Формы и виды представления информации

ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ИНФОРМАЦИИ

Выделяют две формы представления информации – непрерывную и дискретную. Непрерывная форма – это величина, характеризующая процесс, не имеющий перерывов или промежутков, например, температура тела человека, скорость перемещения автомобиля за определенное время на участке пути без остановок (рис. 25а).

а) аналоговый сигнал, б) цифровой (дискретный) сигнал,

(непрерывный) (импульсный)

Рис. 25. Виды представления информации

Часто возникает необходимость представить информацию в форме, отличной от привычной. Так, для передачи информации на расстояние изобретен телеграфный код Морзе, в котором буквы и цифры закодированы с помощью коротких и длинных импульсом (точка, тире). Почтовый индекс, − закодированный адрес. Дискретная форма представления информации – это последовательность символов, характеризующая прерывистую, изменяющуюся величину.

Автоматы по индексам быстро и точно сортируют конверты. Преобразование адреса почтового отделения в 6-значное число позволило заменить малопроизводительный труд человека по сортировке писем автоматами.

Код – это ключ для перевода информации из одной формы в другую. Таким образом, процесс преобразования информации в совокупность символов, определяемую кодом, называется кодированием.

Электронные элементы, применяемые в компьютерах, имеют два состояния – есть импульс или нет импульса, поэтому вся информация для компьютеров кодируется в двоичной системе исчисления (рис. 25б). Любой символ (цифра, буква, знак) получает кодированное обозначение с помощью цифр 1 и 0, составляющих основу двоичной системы исчисления.

Информацию записывают с помощью символов: десятичных цифр, букв русского, латинского или другого алфавита, специальных знаков. Для обработки на компьютере информацию сначала переносят на машинные носители. С их помощью можно многократно вводить эту информацию.

Рассмотрим основные единицы информации. Наименьшей единицей информации является бит, принимающий значение 1 или 0. Более крупная единица информации – байт. Он состоит из 8 бит.

Таблица 11

Единицы измерения информации.

Единица	Количество байтов (битов)
Обозначение	Наименование	Точное значение	Приближенное значение
Кбит	Килобит		10³
Мбит	Мегабит	1024²	10⁶
Гбит	Гигабит	1024³	10⁹
1 Байт = 8 Бит
Кбайт	Килобайт		10³
Мбайт	Мегабайт	1024²	10⁶
Гбайт	Гигабайт	1024³	10⁹

Байт – основная единица количества информации, хранимой в памяти ЭВМ, − используется для обработки более крупных единиц (табл. 11).

ИНФОРМАЦИЯ И ЕЕ ПЕРЕДАЧА

Под словом «информация» понимают целенаправленные конкретные сообщения, смысл которых ясен человеку и может быть прочитан устройством, воспринимающим информацию.

В технике автоматизации это преимущественно сообщения о фактическом значении величин и о состоянии отдельных процессов.

Пример: Информация о температурных параметрах процессов, протекающих в печах отжига, используется для дозирования горючего, а о параметрах давления в контейнере – для регулирования притока воздуха.

В качестве носителей информации в технике автоматизации используют НГМД, магнитофонные ленты, а также оптические диски и другие физические переменные, например, ток, сжатый воздух, электромагнитные волны (табл. 12).

Таблица 12

Примеры отображения информации с помощью различных носителей

Носитель информации	Способ отображения информации	Использование носителя информации
Дисковый кулачок	С помощью переменного радиуса	Ввод задающего воздействия в устройстве управления и т.д.
Электрический ток (например, выходная величина термометра сопротивления)	Электрическое напряжение	Сбор данных о температуре в помещении
Магнитная лента	С помощью магнитной индукции	Запоминание данных

В зависимости от того, должна ли информация незамедлительно обрабатываться внутри системы, используются различные носители и средства отображения информации.

Передача информации

Принцип передачи информации можно описать на примере структурной схемы, представленной на рис. 26.

С помощью передающего устройства ПУ производится сбор информации и ее передача. Для обеспечения дальнейшей передачи информации в устройстве кодирования УК осуществляется необходимое (в большинстве случаев) преобразование носителя информации. Через канал связей КПИ осуществляется передача информации. С помощью декодера Д информация снова преобразуется в форму пригодную для восприятия (прочтения) приемным устройством ПРУ. Прием информации осуществляется приемным устройством ПРУ.

ПУ – передающее устройство (источник информации)

УК – устройство кодирования

КПИ – канал передачи информации

Д – декодер

ПрУ – приемное устройство, потребитель информации.

Рис. 26. Принцип передачи информации

Основная цель передачи информации заключается в достоверном ее
переносе с различных носителей. Канал, по которому осуществляется передача информации, называется каналом связи.

Пример. В промышленных установках с централизованными устройствами сбора результатов измерений и управляющими ЭВМ зачастую требуется передача информации на расстояния более 10 км. При выборе технологии и средств передачи информации решающими факторами являются восприимчивость оборудования к помехам и его стоимость. Применявшийся до последнего времени медный кабель уже не соответствует современным требованиям в точности, надежности и пропускной мощности. Кроме того, для его производства необходима дорогостоящая медь. Поэтому в настоящее время отдают предпочтение световодным кабелям, предназначенным для помещений с повышенной взрывоопасностью.

Такие кабели маловосприимчивы к электрическим и электромагнитным помехам промышленных предприятий. В качестве средств передачи используют оптические волокна из кварцевого стекла, производство которого имеет обширную сырьевую базу.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

Общие сведения

В электросвязи все более широкое применение находят оптические системы с использованием одномодовых или многомодовых оптических волноводов. Волоконная оптика строится из волокон силикатного стекла или других подобных материалов с диаметром от 10 до 400 мкм с покрытием, имеющим несколько меньшую диэлектрическую постоянную. Такой кабель имеет исключительно малые потери: для волокна с высоким содержанием кварца потери составляют всего 0,5 дб/км. Волокна не обладают индуктивностью, поэтому они не подвержены действию электромагнитных помех.

По характеристикам и функциям в волоконно-оптической системе связи можно выделить три основные категории устройств:

1. источник света и связанную с ним схему возбуждения;

2. оптическое волокно и механическую конструкцию кабеля;

3. фотодетектор и приемную схему.

Ограничения, накладываемые на характеристики волоконно-оптических систем, в частности на расстояния между повторителями, определяется двумя параметрами: шириной полосы пропускания и мощностью оптического излучения. Поскольку каждый повторитель требует, чтобы фотодетектор и передатчик были расположены в непосредственной близости друг от друга и противоположно направлены, размещение повторителей на линии является критической характеристикой волоконно-оптической системы. Дисперсия и затухание определяется структурой волокна. Неисправности на соединителях или поврежденные волокна могут привести к тому, что на повторители будет поступать недостаточная мощность.

Следует учитывать и другие факторы, такие как частоту модуляции, оптическую яркость, чувствительность детектора, время нарастания сигнала, коэффициент шума и др.

Типы оптических волокон

Существуют три основных типа волокон: многомодовые со ступенчатым изменением показателя преломления, многомодовые с плавным изменением показателя преломления и одномодовые. Имеет смысл кратко рассмотреть характеристику каждого типа.

Свет представляет собой электромагнитную волну. Распространение света по волокну требует, чтобы соединитель и волокно были правильно состыкованы.

Показатель преломления волокна зависит от расстояния по радиусу от
центра волокна. Показатель преломления равен:

n = С / V,

где: С – скорость света в вакууме (3×10³ м/с);

V – скорость света в волокне.

Волокна со ступенчатым изменением показателя преломления

На рис. 27 показано изменение показателя преломления таких волокон в зависимости от расстояния по радиусу от центра волокна. При радиусе Rс показатель преломления резко меняет величину. Поперечное сечение волокна делится на две области: круглую сердцевину и окружающую ее кольцевую оболочку. Внутри волокна оптическая энергия распространяется за счет полного внутреннего отражения на поверхности раздела сердцевина – оболочка. Показатель преломления сердцевины выше, чем оболочки. В принципе оболочкой мог бы служить и воздух, имеющий показатель 1,0. Однако оболочка служит еще для фиксации сердцевины. Типичные значения показателей преломления составляют n₁ = 1,48 и n₂ = 1,46.

Полоса пропускания волокна зависит от характеристик распространения. Строгий анализ распространения оптического излучения включает решение уравнения Максвелла с соответствующими граничными условиями. Этот анализ показывает, что распространяющаяся энергия распределена между количествами наложенных друг на друга составляющих поля, называемых модами. Различия в характеристиках распространения этих мод обуславливают дисперсию мод, которая является одним из факторов, ограничивающих полосу пропускания. Для иллюстрации причин возникновения дисперсии мод часто используют рассмотрение геометрии лучей.

По закону Снелла минимальный угол, при котором происходит полное внутреннее отражение, находят из выражения:

или

Лучи, которые падают на поверхность раздела сердцевина – оболочка под углом, меньшем 80,6º теряются в оболочке. На рис. 28 показана полная длина пути луча, падающего под таким углом составляет 1014 м.

Радиус

Рис. 27. Профиль изменения показателя преломления для волокон со ступенчатым его изменением (а). Резкое понижение показателя преломления на границе между сердцевиной и оболочкой. (б) – поперечное сечение волокна. Центральная часть – сердцевина с показателем преломления n₁ и окружающая ее оболочка с показателем преломления n₂

Если сравнить с расстоянием, которое проходит луч, распространяющийся вдоль центральной оси волокна, получится разница в 14 м. Скорость распространения задана выражением:

м/с

Рис. 28. Отражение обратно в сердцевину происходит каждый раз при попадании луча на поверхность раздела сердцевина – оболочка; неосевые лучи света проходят зигзагообразный путь

Если оба луча поступают в волокно одновременно, многократно отражающийся луч достигает противоположного конца на 69 нс позднее осевого луча. Разность времен прохождения лучами определенного отрезка создает размытие бит или межсимвольную интерференцию в системах импульсной передачи данных и искажения. Если мы рассмотрим величину, обратную относительной временной задержке, в качестве оценки порядка ширины полосы, ограничиваемой дисперсией мод, мы получим 14,5 МГц.

Волокна с плавным изменением показателя преломления

В волокнах с плавным изменением показатель уменьшается непрерывно при смещении луча от оптической оси волокна (рис. 29).

Радиус

Рис. 29. Профиль изменения показателя преломления для волокон с плавным его изменением (а). Показатель преломления уменьшается по параболе от n₁ на оси волокна до n₂ на расстоянии радиуса R_В от оси (б). Поперечное сечение волокна показывает, что вблизи заштрихованной центральной оболочки свет проходит медленней, чем на некотором расстоянии от центра, что приводит к меньшему разбросу времени прибытия и меньшей дисперсии

Свет распространяется быстрее в областях с меньшим показателем преломления (крайние наружные участки волокна), что приводит к уменьшению разности времен прохождения, то есть меньшей дисперсии. Дисперсия минимальна, если форма профиля изменения показателя преломления приближается к параболической. Одномодовые волокна рассматриваться не будут. Разрабатываются устройства, позволяющие осуществлять передачу сигналов по световодным кабелям на расстояние до 300 км без использования промежуточных усилителей.

Существует два способа передачи информации: параллельный и последовательный.

1 – места измерений;

2 – центральный контрольно-измерительный пункт;

3 – мультиплексор.

Рис. 30. Передача информации: (а) – параллельная; (б) – последовательная

Пример: От точек измерения A – D поступает информация о температурных параметрах, которая должна быть передана на контрольно-измерительный пункт. Средством передачи информации является электрическое напряжение, по значениям которого регистрируемым токоизмерительным прибором, судят о температуре в отдельных точках измерения.

При параллельной передаче информации отображение всех параметров производится одновременно. Таким образом, для каждой точки измерения требуется канал связи с контрольно-измерительным пунктом и индикатор (рис. 30а).

При последовательной передаче информации (рис. 30б) параллельно передаваемые данные поочередно считываются специальным устройством (мультиплексором), после чего данные последовательно, то есть по общему каналу связи, передаются на контрольно-измерительный пункт, оборудованный индикационной аппаратурой. Наиболее эффективным решением является комбинированное использование обоих способов передачи.

Мультиплексор и селекторный канал

В технике управления и регулирования часто встречается задача по переводу сигналов, поступающих из многих каналов, на один канал с последующим повторным распределением сигнала по различным каналам. Такой способ передачи сигналов называется многоканальным способом телеизмерений с временным разделением каналов.

По своей структуре это специализированные процессоры, которые управляют вводом или выводом информации для оператора. Мультиплексорный канал ввода-вывода обеспечивает передачу информации для внешних устройств, которые характеризуются скоростью передачи не более 500 Байт/сек.

а) б)

Рис. 31. а) Селекторный канал; б) Мульплексорный канал

К таким устройствам можно отнести: устройство ввода-вывода с перфолент, печатающие устройства, графопостроители, дисплеи. Мультиплексорный канал, имеющий более высокое быстродействие чем периферийное устройство, одновременно обслуживает несколько параллельно работающих устройств (рис. 31б), причем информация от каждого устройства передается побайтно.

Селекторный канал обеспечивает ввод или вывод информации внешних устройств, которые имеют скорость передачи 1 КБ/с и выше. К таким устройствам относятся накопители на магнитных и лазерных дисках. Селекторный канал работает в многопольном режиме и обслуживает только одно устройство (рис. 31а).

СИГНАЛ И ВИДЫ СИГНАЛОВ

Общие сведения

Характерным свойством сигнала является отображение с его помощью определенной временной характеристики (сигнализируемой величины) на носители информации. Для этого сам носитель информации должен иметь не менее одного характеристического параметра, значение которого зависит от сигнализируемой величины. Данный параметр называется «информационным».

Сигнал – это отображение информации с помощью ее носителей, обладающих собственными параметрами. Эти параметры отражают значения величин, информация о которых должна быть передана.

Таблица 13

Примеры информационных параметров

Изменение информационной величины

Носитель информации

Временная функция информационного параметра

Температура

Ток, проходящий через термометр сопротивления

t₁

t₃

t₂

I₃

I₁

I₂

Сила тока

Частота вращения

Ток регулирования

t₄

t₃

t₂

t₁

Частота колебаний

Продолжение таблицы 13

Уровень

Свечение лампы

(1)

(2)

(3)

t₄

t₃

t₂

t₁

Сила света

Виды сигналов

В соответствии с различными признаками сигналы можно подразделить на несколько видов, например, по типу носителя информации сигналы разделяются на электрические, акустические и т.д.

Рис. 32. Виды сигналов

Аналоговыми называются сигналы, информационные параметры которых могут в определенных границах иметь любое значение. Например, во временных функциях (табл. 13) информационные параметры (сила тока и частота колебаний) в определенных границах могут иметь любое значение в зависимости от сигнализируемой величины. Дискретными называются сигналы, информационные параметры которых могут иметь лишь ограниченное число значений.

К дискретным сигналам относятся многопозиционные и цифровые сигналы. В многопозиционных сигналах любому значению информационного параметра соответствует определенная информация.

Примеры: (двоичный сигнал). Акустический сигнал (зуммер, звонок и т.д.) обладает только двумя характерными состояниями (наличием или отсутствием звука) и поэтому может использоваться для информирования о 2 различных состояниях того или иного процесса. Например, с его помощью можно сообщать информацию о достижении или превышении предельного значения давления.

Указатели поворота служат для передачи определенной информации водителям других автомобилей. В данном случае информация передается с помощью сигнала, обладающего двумя информационными параметрами (двумя указателями поворота). Параметры (включено-включено).

Цифровые сигналы с двоичными информационными параметрами сравнительно легко поддаются обработке с помощью микроэлектронных функциональных блоков, сигналы обладают малой восприимчивостью к широким помехам, что обуславливает их широкое применение.

ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Развитие электроники (в особенности микроэлектроники) оказывает большое влияние на различные сферы нашей жизни. Ее применение позволяет осуществить обработку информации с высокой степенью надежности, например, обработку информации, необходимой для автоматизации, организации и планирования производства; в военной, медицинской технике и т.д. Рассмотрим функциональные возможности комплексных схем на примере их принципиальных схем.

Схемы делителя напряжения

В электронных схемах часто применяют делитель напряжения

U_общ.

Рис. 33. Делитель напряжения из двух резисторов

Дано:

R₁ = 50 (ом)

R₂ = 100 (ом)

U_общ. = 3В

U₁ =? U₂ =?

Заданное напряжение U_общ. разделяется на U₁ и U₂:

U₁ = R₁: (R₁ + R₂) × U_общ.;отсюда

U₁ = 50: (50 + 100) × 3 ≈ 1В; U₂ = R₂: (R₁ + R₂) = 100: (50 + 100) × 3 = 2В

Проверка: U_общ. = U₁ + U₂

3В = 1В + 2В

Вычисления выполнены правильно.

В большинстве случаев указывается не значение напряжения на резисторах, а потенциал в отдельных точках схемы относительно выбранной (опорной) точки. Опорной точкой в данном случае является проводник с отрицательным потенциалом. Таким образом, потенциал в точке равен: U_вых. = U.

В схеме, представленной на рис. 33, один из резисторов может быть заменен элементом, сопротивление которого изменяется в зависимости от воздействия различных физических величин (температуры, освещенности и т.д.). В этом случае потенциал на выходе схемы зависит от указанных величин. В схеме указанной на рис. 34 делитель напряжения содержит термистор.

Рис. 34. Делитель напряжения с сопротивлением, имеющим отрицательный температурный коэффициент

Рис. 35. Кривая зависимости сопротивления от температуры измерительного терморезистора TNК 15К

Термистором называется полупроводниковый элемент, значение сопротивления которого зависит от температуры

Термисторы подразделяются на терморезисторы и позисторы, то есть терморезисторы с положительным температурным коэффициентом. Сопротивление наиболее часто применяемых в технике терморезисторов уменьшается по мере повышения температуры. Их называют терморезисторами с отрицательным коэффициентом сопротивления.

Задача. Сопротивление резистора R₁ составляет 5 КОм. В качестве резистора R_t использован термистор TNK 15К; заданное напряжение = 12В. Определить выходной потенциал U_a при температуре 20 и 100°С.

Полученные данные занести в таблицу. Если выходной потенциал делителя напряжения должен зависеть от освещенности, то один из двух резисторов в схеме делителя напряжения заменяется элементом, сопротивление которого изменяется в зависимости от освещенности.

а) б)

Рис. 36. Условные обозначения фотодиода (а) и фототранзистора (б)

Рис. 37. Транзистор в схеме с общим эмиттером (используется в качестве делителя напряжения)

Таким элементом может быть фотодиод или фототранзистор (рис. 36).

Фотодиодом называется диод, р-n переход которого реагирует на попадающий на него свет.

Включение фотодиодов производится в запирающем направлении. Их сопротивление увеличивается при уменьшении света. Наиболее высокое значение их сопротивления в темноте. При попадании света в р-n переходе под действием световой энергии происходит генерация свободных носителей зарядов (электронов и дырок), что приводит к уменьшению обратного сопротивления фотодиода. Фототранзистор может быть рассмотрен как фотодиод с подключенным к нему усилителем, чем объясняется его повышенная чувствительность к свету.

Как правило, с помощью транзисторов обеспечивается переменное сопротивление делителя напряжения (рис. 37).

В схеме транзистора, включенного с общим эмиттером, током базы транзистора I_Б регулируется более мощный ток коллектора I_К.

В общем виде это можно представить следующим образом:

где: β – коэффициент усиления тока. В зависимости от типа транзистора коэффициент усиления β имеет значение от 10 до 1200.

Во многих случаях схема, приведенная на рис. 37, управляется с помощью двоичных сигналов, при этом транзистор используется в качестве переключателя. При потенциале на входе U_вх = 0 сопротивление транзистора очень велико (R_v ≈ ∞), что соответствует уменьшению сопротивления транзистора для значения, близкого к R_v = 0 (что соответствует замкнутому положению переключателя)

Пример. Транзистор используется в качестве переключателя (рис. 37).

Лампа Н гаснет при перекрытии светового клапана. Она включается транзистором V, входной сигнал которого является сигналом на выходе фотоэлектрического датчика.

Рис. 38. Индикация состояния фотоячейки:

а) фотоэлектрический датчик;

б) транзистор в качестве переключателя

В качестве делителя напряжения может также быть использована резисторно-емкостная схема (рис. 39а), которая отличается от уже рассмотренных схем тем, что при замыкании переключателя S выходной сигнал изменяется во времени (рис. 39б).

Свойства выходного сигнала можно лучше понять, рассмотрев сам принцип деления напряжения. В схеме (рис. 39б) в момент t_o прерыватель находится в положении «отключено». В момент включения конденсатор разряжен, напряжение U_c = 0. Вследствие этого все напряжение падает на резисторе, U_р = 10В. В момент t₁ = 30 c напряжение на конденсаторе возрастает до значения U_с = 9,5В, тогда падение напряжения на резисторе U_c = 0,5B. Сила тока через делитель многократно уменьшается по сравнению с силой тока в момент включения прерывателя Yt₀. Разрядка конденсатора происходит гораздо медленнее; это проявляется в слабом возрастании функции U_c(t) к моменту времени t₁.

Поэтому резисторно-емкостное устройство применяют для задержки того или иного процесса во времени.

Рис. 39. Резисторно-емкостной делитель напряжения:

а) схема; б) временная диаграмма

изменения напряжения на конденсаторе

Элементы переключения и усиления

Несмотря на стремительное развитие электроники электротехнические элементы, используемые для переключения и усиления (например, реле), еще находят применение. Реле состоит из катушки и сердечника подвижного якоря или одного или более контактов переключения.

При прохождении тока по обмотке катушки якорь под воздействием магнитных сил приходит в движение и тем самым приводит в действие контакты переключения, которые используют как для включения, так и выключения тока в заправляемом контуре (рис. 40).

Рис. 40. Схема включения реле: а) цепь управляющего тока; б) управляемый контур

Как правило, с помощью реле небольшой по силе ток преобразуется в многократно усиленный. В этом случае реле служит в качестве усилителя.

Пример. Электрическое отопление должно быть выключено при достижении определенной температуры, измеряемой контактным термометром. Сила тока нагрева отопления составляет 1А, в то время как максимальная нагрузка на контактный термометр 30 мА. Работа системы отопления осуществляется в данном случае по схеме, представленной на рис. 40. Из двух контактов реле использует тот, который в обесточенном состоянии катушки управления реле замкнут (цепь управления); второй контакт называется рабочим. При достижении заданной температуры цепь управляющего тока замыкается контактным термометром, якорь втягивается в катушку и происходит переключение контактов реле. Цепь нагревателя размыкается.

С падением температуры ниже заданной, реле выключается, что приводит к повторному включению отопления.

Преимуществами электронных средств переключения по сравнению с реле является более высокая скорость переключения и надежность. В качестве электронных переключателей могут быть использованы транзисторы и тиристоры (рис. 41).

Рис. 41. Переключение транзистора (а) и тиристора (б)

Сравним особенности переключения транзистора и тиристора. При включении схемы управляющие входы транзистора и тиристора получают высокий потенциал. Обе лампы светятся. Транзистор и тиристор действуют в качестве переключателей в положении «включено». При включении схемы перевода контакта в открытое положение, в транзисторной схеме лампа гаснет, а в тиристорной – продолжает светиться.

б)

Рис. 42. Тиристор в цепи переменного тока: а) схема; б) временные диаграммы I = f(t) при небольшом и большом сопротивлении.

Транзистор действует в качестве переключателя в положении «отключено» до тех пор, пока поступает ток базы. Тиристор включается в результате кратковременного воздействия токового импульса и отключается только после кратковременного прерывания тока в цепи.

Действие тиристора сравнимо с действием реле, снабженного устройством самоблокировки.

Как у транзистора, так и тиристора сила управляемого тока многократно превышает силу управляющего тока. Таким образом, транзистор и тиристор действуют в качестве усилителей.

Тиристор используют в качестве исполнительного звена. При использовании сила тока в цепи тиристора периодически равна нулю и поэтому требуется только его включение, момент которого определяется сопротивлением переменного резистора, включенного в цепь управляющего электрода.

Чтобы включить тиристор, управляющий ток должен достичь определенного значения (ток зажигания). При небольшом сопротивлении резистора R току зажигания соответствует низкое напряжение (в момент t1 – рис. 42а), а при большом сопротивлении R – высокое напряжение (в момент t2 – рис. 42б). В обоих случаях выключение производится в момент t3. Вследствие более быстрого нарастания тока в момент включения (во втором случае) в цепи тиристора потребляется меньшая мощность (рис. 42б, в).

Оптоэлектронные элементы

К оптоэлектронным элементам относятся, прежде всего, приемопередающие устройства светового излучения.

Рис. 43. Передача сигналов с помощью оптоэлектронных средств (оптопары)

Светодиод является передающим устройством светового излучения, работающим с прямым смещением перехода. При прохождении тока в области р-n перехода происходит рекомбинация носителей зарядов электронов и дырок. При этом излучается квант света. Светодиоды используют, например, для индикации сигналов.

Фотодиод является приемным устройством светового излучения. В качестве оптических проводников служат стеклянные линзы очень малых диаметров (

Передача информации с помощью оптических проводников обладает рядом преимуществ по сравнению с передачей информации с помощью электроприемников и медного кабеля, например, независимостью от внешних электромагнитных помех, малой материалоемкостью.

Вследствие этого с развитием экономичных оптоэлектронных элементов передача сигналов в вычислительной технике, технике управления и обработки информации во все возрастающей мере осуществляется с помощью световодов (рис. 43).

Электронные устройства приема и передачи светового излучения, взаимодействующие между собой с помощью оптического проводника, называют оптопарой.

ПОЛУЧЕНИЕ И ЗАПОМИНАНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Получение данных о физико-технических величинах

В технике автоматизации получение данных производится преимущественно измерением величин, осуществляется с помощью измерительной техники.

Основными функциями техники измерения параметров процесса являются: измерение параметров отображения в виде сигнала соответствующих данных, собранных для последующей отработки в системах автоматического управления:

1. Определение предельных значений параметров и сигнализация в случае их
превышения.

2. Обеспечение заданного качества производимых изделий;

3. Контроль за протеканием процессов;

4. Сбор данных об измеряющих задающих параметрах вне устройства управления и последующая подача соответствующих сигналов в устройство.

Указанные функции выполняются без прерывания процесса, на определенных местах измерений, непосредственный доступ человека к которым затруднен или невозможен.

Измерение физико-технических величин (табл. 14) и их последующее отображение в виде сигналов, является основной функцией техники измерения параметров процесса. Так в технике регулирования с помощью измерительных устройств должны производиться измерения регулируемых параметров; в технике управления измерения переменных задающих параметров.

Контроль за параметрами производится на контрольно-измерительных пунктах. При отображении информации о параметрах процесса в форме, пригодной для ее восприятия человеком, индикация и регистрация параметров имеют значение преимущественно для наблюдения и контроля за протеканием процессов на централизованных контрольно-измерительных пунктах.

Таблица 14

Физико-технические величины

Величина	Символ	Единица измерения	Сокращенное обозначение
Температура Давление Поток массы Уровень Масса Сила Траектория Длина Толщина Угол Частота вращения	Т t(v) р d_m/d_t h, h_f m F S l, L d, a, s n	Кельвин Градус Цельсия Паскаль Килограмм в секунду Метр Килограмм Ньютон - метр метр градус обороты в секунду, обороты в минуту	К °С Па Кг/см ^-1 М Кг Н - м м º об/сек об/мин

Сигнальное измерительное устройство

Измерительное устройство предназначено для измерения физико-технических величин. Его основными элементами являются датчики и преобразователи (рис. 44).

Входная величина измеряемого устройства, называемая величина, сначала измеряется датчиком, а затем на основе соответствующих физических закономерностей отображается другой физической величиной.

Такое отображение измеряемой величины называется естественным сигналом, отображающим измеряемую величину. Для согласования естественного сигнала с другими звеньями, следующими в цепи за измерительным устройством, как правило, требует его преобразования в иные сигналы отображения с целью получения сигналов, обработка и последующая передача которых более просты.

Сигнал измеряемой величины

Рис. 44. Схема измерительного устройства

Данным рядом преимуществ обладают электрические сигналы (например, постоянное напряжение или постоянный ток) в качестве носителей информации. Поскольку большую часть параметров процесса составляют неэлектрические величины, возникает необходимость их отображения в измерительном устройстве как электрических величин. Практическое значение имеет установление для всех сигналов с идентичным носителем информации единого диапазона параметров, а также преобразование сигнала, отображающего измеряемую величину в нормированный сигнал. Благодаря этому устройство становится универсальным устройством управления. В зависимости от характера дальнейшей обработки сигналов измерительное устройство может быть снабжено усилителем. Функциональная схема, приведенная на рис. 45 поясняет возможности преобразования сигналов в измерительном устройстве.

Рис. 45. Функциональная схема измерительного устройства: 1 – измеряемая величина;

2 – измерительный датчик (аналоговый или цифровой); 3 – сигнал датчика

Пример: Устройство для измерения давления в трубопроводе состоит из измерительного преобразователя давления (пластинчатого пружинного манометра), натяжение мембраны которого преобразуется с помощью системы рычагов и делителя напряжения с регулируемым соотношением деления (потенциометра) в электрическое напряжение (рис. 46).

Рис. 46. Схема устройства измерения давления

Таблица 15

Анализ устройства для измерения давления (измеряемая величина – давление)

Измерительный датчик (измерительный преобразователь давления)	Естественный сигнал, отражающий измеряемую величину (натяжение мембраны с амплитудой I_р)
Первый измерительный преобразователь (отклонение рычага, сопротивление)	Первый сигнал отображения (сопротивление с амплитудой I_р)
Второй измерительный преобразователь (делитель напряжения с регулируемым соотношением деления)	Второй сигнал отображения (переменное напряжение с амплитудой I_p)
Нормированный преобразователь (преобразователь напряжения)	Выходной сигнал (постоянное напряжение в диапазоне нормированного сигнала с амплитудой I_р)

1 2 3 4

Рис. 47. Функциональная схема устройства измерения давления: 1 – измерительный преобразователь давления, 2 – преобразователь сопротивления, 3 – делитель напряжения с измеряемым соотношением деления, 4 – трансформатор напряжения.

Бесперебойное протекание того или иного технологического процесса, а также качество продукции во многом зависят от точности измерений параметров процесса. В устройствах регулирования измерительное устройство является непосредственным элементом процесса регулирования. Таким образом, любое ошибочное измерение отражается на протекании процесса и является причиной негативных конечных результатов его регулирования.

Поэтому к измерительным устройствам предъявляются следующие требования:

− предельно точное определение параметров процесса с помощью измерительных датчиков;

− точное преобразование сигналов измеряемых параметров с помощью измерительных преобразователей;

− малая чувствительность устройств к помехам.

Аналоговое измерение величин

Большую часть параметров процесса составляют аналоговые параметры, т.е. обладающие свойством в определенных границах принимать любое значение.

При аналоговом измерении выходным сигналом измерительного устройства является аналоговый сигнал.

На рис. 47 приведена функциональная схема устройства измерения давления.

В качестве примера аналогового измерения можно привести измерение давления (рис. 46).

Аналоговое измерение температурных параметров

Большинство материалов в той или иной степени чувствительны к воздействию температуры. Поэтому обеспечение многих технических процессов в существенной мере определяется их температурой. В технике автоматизации особое значение имеет измерение температуры.

Так, от температуры зависит агрегатное состояние материалов, а также протекание химических реакций. Кроме того, прокаливание металлов должно производиться при определенной температуре. Соблюдение режима рабочей температуры двигателей внутреннего сгорания уменьшает степень их износа и расход энергии.

В технике автоматизации практическое значение имеют только такие технические способы измерения температуры, при использовании которых возможно получение сигнала, пригодного для последующей обработки; это преимущественно электрические способы измерения (табл. 16)

Таблица 16

Технология электрического измерения температуры

Измерительное устройство	Диапазон температур, ºС	Носитель информации выходного сигнала
Термоэлемент (термопара): Cu – констант Fe – константан платинородиевый	200...400 200...700 0...1300	Напряжение
Термометр сопротивления: Платина Никель Полупроводник (резистор с отрицательным температурным коэффициентом)	200...500 60...150 40...180	Ток

Термоэлемент (термопара) состоит из двух спаянных друг с другом проводников из различных металлов (рис. 48).

t_M

Рис. 48. Термоэлемент: 1 – место измерения, 2 – термоэлектроды, 3 – медные проводники, 4 – места сравнения, 5 – измерительный прибор.

Если различные участки термоэлектродной ЭДС подвергнуты воздействию различной температуры, между этими участками создается некоторое постоянное напряжение (термоэдс), составляющее до 50 MB. Это напряжение зависит от разницы температур на различных участках термоэлектродной ЭДС, а также от материалов, используемых для ее изготовления. Если температура места сравнения поддерживается термостатом постоянной, то между температурой места измерения и термоэдс прослеживается прямая зависимость.

Рис. 49. Температурная зависимость измерительных сопротивлений:

а) платиновое сопротивление; б) сопротивление с отрицательным температурным коэффициентом

В технических устройствах для измерения температуры место сравнения расположено снаружи присоединительной головки термоэлемента (рис. 49).

Рис. 50. Устройство с термоэлементом для измерения температуры: 1 – термоэлектроды; 2 – защитная трубка; 3 – места сравнения; 4 – термостат; 5 – термоэлемент; 6 – соединительные провода.

Принцип действия термометра сопротивления заключается в том, что сопротивление металлического проводника или полупроводника изменяется с изменением температуры.

Металлические измерительные термосопротивления (термопары) обладают положительным температурным коэффициентом. Это означает, что при повышении температуры сопротивление возрастает.

Полупроводниковые измерительные термосопротивления обладают отрицательным температурным коэффициентом, поэтому при повышении температуры их сопротивление понижается. Измерение температуры с помощью термоэлемента и термометра сопротивления называется контактным измерением. Для переноса теплоты объект измерения должен соприкасаться с измерительным датчиком (рис. 48 и 49).

Цифровое измерение величин

Данный вид измерения применяют в том случае, когда необходима обработка цифровых сигналов в устройстве, следующем в цепи после измерительного устройства.

При цифровом измерении выходным сигналом измерительного устройства является цифровой сигнал. Поэтому цифровое измерение величин необходимо, например, в цифровых устройствах управления, а также в процессах, управление которыми осуществляется с помощью ЭВМ.

Поскольку большая часть измеряемых параметров аналоговая, их сигнал в измерительном устройстве должен быть преобразован в цифровой (рис. 51).

а) аналоговый б) цифровой

Рис. 51. Преобразование аналогового сигнала в цифровой и наоборот – цифрового в аналоговый

Для отображения аналоговых величин в виде цифровых сигналов необходимо следующее:

− квантование измеряемых или отображаемых величин и ступенчатое разделение их временного диапазона на ряд поддиапазонов (

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

1 2 3 4 5 6 7

Подборка статей по вашей теме: