передает ей накопленную энергию, и ее колебания на выходном конце усиливаюхс,! Фазы сигналов, измеренных на входе и выходе участка трубопровода, будут чаться; разность фаз прямо пропорциональна массовому расходу. Датчики расходд построенные в соответствии с принципом Кориолиса, очень мало влияют на потер„ давления в трубопроводах.

Расходомер Кориолиса можно также использовать для измерения плотностц жидкости. Для этого определяется собственная частота колебаний заполненного участка трубопровода, которая обратно пропорциональна плотности жидкости.

Расходомеры Кориолиса - непростые устройства и требуют сложных согласую, щих и обрабатывающих схем. Одно и то же устройство может применяться для измерения и расхода, и плотности. Кроме того, массовые расходомеры Кориолиса не требуют сглаживающих участков труб и обладают высокой точностью (0.5 % от измеряемой величины)- Однако эти расходомеры чувствительны к вибрациям и имеют ограничения по способам их установки. Кроме того, они довольно дороги.

4.4.6. Химические и биохимические измерения

В химических и биохимических процессах очень важно измерять ряд физических характеристик. Некоторые из них можно постоянно измерять в оперативном режиме, в частности:

- концентрацию;

- проводимость;

- содержание солей;

- окислительно-восстановительный потенциал (redox potential - oxidation-reduction potential);

- величину рН;

- уровень растворенного кислорода (dissolvedoxygen, DO);

- плотность взвещенных частиц.

Для всех указанных типов измерений в большинстве случаев существуют серийные промышленные датчики с приемлемыми характеристиками. Как уже указывалось, точность и погрешность измерений зависят не только от самих датчиков, но и от того, как они используются, т. е. от обслуживания, своевременных поверок и граду* ровок. Это особенно существенно в отношении химических и биохимических изМ рений.

Существует много типов датчиков для измерения концентрации органического У лерода, соединений азота, фосфора и т. д. Многие из них основаны на своего рода ла раторном химическом анализе, который выполняется автоматически с помощью сп циального оборудования. Устройства этого типа обычно довольно сложны и, соответ ственно, довольно дороги. Они работают в автономном режиме, поскольку ана-ч*; может потребовать некоторого времени и специально отобранных образцов веществ результаты могут передаваться компьютеру по специальному информационному налу. Регулярное обслуживание - важнейшая часть эксплуатации такого оборудО ния, и тем не менее его надежность нельзя считать полностью удовлетворительно»*

ильтр согласования импедансов имеет высокий входной импеданс и низкий выходной при коэффициенте усиления, равном единице. Последний каскад в схе-ДлГ стабилизирующий усилитель с большим коэффициентом усиления.

согласования импедансов применяются операционные усилители в цепи с обратной связью.

бо/!"""™"* усилитель (ОУ, operational amplifier - op-amp) представляет со-нтом°"° "•"iHoe интегральных схемах, с очень большим коэффици-(неско"" "° напряжению (порядка Ю-Ю), высоким входным импедансом Вь1ходн° низким выходным импедансом (как правило, менее 100 Ом), Чоиньс обычно ограничен величиной 10 мА при напряжении ± 10 В. Опера-Чепях У--итель является распространенным составным элементом в аналоговых Пом ""У STO рабочие характеристики могут изменяться в широких пределах сотн„°° большого набора дешевых электронных компонентов. Существуют ЧИон" типов операционных усилителей. Схематическое изображение опе-"ного усилителя показано на рис. 4.18.

5 Согласование и передача сигналов

пача информации между различными частями системы управления являет-из неотъемлемых и критически важных элементов. Сигналы, вырабатыва- ° тчйками, обычно имеют весьма низкий уровень, поэтому для дальнейшей чи их необходимо обработать и усилить. Уровни сигнала и импедансы выхо-"чика, кабеля и входа компьютера должны соответствовать друг другу. Обра-тка сигнала для достижения указанного соответствия называется согласованием

сигнала. „ тт г

Другой очень важной практической проблемой являются наводки. Любое элект-

онное устройство способствует возникновению электрических возмущений. Если две электрические цепи по тем или иным причинам расположены рядом друг с другом то изменение тока или напряжения в одной цепи вызывает также изменения тока и напряжения в другой. В частности, соединительные провода и кабели выступают в качестве антенны для шумов и возмущений. Многие проблемы, связанные с электрическими наводками, можно решить с помощью экранирования цепей и заземления; некоторые принципы экранирования рассмотрены в этом разделе. Выбор способа передачи сигнала (напряжение, ток или свет) зависит от нескольких факторов, главным из которых является устойчивость к наводкам и шумам. В этом разделе будут приведены различные методы решения этих проблем.

4.5.1. Согласование сигналов в цепях с операционными усилителями

В разделе 4.2 было показано, что для удовлетворительной передачи сигнала необходимо минимизировать влияние нагрузочных эффектов между компонентами системы. С одной стороны, уровень выходного сигнала датчика должен быть достаточно высок, с другой - входной импеданс компьютера должен быть значительно больше по сравнению с выходным импедансом системы "датчик-измерительный преобразователь . Для согласования уровней сигналов и величин импедансов между выходом датчика и входом компьютера устанавливаются усилители.

+Vs (питание)

Vo = G- (vt - vf)

Рис. 4.18. Схематическое изображение операционного усилителя (на схемах присоединение к источнику питания обычно не показывается)

Выходное напряжение пропорционально разности двух входных напряжений

v, = G (v, - vr)

где G - коэффициент усиления. Даже небольшая разность входных напряжений вызывает сушественное изменение выходного напряжения. В таком виде операционный усилитель является простейшей формой компаратора, поскольку даже очень малая разность входных напряжений выводит усилитель в режим положительного или отрицательного насыщения.

Так как коэффициент усиления очень большой, но непредсказуемый, операционный усилитель никогда не используется без какой-либо отрицательной обратной связи. На низких частотах (ниже 20 кГц) большинство схем обратной связи можно выполнить из различных пассивных элементов - резисторов и конденсаторов. Инвертирующий усилитель, или инвертор (рис. 4.19 а), имеет простейшую структуру цепи обратной связи. Коэффициент усиления по напряжению - отношение выходного напряжения к входному

1 +-

а G - коэффициент усиления самого операционного усилителя.

Величина G падает с возрастанием частоты сигнала, но, поскольку 3 • коэффициент усиления по напряжению зависит только от величины сопротив ний в цепи обратной связи. Для идеального операционного усилителя коэффи" ент усиления выражается как отношение импеданса обратной связи к входно .

импедансу. j.

Цепь обратной связи, изображенная на рис. 4.19 6, называется повторителем и пряжения (voltage follower) или преобразователем импеданса (impedance transfon Коэффициент усиления повторителя напряжения приблизительно равен 1. ЕслИ П вторитель напряжения присоединен последовательно к измерительному преобраз вателю, имеющему высокий выходной импеданс, то новая система будет иметь те *

g Согласование и передача сигналов

ктеристики, что и исходная, но выходной импеданс будет низким. В некоторых лучаях сигнал необходимо усилить до того, как он будет подвергнут дальнейшей обработке.

Рис. 4.19. Схемы усилителя в режиме инвертора (а) и повторителя напряжения (б)

Щ1 о

Щ2 0-

Рис. 4.20. Дифференциальный усилитель

Другая важная схема с операционным усилителем - дифференциальный уси.т1и-ель (differential amplifier) (рис. 4.20). Как видно из названия, усилитель оперирует ет вид между входными сигналами. Выражение для выходного напряжения име-

»о=;-ц-2-%)

Новнуе э схемы с операционным усилителем представляют собой ос-

""ельнья!"" которых создаются схемы согласования сигналов. Допол-Чифи функциональные возможности, например выделение или подавление вных частот, легко достигаются изменением структуры соединения пас-этот между выходом и входом усилителя. Дополнительные сведения

счет приведены в главе 5.

• Электрические проводники

про проводники являются средой, по которой электрические сигналы страняются в пространстве. Передаваемый по проводнику сигнал по мере уда-

Глава 4. Вход и выход физических проце, согласование и передача сигналов

ления от источника подвергается изменениям, определяемым физическими xapaj ристиками линии передачи. Поэтому проводники должны рассматриваться и анал зироваться как отдельный элемент системы "датчик-согласующие цепи-управля щий компьютер". Передача постоянного тока - простая задача в тех случаях, коц. импеданс проводника мал по сравнению с импедансом приемника на конце линцц Передача импульсов или других быстро меняющихся сигналов порождает, как пра вило, некоторые проблемы. Если длина линии такова, что время распространения си, нала между концами линии соизмеримо с величиной периода сигнала или времене!, нарастания, возникают побочные эффекты (скорость распространения электрического сигнала по линии примерно равна скорости света 300 • 10 км/с = 300 м/мкс). Одним из таких эффектов является отражение сигналов (рис. 4.21).

гшпеданс линии Zq

А

источник сигнала

оконечный импеданс Zi

Рис. 4.21. Отражение сигнала при неправильном согласовании импедансов между линией передачи и оконечным элементом - ZqT Z

Линию передачи можно представить в виде двух параллельных проводов, имеющих распределенные по длине индуктивность L и емкость С (L и С - удельные значения на единицу длины). На высоких частотах общая нагрузка, создаваемая распреде ленными емкостями, становится больше резистивной. Входной сигнал в произвольно» точке линии будет распространяться в обоих направлениях со скоростью

и = -

JLC

Сигнал, распространяющийся вдоль линии, имеющей на конце импеданс Zi, буД* частично отражен с коэффициентом отражения р, определяемым формулой

Zr+Zn

называется характеристическим импедансом линии. Следовательно, в идеальН"* случае, чтобы избежать отражения, импеданс нагрузки должен равняться хар»" теристическому импедансу Z = Zq.

Пример Передача импульсного сигнала

Для импульсного сигнала, передаваемого по линии, связь между напряжением и током в момент импульса есть V = Zq - /. Если линия разомкнута на приемном конце (Z = оо), то ток не может свободно циркулировать, т. е. он полностью отражается линией. Напряжение так же, как и ток, полностью отражается, поскольку оно равно Zq - /. Другой крайний случай - это короткое замыкание на приемном конце (Zi = 0). Напряжение на конце линии все время равно нулю. Приходящий импульс напряжения должен быть компенсирован точно таким же импульсом противоположного знака. Другими словами, импульс напряжения полностью отражается, но с обратным знаком.

Аналогичные условия также соблюдаются и для источника сигнала. Если импеданс источника не равен Zq, то пришедший импульс отражается вновь. Импульсы, посылаемые по линии с несогласованными конечными импеданса-ми, будут перемещаться туда и обратно с затухающей амплитудой. В цифровых сетях, в которых обычно передаются длинные последовательности импульсов, в случае несогласованности импедансов сигналы будут отражаться и налагаться друг на друга, и приемник не сможет их правильно интерпретировать. Согласование импедансов на концах линии выполняется с помощью специальных оконечных импедансов, которые называются концевыми или терминирующими схемами. Примеры концевых схем для системных шин приведены в разделе 8.2.3 и в разделе 9.5.4 - для сетей передачи данных.

Пример 4.8

Соединение двух кабелей

При соединении двух кабелей с разными характеристическими импеданса-«и требуется их тщательное согласование. Например, если пятидесятиомный кабель присоединяется к кабелю с импедансом 300 Ом, между ними должна ыть включена специальная резистивная схема, выполненная таким образом, чтобы трехсотомная линия вместе с резисторами "наблюдалась" со стороны дтиомной линии как нагрузка с импедансом в 50 Ом. То же самое усло- е должно соблюдаться и в обратном направлении, т. е. пятидесятиомная ли-я должна "ощущаться" другой линией как нагрузка в 300 Ом (рис. 4.22).

кабель с импедансом 50 Ом

кабель с импедансом 300 Ом

4.22. Согласование импедансов при соединении двух кабелей