Измерительные преобразователи (ИП) физических величин в электрические

Лекция №16

Автоматизация проектирования электронных устройств.

Для проектирования современных электронных устройств на всех этапах используются специализированные программы. Порядок проектирования следующий.

1). По техническому заданию на основе библиотеки схем аналогичных устройств создается принципиальная схема и производится приближенные расчет параметров элементов.

2). В программе схемотехнического моделирования готовится графический образ схемы из библиотечных компонентов. Вводят числовые значения параметров компонентов. Выбирают тип конструктивного исполнения элементов. При этом в программу загружаются геометрические параметры элементов и их выводов.

3). Выбирают вид анализа схемы (DC- расчет по постоянному току, Transient – расчет зависимостей токов и напряжений от токов, AC – расчеты зависимостей амплитуд и фаз от времени), задают опции анализа, выбирают аргументы и функции расчетов. Производят анализ схемы с целью определения свойств электронного устройства и соответствия их техническому заданию.

4). При необходимости анализируют зависимости вариации основных параметров устройств от случайного разброса параметров элементов. Определяют экономически целесообразный допуск на разброс параметров элементов.

5). С помощью специальной программы производят оптимизацию значений параметров элементов для повышения качества устройства.

6). С помощью специальной программы производится проектирование чертежа многослойной печатной платы (микросхемы) со всеми элементами устройства.

7). С помощью специальной программы рассчитываются паразитные емкости между элементами устройства и индуктивности проводников.

8). В схему устройства вводятся элементы, отражающие влияние паразитных емкостей и индуктивностей.

9). Повторяют с п.2 цикл проектирования, пока свойства устройства не достигнет требуемого уровня.

10). Готовят чертеж печатной платы и изготавливают фотошаблон для производства печатной платы (микросхемы).

11) По фотошаблону изготавливают опытные экземпляры устройства, которые подвергают первичным испытаниям, испытаниям механическим, климатическим испытаниям.

12) Производят малую серию.

13) Организуют массовое производство.

В системах контроля и управления любого промышленного, производственного или исследовательского объекта встроены измерительные преобразователи физических величин в электрические величины. Эти преобразователи в пути следования информации находятся на стартовом отрезке, поэтому они называются первичными. Часто используют термины «датчик», «сенсор».

Сигналы, полученные с помощью ИП, далее преобразуются в унифицированную форму, которая установлена требованиями государственной системы стандартов на промышленные измерительные приборы и средства автоматизации. Эти требования касаются:

- вида сигнала (постоянный ток, постоянное напряжение, переменное напряжение, частота и др.),

- уровня сигнала (интервалы значений).

По видам контролируемых величин в промышленности имеется следующая примерная статистика применения ИП (Табл.14.1).

Здесь и ниже использован материал, приведенный в книге В.И. Карлащука «Электронная лаборатория на IBM PC». Москва, СОЛОН-Пресс, 2004г.

Таблица 14.1.

Контролируемая величина	Доля, %
Температура
Объемный и массовый расход
Давление, сила
Уровень жидкости
Масса, объем
Электрические и магнитные величины
Время
Другие

Количество ИП зависит от типа объекта. Так на атомной электрической станции средней мощности примерно 3000 шт., на предприятии химической промышленности количество температурных ИП может достигать 20 000.

Существует огромное количество типов и конструкций ИП. Различают два типа ИП - параметрические и генераторные.

Параметрические измерительные преобразователи по группам выходного электрического параметра можно разделить на следующие виды

Таблица 14.2.

Группа ИП	Выходной параметр	Типы ИП, измеряемые величины
Резистивные	Электрическое сопротивление	Потенциометрические (реостатные), жидкостные (электролитические), тензорезистивные (тензометрические), датчики контактных сопротивлений, датчики терморезистивные, датчики пьезосопротивления, фоторезисторы.
Емкостные	Электрическая емкость	Датчики перемещений, давления, уровня, концентрации вещества, датчики толщины
Индуктивные	Индуктивность	Датчики перемещений, силы, давления, механического напряжения (магнитоупругие ИП, магнитомодуляционные ИП)
Трансформаторные	Взаимная индуктивность обмоток	Датчики перемещений, (магнитоупругие ИП, магнитомодуляционные ИП)
Электроконтактные	Электрическое сопротивление переключателя.	Коммутация электрической цепи
Механотронные	Параметры электронной лампы (крутизна передаточной характеристики)	Перемещение, давление, сила.

Большинство генераторных измерительных преобразователи создают электродвижущую силу в результате действия физической величины. По явлению, которое при этом используется, ИП можно разделить на следующие группы. (табл.14.3).

Таблица 14.3.

Физическое явление	Группа генераторных ИП	Измеряемые величины
Электромагнитная индукция	Индукционные	Расход жидкости и газа, скорость движения, частота вращения
Фотоэлектрический эффект	Фотоэлектрические	Освещенность, яркость, частота вращения, линейные размеры,
Термоэлектрический эффект	Термоэлектрические	Температура (и связанные величины), количество теплоты
Гальванический эффект	Гальванические	Химический состав, концентрация жидкого вещества.
Электрокинетические явления (разность потенциалов при протекании полярной жидкости через пористую стенку)	Электрокинетические	Пористость материала, свойства жидкости
Пьезоэлектрический эффект	Пьезоэлектрические	Давление, сила, вибрация, ускорение, уровень жидкости, расход (по уровню)

ИП характеризуется статической передаточной характеристикой- зависимостью выходного параметра (Y) от входного (X). Передаточные характеристики различных ИП (рис. 14.1) могут значительно отличаться (а -линейные, б- нелинейные, в- релейные, г - гистерезисные).