Измерительные системы

Основные направления автоматизации измерений связаны с необходимостью за ограниченное время одновременно измерять, регистрировать значительное число параметров и перерабатывать большие потоки информации. Успешное решение этих задач во многом зависит от взаимосвязанного развития таких научных направлений, как информатика, измерительная и вычислительная техника, автоматизация производственных процессов, новых технологий и др. Автоматизация методов и средств измерений, процессов управления, хранения а анализа данных привела к созданию магистрально-модульных измерительно-вычислительных систем на основе компьютера. Одним из достижений измерительной техники является использование в приборах встроенных микропроцессоров для управления, вычислений по определенному алгоритму. Аналоговые приборы вытесняются многофункциональными цифровыми приборами, выполненными по современной интегральной технологии. Кроме визуальной индикации измерительной информации в десятичной системе цифровые приборы имеют выход в двоично-десятичном коде для ввода в компьютер и на принтер, тем самым расширяется непрерывный контроль параметров систем с регистрацией контролируемых значений и сигнализацией при выходе за пределы нормы. Наличие микропроцессоров дает возможность полностью автоматизировать работу цифровых измерительных приборов: осциллографа, мультиметра, измерителей частоты и временных интервалов, построенных на единой основе, мостов переменного тока и других приборов с программным управлением, что повышает эффективность экспериментального исследования многих процессов и одновременно облегчает процесс измерения.

Разнообразие задач, решаемых с помощью средств измерительной техники, влечет за собой разработку разных по структуре и назначению измерительных систем от простейших, где ПК является внешним звеном, предназначенным лишь для обработки результатов измерений, до сложных структур, где ПК используют не только для обработки информации, но и для управления. Развитие этих систем позволяет получать измерительную, контролирующую, диагностическую информацию за ограниченное время и при минимальном участии человека.

Ранее характеристики измерительных систем традиционно определялись поставщиком (разработчиком). Эти системы имели ограниченные возможности и являлись закрытыми. Пользователь ПК создает гибкие многофункциональные настольные системы с возможностью подключения к сети.

Функционально объединенная совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств образует измерительно-вычислительный комплекс, на базе которого можно строить измерительные системы.

Измерительные системы выполняют прямые, косвенные совокупные, совместные измерения с соответствующей математической обработкой согласно задаче. Они имеют нормированные метрологические характеристики.

Измерительную систему, перестраиваемую в зависимости от измерительной задачи, называют гибкой измерительной системой. В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительно-информационные, телеизмерительные, контролирующие, идентификации, технической диагностики и др.

Систему, в которой предусмотрена возможность представления информации оператору, называют измерительно-информационной системой,

Система, которая обслуживает объект, находящийся от нее на значительном расстоянии, называют телеизмерительной.

Контролирующие системы осуществляют непрерывное сравнение данных, полученных в процессе измерения и определяющих состояние объекта, с установленными нормами, что позволяет оценить соответствие текущего состояния объекта заданному. В результате система контроля выдает информацию об отклонениях от заданной нормы.

Системы идентификации (распознавания образа) являются разновидностью контролирующих систем и предназначены для установления соответствия между объектом и заданным образом. Так же как и при контроле, норма при распознавании образа может быть задана в виде образцового изделия или перечня определенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска.

Системы технической диагностики осуществляют измерение параметров, определяющих состояние объекта, сравнивают совокупность полученных данных с заложенными в память и определяют состояние диагностируемого объекта. Затем выдают информацию о неисправностях и повреждениях, на основании которой находят места повреждения и устанавливают причины этих повреждений и неисправностей; выявляют элементы, послужившие причиной неправильного функционирования, и восстанавливают нормальную работу объекта.

Для проведения измерений и тестирования сегодня большинство экспериментаторов используют ПК и разнообразные устройства сбора данных.

Получение достоверных результатов в системе сбора данных, построенной на ПК, зависит от следующих элементов системы: измерительных преобразователей; устройства предварительной обработки сигнала; платы сбора данных (платы расширения); платы персонального компьютера программного обеспечения; объекта исследования (ОИ) с датчиком.

Датчик — конструктивно обособленный первичный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина (от которого поступают измерительные сигналы).

Соединение функциональных блоков может иметь вид: цепочечной одноступенчатой структуры; радиальной одноступенчатой структуры, в которой управление работой блоков, их взаимодействием, порядком обработки информации ведется централизованно контроллером; магистральной одноступенчатой структуры с централизованным управлением.

На рис. 12.1 представлена обобщенная структура измерительной системы (ИС) в модульно-магистральном исполнении. Особенность данной структуры — наличие общей шины — магистрали.

Рис. 12.1. Обобщенная структурная схема измерительной системы

 Магистраль содержит внутрисистемные шины связи, по которым передаются сигналы взаимодействия между функциональными блоками (модулями). Общая шина содержит: шину управления, которая принимает и подает управляющие сигналы на функциональные блоки, определяет режим их работы; шину данных, которая служит для приема, передачи основных данных результатов измерения; шину адреса, которая однозначно определяет блоки, обменивающиеся информацией.

Группа датчиков (Д) преобразовывает однородные или разнородные по физической природе величины (механические, электрические, тепловые, акустические и др.) в электрические. Входные величины, воспринимаемые первичными преобразователями (датчиками), могут быть независимыми и взаимосвязанными, изменяться во времени и быть распределенными в пространстве. Кроме классических датчиков (резистивных, емкостных, индуктивных, термоэлектрических, интегральных и др.) используются телевизионные, рентгенографические, голографические.

Аналоговые преобразователи (АП) выполняют предварительную обработку сигналов с целью приведения их к уровню рабочего диапазона входных напряжений АЦП. Содержат многоканальные коммутаторы аналоговых сигналов, масштабные, унифицирующие (нормирующие) преобразователи, предусилители, согласующие устройства, аналоговые каналы связи.

В состав аналого-цифровых преобразователей (АЦП) входят схемы выборки и хранения, компараторы.

Цифровые устройства (ЦУ) включают формирователи импульсов, таймеры, преобразователи кодов, цифровые коммутаторы, специализированные цифровые вычислительные устройства, устройства памяти.

Каналы передачи (КП) содержат каналы цифровой связи, модемы, оптические линии связи, формирователи помехозащшценных кодов.

Устройства отображения и регистрации (ОиР) отображают и регистрируют результаты измерений. К ним относятся печатающие устройства, накопители информации на магнитной ленте, дисках, жидкокристаллические дисплеи, матричные экраны, цифровые индикаторы, сигнализаторы.

К цифроаналоговым преобразователям (ЦАП) относятся выходные мультиплексоры, мощные усилители и формирователи выходных импульсов.

Регуляторы (Р) представляют собой различные исполнительные устройства (реле, нагреватели и др.)

Интерфейсные устройства (ИУ) служат для сопряжения отдельных блоков между собой и с системой.

Устройства управления (УУ) реализуются на базе микропроцессора или ПК.

При реализации ИС для конкретной измерительной задачи не обязательно наличие всех функциональных блоков.

Характерные  области  применения  измерительных  систем: управление технологическими процессами, испытание и контроль различных изделий, научные исследования. Наиболее рациональный принцип построения измерительных систем — принцип агрегатирования. Измерительная система выполняется из независимых функциональных блоков (модулей): АЦП, ЦАП, цифровые приборы (мультиметр, частотомер, генератор, таймер, дисплей, печатающее устройство и т. п.). Агрегативный принцип позволяет использовать различные сочетания блоков, создавать многообразие систем с широкими функциональными возможностями. Это гибкие системы, которые можно легко наращивать и изменять программное обеспечение.

Для нормального функционирования ИС должна быть обеспечена совместимость: информационная, функциональная, энергетическая, метрологическая, конструктивная, эксплуатационная.

Информационная совместимость обеспечивается согласованностью входных и выходных сигналов по виду, диапазону изменения, унификацией измерительных сигналов и применением стандартных интерфейсов, под которыми понимаются как средства сопряжения отдельных модулей и блоков, так и правила обмена информацией между блоками.

Функциональная совместимость подразумевает, что все используемые в системе средства измерения (блоки) четко определены, разграничены и взаимоувязаны.

Метрологическая совместимость обеспечивается согласованностью метрологических характеристик отдельных блоков, условиями эксплуатации и их надежностью.

Погрешность системы определяется многими факторами, такими, как свойства объекта, метрологические характеристики средств измерений, используемых в системе, взаимное влияние каналов, погрешности квантования и дискретизации, алгоритм обработки и т. п. Анализ погрешностей может быть выполнен методом математического моделирования или экспериментально.

Конструктивная совместимость достигается унификацией элементов конструкций, использованием единых прогрессивных технологических процессов производства и сборки конструкций, что обеспечивает удобство использования и соблюдение единого стиля оформления.

Эксплуатационная совместимость означает согласованность характеристик модулей (блоков) по надежности и стабильности, а также характеристик, определяющих влияние внешних факторов.