Аналоговая и цифровая схемотехника. Средства измерения. Учебное пособие

Если компоненты преобразователя являются невосстанавливаемыми, то вероятность появления отказов характеризуется средним временем до отказа

Долговечность компонентов иногда представляют графически в виде ваннообразной кривой, названной так из-за ее формы (рис. 1.4). Три различ­ные области отчетливо просматриваются на этом рисунке. Когда компонент только вводится в эксплуатацию, частота возникновения отказов является весьма высокой. Отказы в течение этого периода (часто называемого периодом выжигания) называются ранними отказами. Далее следует период, называе­мый периодом полезной работы, в течение которого отказы возникают реже с достаточно постоянной частотой. Во время периода износа заканчивается пе­риод полезной работы компонента, и поэтому частота появления отказов снова возрастает. Такие отказы называются износовыми.

В настоящее время интеграция схем формирования сигнала продолжается вплоть до создания преобразователей с цифровым выходом, полностью коди­рованным сигналом, пригодным для непосредственного соединения с микро­контроллерами и подобными устройствами (например, интегральные термо­метры DS1620, DS1820). Тем не менее, всегда найдутся аргументы в пользу аналоговых измерительных приборов, поскольку цифровые системы, как пра­вило, не дешевле аналоговых, и будут существовать такие области применения, где аналоговую технику нельзя заменить цифровой.

Для пользователя стоимость системы является немаловажным фактором, и его следует иметь в виду, поскольку возможно большое число решений для каждого рассматриваемого элемента. Чтобы принять лучшее решение, инженер должен рассмотреть все возможные альтернативы — цифровые, аналоговые, цифро-аналоговые и проанализировать возможные варианты систем с учетом их стоимости.

Если, например, система может выполнять заданные функции только при наличии высокоточных, высоконадежных и высокочувствительных преобразо­вателей (которые будут, вне сомнения, также и дорогими), то стоимость остав­шейся части измерительной системы должна быть мала по сравнению со стои­мостью преобразователей. С другой стороны, если требования к преобразовате­лям невысокие и их немного, то можно использовать некоторые упрощенные типы преобразователей, и в этом случае стоимость системы будет определяться в большей степени стоимостью оставшейся части, а не самих преобразователей.

Емкостные преобразующие элементы превращают изменение измеряемой величины в изменение емкости. Конденсатор формируется из двух пластин, разделенных слоем диэлектрика. Пластины могут иметь различную геометри­ческую форму. Емкость плоского конденсатора определяется из выражения:

При построении емкостных датчиков в качестве изменяемого параметра можно использовать изменение площади пластин (датчики угла на основе кон­денсатора переменной емкости), расстояния между пластинами (датчики пере-

Для преобразования информации с выхода таких датчиков используются усилители заряда или усилители со сверхвысокими значениями входного со­противления.

При воздействии температуры пластина меняет форму, что может быть использовано для построения контактного датчика. Когда значение измеряемой величины превышает точку переключения, контакт размыкается или замыкает­ся, вследствие этого в замкнутой или разомкнутой электрической цепи форми­руется выходной сигнал преобразователя. Различают датчики прямого нагрева (тепловая энергия выделяется непосредственно в пластине) и косвенного нагре­ва. Такие датчики широко применяются в простейших терморегуляторах, авто­матах защиты действующего значения тока. Биметаллические преобразователи также используются в термометрах с невысокой точностью. Электромеханиче­ские преобразователи являются, как правило, цифровыми (дискретными), по­скольку их контакты могут быть лишь в двух положениях и представляют со­бой элемент релейного типа.

Ионизационные датчики преобразуют изменение измеряемой величины в изменение тока ионизации, который протекает, например, через жидкость меж­ду двумя электродами (рис. 2.7).

Типичный PН-зонд имеет электроды с известным значением водородного потенциала, находящиеся в желатине. Они формируются специальной стеклян­ной мембраной, которая находится в контакте с раствором, значение PН кото­рого измеряется. Разность потенциалов между двумя электродами отражает значение PН раствора (около 59 мВ на единицу PН).