4.2.3. Электрические элементы

Существуют три основных электрических элемента: конденсатор, катушка индуктивности и резистор. Для описания систем (электрических схем), состоящих из электрических элементов, широко используются первыйивторойзаконы Кирхгофа. Примерами подобных систем являются схемы, показанные на рис. 4.3б, рис. 4.4б и рис. 4.5б.

Для электрического контура L–C–R(рис. 4.3б) имеем

. (4.15)

Для параллельного электрического контура (рис. 4.4б) можно записать уравнение

. (4.16)

Уравнения (4.15) и (4.16) соответствуют линейному дифференциальному уравнению второго порядка (уравнение (4.7)), описывающему систему с двумя энергонакопительными элементами.

Пример системы первого порядка с электрическими элементами показан на рис. 4.5б. Эта система описывается дифференциальным уравнением

. (4.17)

Это уравнение системы с одним энергонакопительным элементом.

4.2.4. Электрические аналогии

Приведенные выше соотношения показывают, что механические, тепловые и электрические элементы описываются идентичными математическими соотношениями при надлежащей связи между физическими величинами, характеризующими данную систему. Эту связь обычно называют отношениями эквивалентности, и поведение некоторых неэлектрических физических систем можно описать с помощьюэлектрической аналогии. Это означает, что можно взять механический или тепловой элемент, построить для него эквивалентную электрическую схему и анализировать ее с помощью законов Кирхгофа. В табл. 4.1 приведены сосредоточенные элементы механических, тепловых и электрических схем совместно с уравнениями, описывающими их поведение [20].

Электрические аналогии могут использоваться при оценке параметров датчиков, а также промежуточных механических и тепловых элементов между объектом и окружающей средой.

Таблица 4.1

Схемы
Механические	Тепловые	Электрические
Масса	Емкость	Катушка индуктивности	Емкость
Пружина	Емкость	Конденсатор	Катушка индуктивности
Демпфер	Сопротивление	Резистор	Резистор

4.3. Классификация первичных измерительных преобразователей

Одним из важнейших элементов любого прибора, предназначенного для измерения физических величин, является первичный измерительный преобразователь, входной величиной (естественной входной величиной) которого является измеряемая величина. Рассмотрим классификацию первичных измерительных преобразователей (в дальнейшем датчиков). Критерий классификации всегда выбирается в зависимости от цели проведения классификации.

Все ПИП (датчики) можно разделить на две категории: пассивныеиактивные.Пассивный датчик не нуждается в дополнительном источнике энергии и в ответ на изменение внешнего воздействия на его выходе всегда появляется электрический сигнал. Иногда такие датчики называютгенераторными.Примерами пассивных ПИП являются термоэлектрические, пьезоэлектрические преобразователи. Активными являются такие датчики, которые для своей работы требуют внешнюю энергию, называемуюсигналом возбуждения. Активные датчики иногда называютпараметрическими. Примерами активных датчиков являются терморезистивные, тензорезистивные датчики.

Одним из классификационных признаков, по которому могут быть разделены ПИП, является природа естественного выходного сигнала (параметра). По этому признаку можно выделить девять групп ПИП: 1) ПИП с электрическими выходными сигналами; 2) ПИП с магнитными выходными сигналами; 3) ПИП с механическими выходными сигналами; 4) ПИП с тепловыми выходными сигналами; 5) ПИП с оптическими выходными сигналами; 6) ПИП с химическими выходными сигналами; 7) ПИП с радиоактивными выходными сигналами; 8) ПИП с пространственными выходными сигналами; 9) ПИП с временными выходными сигналами.

В свою очередь, каждая группа содержит несколько подгрупп, разделяемых по виду выходного сигнала.

Например, ПИП с электрическими выходными сигналами разделяются на ПИП, выходным сигналом которых являются: 1) электрическое сопротивление R; 2) электрическая емкость С; 3) электрический зарядq; 4) ЭДС (разность потенциалов)E(U); 5) электрический ток и др.

Рассмотрим первичные измерительные преобразователи в соответствии с этой классификацией.