2007年每周问题

二七年二月二十七日

问题:我能自动操作高真空系统吗?

一般推荐的抽气系统包括一个机械式前泵，用于抑制大气压力，以及一个涡轮分子主泵，用于清除真空室中最后0.1%的气体。旁路阀可以隔离主泵，同时用机械泵排出真空室。

基本上，任何真空系统都可以很容易地实现自动化。虽然细节因应用和所选择的真空泵技术而异，但有一些通用原则。

真空系统一般分为三个区域:“表上”真空室，“表下”高真空或主泵，和前线或粗真空泵。真空室是商务办公的应用场所。以真空镀膜为例，真空室是一个钟罩，内部装有蒸发加热器、固定装置、镀膜测量设备等。对于电子显微镜来说，它是样品室，电子光学等。作为一种设计承受14.7 psi压力的气密容器，它通常有厚壁，通常重达数百或数千磅。由于实际的人经常要伸手进去设置东西，真空系统设计师经常在支撑结构上安装真空室，使其保持在方便的工作高度。

“表上”和“表下”是术语，因为大多数系统设计将抽真空设备方便地放置在真空室支撑结构中的机柜中。这样，橱柜顶部的高度正好可以作为工作台——桌子。”A large main vacuum valve, which necessarily must be a gate valve or butterfly valve to allow adequate pumping throughput, makes it possible to separate the vacuum chamber from the pumping system. So, really ‘above the table’ means above the main valve and ‘below the table’ means downstream of the main valve.

真空控制系统中的传感器是真空计，有多种类型。有些，如彭宁冷阴极电离计，只在高真空水平有用。其他仪表，如热电偶仪表，仅适用于前线中存在的粗糙真空水平。由于不同的真空泵类型也在不同的真空水平下工作，因此将真空表类型与真空泵所感知的空间相匹配是合适的。

真空度是用绝对压力来测量的，单位是托里埃利斯(通常在书面和口头上都缩写为“Torr”)，大约等于133帕斯卡。所以，10托等于1330帕斯卡的绝对压强(大约)然而，在真空世界中，1托是一个非常高的压力!油扩散泵的工作温度不应超过10-3Torr。吸尘器工人发明了更多的术语来处理这个事实，他们去掉了所有的指数。因此，真空工程师可能会提到“7级”，意思是介于3×10-7Torr和3×10-6Torr之间的真空。

因此，在设计真空系统时，通常从应用所需的腔室压力开始。高真空应用通常需要比10- 5torr更好的真空，这意味着5个刻度或更高。”Particle beams, for example, are happy on the six scale and are ecstatic if you can maintain seven-scale vacuum. If you can get to the eight scale, you’re getting into ultra-high vacuum (UHV) territory. Oil diffusion pumps (augmented with cryogenic ‘cold traps’) aren’t much good above seven scale, though. UHV applications pretty much require turbomolecular pumps or something even more exotic.

实际上，涡轮分子泵已经不再那么新奇了。事实上，它们已经成为大多数应用的首选，因为它们可以在几乎任何真空水平下工作，从粗糙到特高压，而且几乎是防弹的。你唯一能做的伤害涡轮泵的事情就是在它运转的时候把一个螺丝扔进去!出于这个原因，我建议在任何自动化系统中使用涡轮泵。对于大多数应用来说，理想的泵系统是由机械前泵支撑的涡轮泵，并通过闸阀与真空室关闭。

单级涡轮泵只不过是一组以每分钟数万转的速度旋转的风扇叶片。在高真空状态下，气体不以流体的形式流动。气体分子与真空壁的碰撞比它们之间的碰撞更频繁。沿流动方向通过涡轮泵的气体分子可以在涡轮泵叶片之间滑动。然而，当向另一个方向移动时，它们几乎肯定会击中刀片并反弹回“正确”的方向。将几个涡轮泵级堆叠在一起，中间有额外的固定叶片，以防止旋转，这样你就得到了一个真正有效的高真空泵。

涡轮泵也可以像普通风扇一样在高压下工作(前线真空或更差)，但是，像风扇一样，它不能保持很大的压力差。太多的煤气漏回来了。因此，对于高真空(或更高)的工作，总是使用机械背泵。机械泵是一种容积泵，可以抑制大气压力，让涡轮泵清除那些构成最后千分之一托尔的讨厌的气体分子。由于涡轮泵可以承受大气压，即使它们不能有效地泵送，它们也可以在泵送系统活动时运行。一般来说，我建议把它们和前泵一起放到一个主“开”开关上。

主阀允许您在需要时关闭真空泵系统。例如，如果你需要在抽水系统上工作，有一个主阀可以让你这样做，而不必把空气也放进真空室。在关闭泵之前关闭它，然后做你的工作，并在桌子下面建立高真空，然后再打开它。它可以将所需的时间减少几倍。

使用闸阀也会给你一个节流阀。在高真空条件下，抽气系统的吞吐能力与进口面积成正比。闸阀可以很好地控制入口区域。例如，如果你的泵送系统可以让你达到8级，但你真的需要在5级的氖气环境中工作，你可以吸入一点氖气，并通过闸阀节流来控制压力。事实上，你甚至可以自动化它与PID回路!

快速作用气动控制闸阀也是很好的安全阀。如果密封件失效或玻璃端口破裂，有一个自动系统来关闭闸阀，可以防止大量大气气体流过你的泵，不管怎么说，泵并不是为它设计的。由于气体容易吸附在真空系统壁上，并在机械泵油中形成气泡，因此最好尽可能保持所有真空设备处于真空状态。当然，如果系统中含有冷阱或分子筛，高压会迅速污染它们，使其无用。在重新投入使用之前，它们必须进行清洁和除气。出于同样的考虑，真空工程师增加了一条旁路管线，通过主泵将真空室泵至前线压力，并隔离任何冷阱或分子筛，以防止污染。良好的做法是，在开启旁路之前，总要关闭主阀和前阀。

所以，真空控制系统的基本工作是对操作进行排序，这样在压力高于建议的情况下就不会发生任何事情。基本的抽气系统控制包括基于真空度的全有或无的决定。例如，这个简单的基于涡轮泵的系统有6个输入和5个输出。这6个输入是:

1.潘宁高真空表(H)读数低于设定值;
2.热电偶压力表(T)读数低于设定值;
3.主阀(M)开启/关闭;
4.前线阀(F)开启/关闭;
5.旁通阀(B)开启/关闭;
6.泵开/关(P)。

这5个输出是:
1.启动/停用泵(p);
2.开启/关闭主阀(m);
3.开启/关闭旁通阀(b);
4.开启/关闭前线阀(f);
5.启动申请程序(o)。

请注意，我已经列出了单独的信号，例如打开阀门(激活)和阀门打开的信号(响应)。使用激活信号作为响应信号当然是可能的(许多工程师也确实这样做了)。这让我胆战心惊，因为我不相信任何设备会仅仅因为命令就运行。我喜欢看到一个独立的传感器，独立地确认动作已经发生。例如，安装在闸阀执行器活塞上的开关可以肯定地确认阀门确实关闭，而不是阻塞部分打开。另一方面，我没有添加信号来打开或关闭仪表控制器。彭宁和热电偶压力表都可以在大气压下短时间保持工作状态，尽管不是无限期的。然而，其他类型的压力表不能也必须联锁，以便在压力过大时断电。

由于所有这些感测输入和驱动输出都是二进制信号，因此可以使用布尔代数来分析控制系统，并使用逻辑门来实现它。气体流动为测序提供计时器。每个输出和每个动作都有一个布尔方程。例如，最初将系统从大气压力中抽出:

p = 1
m = F P * * (~ B) * T
b = (~M)*(~F)*(~T)*P
f = P*(~B)

如果我的逻辑是正确的，那么选择降压序列将首先打开所有的泵(p=1);关闭主阀，因为热电偶压力表不低于其设定点(T = 0);由于主阀和前阀关闭(M = F = 0)，打开旁通阀(b= 0)，热电偶读数高(T = 0)，泵开启;关闭前阀和关闭主阀的原因是一样的。

当机械泵工作时，热电偶压力表读数将下降，最终达到设定值以下，此时旁通阀关闭，允许前阀打开。气体从仍处于大气压力下的涡轮泵涌入，并阻止主阀打开。一旦前阀打开，旁通阀就不能再打开。

随着时间的推移，机械泵将前线压力拉回热电偶压力表设定值，此时主阀的开启条件合适。类似的布尔方程需要为其他操作编写，例如将系统的部分返回大气进行维护。

最终方程(o = H)允许只有当高真空表读数低于设定值时，真空室中的操作才开始。

有关真空系统控制的更多信息，请访问控制工程网站然后在搜索框中输入“真空”。

如需更多资料，请浏览:
www.hyvac.com/PDFs/Literature/Vacuum%20Chart%20and%20Product%20List.PDF

C.G.马西，控制工程高级编辑

2007年2月20日

问题:为什么人们说Linux不是一个实时操作系统?

引用用于嵌入式和实时应用的Linux道格·阿博特:

“通用操作系统(如Linux)被调优为最大化平均吞吐量，甚至以牺牲延迟为代价;而实时操作系统试图最小化延迟，并设置延迟的上限，有时以牺牲平均吞吐量为代价。”

根据Abbot的说法，控制工程师不认为标准Linux适合实时使用有几个原因:

粗粒度的同步意味着内核系统调用是不可抢占的。一旦进程进入内核，它就不能被抢占，直到它准备退出内核。如果在内核执行时发生了一个事件，那就太倒霉了!等待进程只有在当前执行的进程退出内核后才能被调度。一些内核调用可以将抢占延迟几十毫秒。

分页——在虚拟内存中交换页面的过程——实际上是没有界限的。没有办法知道从磁盘驱动器获取一个页面需要多长时间，因此无法确定进程可能由于页面错误而延迟的时间上限。

调度的公平性意味着传统的Linux调度器会尽力对所有进程公平。它可能会把处理器交给一个等待了很长时间的低优先级进程，即使一个更高优先级的进程已经准备好运行。试着向你的保险公司解释，你的刹车系统反应不够快，因为CD换碟机已经等了1.5秒才得到处理器的时间。Linux只是试图做到公平!

请求重新排序是Linux尝试通过重新排序来自多个进程的I/O请求来有效利用硬件的一种方式。

批处理并不是指一个已婚男人在妻子和孩子去奶奶家度周末时所做的事情。这是Linux通过将类似进程(例如从虚拟内存中清除与不同进程相关联的页面)一起以批处理的方式更有效地利用资源的一种方式。

在执行计算或I/O密集型任务时，这五个特征通常会导致处理器明显地在短时间内锁定。当然，正如旧的项目管理规则所指出的那样:“一分钟有多长取决于你站在浴室门的哪一边。”

在桌面环境中，让鼠标停止响应几秒钟，然后快速跳转只是用户学会忽略的一种烦恼。在实时环境中，例如部署安全气囊或响应油门输入，这是不可接受的，甚至是灾难性的。

公平地说(又提到了这个词)，有必要指出，标准Linux或多或少与其他桌面操作系统共享这些特性，比如各种风格的Microsoft Windows和Mac OS x。当然，从理论上讲，修改这些操作系统来改变这些特性是可能的。由于Windows和Mac都是专有操作系统，这种改变只能由它们的供应商(微软和苹果)来做。然而，Linux是一个开源操作系统，因此任何具备必要技能的人都可以修改内核来克服软件的实时性缺陷。许多软件开发人员，如MontaVista和linuxworks，都在努力推销带有针对实时应用程序修改的内核的Linux发行版。

然而，重要的是要记住，任何多任务系统都不能像单任务引擎那样实时工作。例如，在20世纪80年代早期，我正在用逻辑门和计时器构建系统控制器，它们在严格的布尔逻辑线上运行。硬件在那里根据几个传感器输入的逻辑状态输出布尔表达式的结果。(涡轮泵转速是否高于某某值?)一旦所有的输入都达到适当的状态，输出就会转移到，比如说，打开一个闸阀。没有时间延迟(硬件中的传播延迟除外)。没有不确定性。现在,这是真正的时间!

每当控制器进行多任务处理时，它必须注意到有什么东西试图引起它的注意，将其优先级与其他任务和中断的优先级进行比较，然后将任务安排在它的小队列中。从某种意义上说，这永远使它脱离了实时领域。但是，作为一个实际问题，可以管理这个过程，从而保证在特定的时间窗口内得到响应。从这个意义上说，Linux有可能是“实时的”。

有关实时控制系统的更多信息，请访问控制工程的网站。

另见汉克•霍根(Hank Hogan) 2007年3月在《华尔街日报》上发表的文章《不是你父亲的RTOS》控制工程。

欲了解更多信息，请访问以下网站:
www.realtimelinuxfoundation.org
www.mvista.com
www.lynuxworks.com

资料来源:Abbott, D.;用于嵌入式和实时应用的Linux，第2版，Elsevier-Newnes, ISBN 978-0-7506-7932- 9,2006。

C.G.马西，控制工程高级编辑

二零零七年二月十三日

问题:如何安全地监控25kv直流电源的输出?

测量高电压——远远超过基于晶体管的数字电表所能承受的电压——是一个常见的问题。然而，当电压开始超过10千伏时，这变得特别困难，因为这些电压可以通过大多数电子元件驱动过多的功率。在你学会诀窍之前，你得到的是火焰而不是测量值。例如，放置在24千伏电源上的1兆瓦电阻器将耗散625瓦。诀窍是将功耗分散到大量电阻上。

晶体管电路在只有几伏特的电压下工作时最快乐。结型晶体管在低至10v的电压下会出问题(尽管许多单位可以更高)。场效应晶体管(fet)将这个范围扩大了一个数量级，但我还没有听说过一种单元素固态器件可以轻松地产生25千伏电压。更高的电压需要反向偏置结的串联堆叠，并带有分级电阻来控制每个结的电压降。

我稍后会回到电阻器分级。

晶体管电压测量设备旨在测量几百伏或更高的电压，使用精密分压器将电平降低到固态仪表电路可以承受的水平。要以1%的精度测量1000伏，首先在待测量的电压上串联一个999 KW, 1%的电阻和一个1kw, 1%的电阻。

一定要把1kw的电阻器放在低压端。

通过1kw电阻连接测量电路。它看到的电压将是电源电压的1/ 1000或1v。

通过分压器的电流为1000v / 1mw = 1ma。1千瓦的电阻器只需要耗散1兆瓦。999千瓦的电阻器，然而，将不得不处理刚刚低于瓦特，所以一个更重的单位是需要的。

这一分析指出了高电压所带来的问题。将电源电压再增加10至10 kv，将使同一电阻中的功耗增加到100 W，因为电阻中的功耗随电压的平方而增加。

当功率达到100 W时，我们就进入了昂贵的零温度系数精密功率电阻、散热器和强制空气冷却的领域。在25千伏的电压下，我们开始研究能在寒冷的日子里温暖你脚的东西，谢谢

当然，仅仅为了测量输出电压而消耗所有的能量会给电源带来一点压力。最好把电阻增加1000倍，这样就能降低那么多的功耗。(功率与电阻成反比。)你可以用10个100mw的电阻串联起来。这将25 kV电源的功率降至625 mW，每个电阻的耗散降至62.5 mW。这种应用的精密电阻器是现成的。

这让我们回到了“分级电阻”的承诺。在高压应用中，不仅要控制A点和B点之间的电压，还要控制梯度，这一点很重要。上面，我谈到了创建高压半导体器件所需的一系列反向偏置结。想想一条由100个半导体二极管结组成的链，每个结都能承受10 V的电压。理论上，该链可以承受1000 V的电压，但二极管结——尤其是反向偏置的结——表现出了出了名的大变异性。虽然它们可能被评为1，但却足以“击穿”它的连接点。如果发生这种情况，它的电阻会突然下降到一个低值，把压力转移到所有其他的地方。具有下一个最低反向电流的二极管将处于危险之中。每一个人离开，其他的人就会承受越来越大的压力，直到整个链条崩溃。

为了防止这种现象，高压工程师在任何旨在抵抗高压的结构中添加“分级电阻”。分级电阻器放出少量电流(通常与预期的反向电流相同)，以稳定隔离组件的堆叠，如反向偏置二极管、电容器和堆叠绝缘体。每个隔离元件都有一个分级电阻。当任何元件试图占用太多的电压降时，通过其分级电阻的电流限制了它可以维持的电压降。

当你有一个分级电阻链时，当然，监测电源电压的方法是测量链接地端分级电阻的下降，并乘以链中电阻的数量。我已经使用这种技术来测量高达1.5 MV的电压。

有关测量技术的更多信息，请访问控制工程网站并在搜索框中输入“电压测量”。

欲了解更多信息，请访问这些网站：
www.hipotronics.com
www.keithley.com
www.fluke.com

C.G.马西，控制工程高级编辑

2007年2月6日

问题:如何将光纤转换为无线?

使用无线网络将在移动平台收集的测量结果报告回固定基站。

这个问题是指在一辆行驶在长轨道上的车辆上进行的测量，测量数据通过Modbus和光纤发送回来。系统频繁出现光纤机械故障，导致数据延迟和丢失。

当感应“车辆”移动的距离超过几米，或者涉及超过360°的旋转时，将任何移动测量系统转换为无线是一个非常好的主意。拴系系统(数据信号通过铜缆或光纤电缆传递)在经历重复运动时很容易自发解体。防止旋转系统缠绕电缆所需的滑环是已知的最吵的东西。廉价、可靠的无线数据通信的出现解决了这两个问题。据我所知，唯一能干扰无线数据通信的东西就是金属墙和水。有效频率的无线电波仍然难以通过两者。

从短距离WiFi网络到可以在全球范围内传输信号的基于卫星的系统，有各种各样的形式可供选择。然而，大多数用户都可以很好地使用WiFi，而且基于面向消费者的标准，设备价格便宜。

要创建一个无线测量系统，需要在携带传感器的移动平台上安装一些智能设备。这种智能从传感器收集数据，并将其打包，通过无线网络传输。任何能够携带数据采集模块的计算引擎都可以。许多小尺寸的嵌入式计算机，比如那些由Kontron提供的PC/104格式的计算机，都有模拟输入连接到传感器，几乎所有的计算机都有PCMCIA或USB端口连接到来自国家仪器公司的数据采集模块。我也见过基于pda的系统。我预计，像Palm Treo 650这样集PDA和手机于一身的智能手机将会表现得非常出色——尽管它们可能会像我的狗吃意大利辣香肠披萨一样消耗掉空闲时间。

供应商，如Phoenix Contact，提供所需的收发器(通常被称为“无线电装置”或仅仅是“无线电”)，使移动的车辆和固定的基站之间的无线连接。收发机包括一个无线电发射器和一个无线电接收器，以提供双向通信。无线电装置具有提供安全编码传输的智能。所述基站包括与存储和处理所述数据的主计算机通信的补充无线电装置。

最大的问题是如何做出选择。一个可能的起点是凤凰联系网站，其中包括一些很好的教程，可能会提供更多的帮助。

有关液位无线测量技术的更多信息，请访问控制工程网站然后在搜索框中输入“无线局域网”。

欲了解更多信息，请访问这些网站：
www.kontron.url
www.ni.com
www.palm.com
www.phoenixcon.com

C.G.马西，控制工程高级编辑

二零零七年一月三十日

问题:如何验证密封罐内旋转喷嘴的运行情况?

麦克风的输出应该是在喷嘴旋转频率上调制的白噪声。来源:控制工程。

全波整流麦克风输出提供一个时变的直流电平与白噪声混合。来源:控制工程。

滤波整流器输出恢复在直流电平上的调制包络线。来源:控制工程。

通过FFT算法运行调制包络函数产生的频谱显示喷嘴旋转频率处的峰值。最后，如果有任何频率超过预设阈值(红色)，计算机算法返回' 1 '，否则返回' 0 '。来源:控制工程。

这个问题来自一家制药公司，该公司在各种尺寸的不锈钢罐中使用旋转的罐清洗喷嘴。喷嘴由喷出液体的反作用力驱动。在某些情况下，轴承失效，喷嘴无法转动。当这种情况发生时，清洁效果会大大降低。提问者想要一种设备来检测一个正常旋转的装置的脉动。

第一个问题是接收声音。第二种是自动使用它做一些有用的事情。

第一个问题的快速解决方案是:

1.准备一个小麦克风;

2.把麦克风贴在罐壁外面向外(远离水箱);

3.将麦克风连接到放大器上，并在旋转时聆听射流撞击水箱内壁时的噪音;

4.声音应以喷嘴旋转频率调制。

水箱的侧面将非常有效地将源自水箱的声学信号传输到麦克风外壳。整个麦克风会移动，包括隔膜。振动的隔膜对(相对)静止的空气的运动在空气动力学上相当于运动的空气对静止的隔膜的振动。因此，你应该有一个非常好的“声音”拾音器。

当然，有一些接触式麦克风是专门用来拾取来自固体物体的音域振动的。它们有一个杆或柱塞，直接与拾音器(如压电晶体)接触，将杆的运动转化为电信号。

您还可以在油箱外部附加一个具有足够灵敏度和带宽的微机电(MEMS)加速度计。当罐壁振动时，加速度计将记录其运动。振幅将是实际油箱壁位移乘以声音频率的平方(不是喷嘴旋转频率)。

另一种方法是将加速度计或接触式麦克风与罐内支撑喷嘴的管道相接触。不管轴承做得多好，喷嘴平衡得多精确，你几乎肯定会听到喷嘴旋转频率和/或谐波的嗡嗡声。你很可能会“听到”它，甚至在管道出口到水箱外面的地方。很重要的一点是，机械地接触支撑喷嘴的结构。你不可能让任何东西穿过液体。

还有另一种使用MEMS加速度计的方法，假设您没有将垫圈永久安装在水箱中，但当您想要清洁水箱时，将其通过端口带入。将小加速度计安装在洗衣机喷嘴上，并以无线方式报告其信号。无线连接的原因是让携带加速度计的喷嘴自由旋转，没有任何讨厌的滑环。无线接收器的天线必须在水箱内部才能接收信号，但你应该能够将它与输送水箱清洗液的管道或管子结合起来。当喷嘴旋转时，加速度计将记录离心力。当它停止时，离心力就停止了。这需要一个能够记录恒定负载的加速度计(换句话说，带宽从直流电到几百赫兹)。

第二个问题涉及数据采集和分析。基本上，你需要找出信号中告诉你喷嘴在旋转的部分。如何做到这一点取决于您使用哪种方法来获取信号。

如果您使用最后一种方法(MEMS加速度计骑在喷嘴上)，您的任务非常简单。通过直流放大器运行加速度计输出，将其电平提高到1-10 V。然后，通过一个截止频率为几赫兹的低通滤波器清洗它。这将消除大部分噪音。如果产生的直流电平高于某个阈值(高于噪声但低于正常工作电平)，则有旋转。如果没有，那就不要。

如果您使用任何其他拾取方法，还有很多工作要做。你有一个需要处理的交流输出信号。从仪表放大器开始，将换能器(麦克风或加速度计)输出提升到1到10 V的峰值音频电平。

音频将是一种呼啸的声音，如麦克风信号图所示，这基本上是白噪声，在喷嘴旋转频率上进行了幅度调制。所以，你需要一个探测器，就像他们使用的调幅收音机!它只是一个半波或全波整流器后面跟着一个低通滤波器。整流器将调制包络转换成低频交流信号加上直流平均值，并将其加到整流信号图中所示的白噪声上。低通滤波器去除大部分白噪声，留下1- 10v的直流输出信号，该信号随声音振幅变化，如图包络函数图所示。

此时，您可以将剩余的信号发送到数据采集卡中，该卡每秒对输出电压进行多次采样。这个采样率主要取决于您的数据采集卡，但通常可以设置为每秒几千个样本。理想情况下，您希望采样率是旋转频率的3-5倍，但在任何情况下都不能低于旋转频率的两倍。如果它低于这个极限，你就会得到数字信号处理专家所说的“混叠”，你只是不想去那里!数据采集卡输出一串数字。每个数字表示一个采样区间内的平均直流电平。这些数字直接进入主机的内部总线。通常，数据采集软件会将这些数字收集到计算机的存储器中供以后处理。

现在，你只剩下一个任务了。需要确定旋转频率处的信号强度。我喜欢做的是通过快速傅里叶变换(FFT)算法对信号进行清洗，该算法取一组数字，寻找代表不同频率的波的模式，然后给你一个振幅作为频率函数的图——一个频谱。

频谱应该在大多数频率下显示低噪声，在旋转频率处有峰值，在旋转频率的谐波处有较小的峰值。希望峰值会比噪声高得多。

最后，你需要一个程序来寻找这些峰值。这是一个简单的阈值算法，如果它在任何频率下看到大于阈值的信号就返回' 1 '，如果小于则返回' 0 '。

最后，你会得到一个ttl级(晶体管晶体管逻辑)电信号，当喷嘴旋转时，它是高的，当它不旋转时，它是低的。

有关振动测量的更多信息，请访问控制工程网站www.globalelove.com。

点击这里阅读“信号调理基础知识”，资源中心，需要免费注册。

欲了解更多信息，请访问以下网站:
www.source.url

C.G.马西,控制工程资深编辑,charlie.masi@reedbusiness.com

2007年1月23日

问题:如何测量变压器匝比(TTR)?

图1:使用双通道示波器和清洁交流电源测量变压器有效匝数比。

首先，让我们区分一下实际匝数比和有效的匝比。变压器的实际匝数比是次级绕组的匝数除以初级绕组的匝数。它很重要，因为它是变压器输出电压的主要决定因素(对于给定的输入电压)。

一个简单的单相变压器由绕在铁芯上的两圈电线组成。我在“铁”这个词周围加了引号，因为变压器铁芯几乎从来不是由纯铁制成的，但这与本文的描述无关。

这三个组件各有自己的工作。一个线圈(初级线圈)通过流经它的电流产生磁场。磁芯包含磁场，增强磁场并引导磁场通过第二个线圈(毫不奇怪，称为次级线圈)。次级线圈根据磁场的变化率在每一圈产生一个电动势(EMF)。电动势乘以次级线圈匝数就是变压器的输出电压。

简而言之，初级匝数越多，磁场越大;磁场越大，磁场变化越快;它变化得越快，每二次旋转产生的EMF越多;二次线匝数越多，两端的电压就越大。当我们计算这些数字时，我们发现输出电压(同样理想)与匝数比乘以输入电压成正比。

当然，事情通常并不理想。一次电路中的电阻人为地降低了一次电流。磁芯对磁场的不完全遏制减少了到达次级反应堆的磁场。最后，次级绕组的电阻降低了输出端的电压。因此，有效匝数比是由于这些影响而减小的理想匝数比。

确定实际匝数比的唯一方法是将变压器切开并数匝数。这破坏了变压器，使结果变得学术化。

图1描述了测量有效转弯的设置。它使用一个双通道示波器来测量初级和次级电压。无论在计算中使用峰值电压、平均电压还是均方根电压，都没有区别。

使用示波器，因为示波器输入具有极高的阻抗-通常超过10兆欧。高阻抗是理想的电压测量仪器，因为它最大限度地减少测量误差由于仪器负载。测量变压器初级端子两端的输入电压，使影响比值测量的唯一电压降是有效匝数比定义中包含的内部损耗。在二次变压器上没有任何负载的情况下进行测量，以消除由于负载电流引起的二次变压器内阻上的压降。

假设你使用的是近20年制造的数字示波器，你可以设置示波器来自动测量每个通道的峰值电压，仪器也可能会为你做数学计算(函数将是通道B电压除以通道a电压)。这种划分的结果就是变压器的有效匝数比。

如果你必须经常这样做，你可以购买专门的变压器匝比自动测量仪器。它们的优点是更容易设置。它们的缺点是灵活性降低。数字示波器还可以进行许多其他测量。

欲了解更多信息，请访问以下网站:
tpub.com/neets/book2/5g.htm
www.faqfarm.com/Q/What_is_transformer_turns_ratio
www.federalpacific.com/university/transbasics/chapter2.html

有关TTR测试设备的信息，请访问以下网站:
www.reed-electronics.com/tmworld/article/CA632993
www.vanguard-instruments.com/products/trmeters/index.php
news.thomasnet.com/fullstory/466158

C.G.马西,控制工程资深编辑,charlie.masi@reedbusiness.com

二零零七年一月十六日

问题:美国工程师通常使用什么单位?

人们很容易把目前美国工程师应该使用什么单位的混乱归咎于法国人，但托马斯·杰斐逊也应该受到一些指责。早期的测量系统是基于分数(如1/4磅的汉堡包或1/8英寸)。钻)。早在1585年，西蒙·斯特芬就建议使用十进制来表示度量衡。1670年，加布里埃尔·穆顿(Gabriel Mouton)构思了最终成为“米制”的体系。1792年，新成立的美国铸币厂成立时，托马斯·杰斐逊(Thomas Jefferson)提出了一种用于货币的美国公制系统，而不是度量衡系统。

由于美国必须从头开始其货币体系，无论如何，为新货币制定十进制面额的成本几乎为零。将重量和度量衡从英制(最终被称为英国工程单位)改为十进制，意味着要更换国内所有的测量设备，以及所有的螺母、螺栓、工具等。这似乎是一个可怕的浪费。

法国人没有这样的内疚。革新整个国家对革命政治家来说毫无意义。因此，在1795年，公制系统成为现实。

随着国际贸易在各个经济体中变得越来越重要，协调各国之间的度量衡也变得越来越重要。同样，如果一个国家承诺改变重量和度量衡，公制系统是选择。

然而，美国人已经掌握了五年级的数学，而且当地的经济规模相当于世界上其他国家的总和，他们认为公制化是一种代价高昂却收效甚微的做法。即使在1866年公制在美国合法使用时，大多数公民的反应也是响亮的，“谁在乎呢?””

虽然美国没有“习惯”单位，但与世界上几乎所有技术先进的国家一样，美国已经正式采用了ISO标准单位。这些几乎与我们大多数人在物理101中学到的MKS(米-千克-秒)标准相同。然而，在美国，除非你处于一个高度监管的行业，否则没有强制要求使用任何特定的单位。

许多公司都有关于何时使用什么单元的内部政策，这些政策对于任何给定行业的公司来说都是相似的。实际上，所有这些都倾向于ISO标准。

例如，出于安全原因，航空航天工业在关键任务情况下采用ISO的速度很慢。尤其是飞行员，他们经常不得不在压力下迅速做出生死抉择，简而言之，任何可能导致混乱的事情都是危险的。几十年来，航空业一直在使用双单位制，但正在无情地转向ISO。

同样，汽车制造商在业余爱好者和家庭机械师可能操作的地方使用SAE(汽车工程师协会)紧固件，而内部紧固件采用ISO标准。在重新设计发动机缸体等部件时，他们引入了ISO标准的测量方法，而早期的设计使用的是SAE。

因此，您使用什么单位的第一个指南是您公司的政策。如果你参与制定公司政策，遵循你所在行业的共识。最后，如果有疑问，请使用ISO单位。

有关测量标准的更多信息，请访问控制工程网站www.globalelove.com。

C.G.马西,控制工程资深编辑,charlie.masi@reedbusiness.com

参见:
lamar.colostate.edu/ ~ hillger / dates.htm

有一些事情你一直想知道，但不知道问谁?将您的控制系统问题发送至controleng@reedbusiness.com在邮件主题和问题中注明“问题”，并在邮件正文中注明完整的联系方式。如果我们使用它，我们会给你派一个工程师，并以此为荣!口袋保护器。

资料来源:“公制年表”，美国公制协会，lamar.colostate.edu/~hillger/usma.html

二零零七年一月九日

问题:仪表放大器和运算放大器的区别是什么?

仪表放大器在电阻反馈网络中包含三个运算放大器，通过改变单个电阻的增益来提供可变增益。资料来源:维基百科

控制工程师和数据采集系统设计人员将仪表放大器(in-amps)和运算放大器(op-amps)用于信号调理应用以及其他直流放大器和音频放大器应用。

内放和运放都是单片半导体集成电路，用于广泛的直流耦合放大器应用。运算放大器比内置放大器适应性更强，但设计起来要困难得多。

运算放大器甚至比晶体管还要早。最早的是用真空管建造的，用来创造模拟电脑。这个想法是，有了合适的直流放大器特性，我们就可以构建一个电路，它的输出是一个或多个输入的数学函数，这个函数几乎可以是任何单值函数。

例如，可以构建电路来将出现在多个输入端的电压相加。其他电路可以形成输入的对数，或反对数。将两个电路组合起来，形成两个独立输入的对数，将这些输出送入第三个放大器，形成和，然后送入第四个放大器，形成逆对数，从而产生一个电路，将两个输入电压相乘。

换句话说，这些放大器可以用来对输入电压进行数学运算。这就是这个名字的由来运算放大器这个词通过使用被缩短为“运放”。”The function the amplifier performs is called the传递函数。

虽然很少有人再制造模拟计算机，但运算放大器的灵活性使其成为数据采集和控制系统中调节信号的主要工具。无论你想要什么样的输出，如果你能用数学函数来表达，你就可以用运算放大器来构建它。

运算放大器的特点是极高的增益(通常在数万或数十万(80-100 dB))、高阻抗差分输入和低阻抗单端输出。平衡运算放大器可以产生正、负输出电压。其他国家只能提供积极的产出。

具有如此高增益的放大器非常不稳定。例如，增益为100 dB的运放的0.1 V输入将理想地产生10,000 V输出!当然，真正的运放通常不能输出10,000 V。它们通常限制在最大5或10 V，因此运行开环的运放通常运行到“轨道”。也就是说，它在输入电压符号对应的最大值处饱和。例如，一个741运放，这是一个平衡器件，通常具有500,000 (114 dB)的增益，它看到- 0.01V输入将驱动到负轨，或-10V。

运放设计师通过闭环反馈来发挥他们的魔力。为了创建线性传递函数(比如线性增益为5)，他们使用电阻反馈网络。半导体器件，如二极管，产生非线性传递函数，如对数。

一个特别有用的运放电路由如图所示配置的三个运放组成，以产生可变增益的线性放大器。更换一个电阻(R_获得)改变整个放大器的增益。

这个电路是基本的内放电路。某些半导体器件制造商，如Analog Devices，已经非常友好地集成了整个放大器内电路，这些就是今天使用的单片放大器内半导体。

一般来说，所有的运算放大器和电阻都内置在集成电路中，除了R_获得。有些设备提供两个终端，用户可以在其上放置自己的增益电阻;其他类型提供用户通过在设备终端之间跳转来选择的内部电阻。大多数设备的可用增益从1到1000不等，尽管增益高达10,000的设备也是可用的。

显然，由于内放只是运算放大器电路的一种特殊情况，所以你可以用内放做任何你不能用运算放大器做的事情，但它将需要更多的组件，设计和施工努力。需要构建带有线性传递函数的特殊信号调节模块的控制工程师发现，如果从内置放大器开始，工作就会容易得多。然而，如果你需要一个非线性传递函数，你就不得不使用运放。

有关机器视觉技术的更多信息，请访问控制工程网站www.globalelove.com。

-C.G。马西,控制工程资深编辑,charlie.masi@reedbusiness.com

资料来源:Kitchin, C. and Counts, L.，仪表放大器设计指南，第三版，Analog Devices, Inc.， 2006。本书可通过adi公司的网站下载www.analog.com/en。

参见:
en.wikipedia.org/wiki/Instrumentation_amplifier
en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier

有一些事情你一直想知道，但不知道问谁?将您的控制系统问题发送至controleng@reedbusiness.com在邮件主题和问题中注明“问题”，并在邮件正文中注明完整的联系方式。如果我们使用它，我们会给你派一个工程师，并以此为荣!口袋保护器。

二零零七年一月二日

问题:在控制系统的设计和分析中必须使用的5个基本步骤是什么?

1.假设一个控制系统，并说明要满足的系统规格。
2.生成功能框图并获得系统的数学表示。
3.使用任何适用于问题的分析方法或图形方法来分析系统。
4.检查性能(速度、精度、稳定性或其他标准)，看是否符合规格。
5.优化系统参数，使步骤1得到满足。

资料来源:《控制系统导论，第三版》，作者D K Anand和R B Zmood, Butterworth-Heinemann, 1995年。

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