Операционные усилители. Основные свойства
- •3.2. Параметры и характеристики оу
- •3.3. Обратная связь в усилителях
- •3.4. Влияние ос на параметры усилителей
- •3.5. Применение операционных усилителей
- •3.5.1. Инвертирующий усилитель
- •3.5.2. Неинвертирующий усилитель
- •3.5.3. Суммирующий усилитель
- •3.5.4. Дифференциальный усилитель
- •3.5.5. Измерительный усилитель
- •3.5.6. Интеграторы
- •3.5.7. Дифференциаторы
- •3.5.8. Нелинейные преобразователи на оу
- •3.6. Активные фильтры
- •4. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи
- •4.1. Электронные ключи и коммутаторы
- •4.2. Цифро-аналоговые преобразователи
- •4.2.1. Общие положения
- •4.2.2. Цап с суммированием токов
- •4.2.3. Цап с внутренними источниками тока
- •4.2.4. Сегментированные цап
- •4.4.5. Цифровые потенциометры
- •4.2.6. Цап прямого цифрового синтеза
- •4.2.7. Параметры цап
- •4.3. Аналого-цифровые преобразователи
- •4.3.1. Общие положения
- •4.3.3. Ацп последовательного приближения
- •4.3.4. Последовательно-параллельные ацп конвейерного типа
- •4.3.5. Сигма-дельта ацп
- •5. Цифровая обработка сигналов
- •5.1. Общая характеристика цифровых сигналов и цифровых микросхем
- •5.2. Основы алгебры логики
- •5.3. Логические элементы
- •5.3.1. Типы логических элементов
- •5.3.2. Параметры логических элементов
- •5.4. Построение комбинационной логической схемы по заданной функции. Минимизация логических функций
- •5.5. Типы выходных каскадов цифровых элементов
- •5.6. Сложные логические элементы
- •6. Функциональные устройства на цифровых микросхемах
- •6.1. Системы счисления
- •6.2. Дешифраторы и шифраторы
- •6.3. Мультиплексоры и демультиплексоры
- •6.4. Компараторы кодов
- •6.5. Сумматоры
- •6.6. Триггеры
- •6.7. Регистры
- •6.8. Счетчики импульсов
- •6.9. Автоматизированные измерительные системы
- •Заключение
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
2.4.2. Тепловые элементы
Тепловые элементы — это радиаторы, нагревательные элементы, теплоизоляторы, отражатели и поглотители тепла. Тепло передается тремя способами: через теплопроводность, естественную и принудительную конвекцию и тепловое излучение. При изучении тепловых характеристик датчик рассматривается как составная часть измерительной системы, при этом учитываются теплопередача через корпус устройства и монтажные элементы, конвекция воздуха, обмен тепловыми излучениями с остальными объектами и т. д.
При построении простой модели с сосредоточенными параметрами для определения изменения температуры объекта можно воспользоваться первым законом термодинамики, по которому скорость изменения внутренней энергии тела равна разности втекающего и вытекающего потоков тепла, что очень напоминает задачу об уровне воды в резервуаре, когда через одну трубу вода вливается, а через другую сливается. Тогда тепловой баланс можно выразить в виде уравнения:
(2.24)
где C=Мc — теплоемкость тела, Дж/К, массой M, кг, из материала с удельной теплоемкостью c, Дж/(кг·К); Т — температура тела, К; ΔQ — интенсивность теплового потока, Вт. Интенсивность теплового потока, проходящего через тело, является функцией теплового сопротивления тела, которая на практике часто считается линейной:
(2.25)
где R — тепловое сопротивление, К/Вт; Т1–Т2 — перепад температуры на элементе, теплопроводность которого рассматривается.
Рис.
2.6. Тепловая
модель нагревательного элемента
а из уравнения (2.25):
Объединив эти два выражения, получим дифференциальное уравнение:
(2.26)
Это уравнение первого порядка является типичным для тепловых систем. Тепловые элементы очень стабильны по своей природе, если только не входят в состав устройств с контуром обратной связи. Выходная реакция простого теплового элемента на ступенчатое внешнее воздействие характеризуется постоянной времени, равной произведению теплоемкости на тепловое сопротивление: τт=CR.
2.4.3. Электрические элементы
Существуют три основных электрических элемента: конденсатор, катушка индуктивности резистор. Основные уравнения, описывающие поведение электрических схем, получают из законов Кирхгофа, выведенных из закона сохранения энергии.
Первый закон Кирхгофа: полный ток, втекающий в узел, равен сумме токов, вытекающих из него (т. е. алгебраическая сумма токов в узле всегда равна нулю).
Второй закон Кирхгофа: в замкнутой электрической цепи алгебраическая сумма напряжений на всех участках цепи равна величине приложенной э.д.с.
Пример анализа электрической цепи был приведен ранее.
Рассмотрение динамических уравнений механических, тепловых и электрических элементов и устройств позволяет отметить их схожесть. Поэтому возможно, например, взять механический или тепловой элемент, построить для него эквивалентную электрическую схему и анализировать ее при помощи законов Кирхгофа. Приведенные в табл. 2.1 электрические аналоги могут применяться при оценке параметров датчиков, а также промежуточных тепловых и механических элементов между объектом и окружающей средой.
Методы исследования прохождения сигналов через электронные цепи основываются на основных законах электрических и электромагнитных цепей. Для применения этих законов характеристики электронных устройств линеаризуют, а электронные элементы заменяют эквивалентными схемами по постоянному и переменному току для переменных сигналов и для установившегося или переходного режимов для импульсных сигналов. Эти эквивалентные схемы представляют собой совокупность источников токов, напряжений и пассивных элементов — емкостей, индуктивностей, активных сопротивлений.
Таким образом, любую электронную схему, формирующую и преобразовывающую электрические сигналы, можно представить в виде электрической схемы и уже к ней применять известные методы, позволяющие оценить процессы в этих эквивалентных схемах, а значит, и в базовых электронных схемах, при воздействии типовых возмущений — гармонического воздействия или скачка напряжения.