ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Общие сведения

Усложнение современного производства, развитие научных исследований в различных направлениях привело к необходимо­сти измерять или контролировать одновременно сотни, а иногда и тысячи физических величин. При этом наметился переход к при­нятию решений на основании использования результатов не от­дельных измерений, а потоков измерительной информации, ин­тенсивность которых возрастает за счет увеличения частотного, диапазона и числа измеряемых величин. Например, контроль за состоянием космической станции «Салют-7» осуществляется при помощи 2100 первичных измерительных преобразователей, при­чем в одну секунду проводится 25 600 измерений.

Естественная физиологическая ограниченность возможно­стей человека в восприятии и переработке больших объемов информации привела к возникновению такого вида средств изме­рений, как измерительные информационные системы (ИИС) (см. 4.1).

По функциональному назначению ИИС делят на измерительные системы, системы автоматического контроля, системы технической диагностики.

В последнее время получили распространение измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) - вид ИИС, в состав которых входит свободно программируемая ЭВМ, используемая не только для обработки результатов измерения, но и для управле­ния самим процессом измерения, а также для формирования управляющих воздействий на объект исследования (см. гл. 4.1).

По организации алгоритма функционирования ИИС различают системы с жестким заранее заданным алгоритмом функционирования, программируемые системы и адаптивные системы. В системах с жестким алгоритмом функционирования алгоритм работы ИИС не меняется, в связи с чем такая система может применяться для исследования объектов работающих в определенном режиме. В программируемых системах алгоритм работы изменяется в соответствии с заранее заданной программой, кото­рая составляется в зависимости от условий функционирования объекта исследования. В адаптивных системах алгоритм работы, а иногда и структура ИИС изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта исследования, в связи с чем адаптивная система может применяться для исследовании объектов, различающихся по своим характеристикам. При построении адаптивной ИИС требуется меньшее количество предварительной информации, чем при по­строении измерительных информационных систем с жестким алгоритмом функционирования, что имеет большое значение при исследовании новых объектов, характеристики которых еще мало известны.

Наиболее перспективным методом проектирования ИИС в на­стоящее время является принцип агрегатно-модульного построе­ния различных систем из сравнительно ограниченного набора выпускаемых промышленностью унифицированных узлов.

Агрегатно-модульный принцип построения ИИС предполага­ет применение стандартных интерфейсов, под которыми понима­ют как совокупность правил протоколов и программного обеспе­чения процесса обмена информацией, так и технические средст­ва сопряжения модулей в системе. Наиболее распространенными для ИИС в настоящее время являются при­борный интерфейс и интерфейс КАМАК. Приборный интерфейс отличается сравнительной простотой и может использоваться при построении относительно простых и медленно действующих систем. Интерфейс КАМАК применяется в ИИС, предназначен­ных для исследования сложных объектов с быстропротекающими процессами.

Исходя из функций ИИС, основными из которых являются получение измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, представление информации оператору или ЭВМ, формирование управляющих воздействий на объект исследова­ния, на рис. 10.1 представлена обобщенная структурная схема ИИС, содержащая следующие устройства:

1) устройство измерения, включающее в себя первичные и вторичные измерительные преобразователи и собственно изме­рительное устройство, выполняющее операции сравнения с ме­рой, квантование, кодирование; в это же устройство может вхо­дить и коммутатор.

2) устройство обработки измерительной информации, выпол­няющее обработку измерительной информации по определенному алгоритму (сокращение избыточности, математические опера­ции, модуляция и т. п.);

3) устройство хранения информации;

4) устройство представления информации в виде регистрато­ров и индикаторов;

5) устройство управления, служащее для организации взаи­модействия всех узлов ИИС;

6) устройство воздействия на объект, включающее в себя генераторы стимулирующих воздействий

Рисунок 10.1 – Структурная схема ИИС

Информация от ИИС может выдаваться оператору или посту­пать в ЭВМ. Оператор и ЭВМ могут воздействовать на устройство управления ИСС, меняя соответственно программу ее работы. В ряде ИИС некоторые устройства и связи могут отсутствовать или видоизменяться. Так, могут отсутствовать устройства воздей­ствия на объект, хранения и обработки информации. При нали­чии в составе ИИС ЭВМ информация к ЭВМ может поступать непосредственно от устройств обработки или (и) хранения.

В зависимости от способа организации передачи информации между функциональными узлами (ФУ), являющимися приемниками и передатчиками информации, различают цепочечную, ра­диальную и магистральную структуры ИИС.

В ИИС с цепочечной структурой (рис. 10.2, а) передача ин­формации осуществляется последовательно от одного ФУ к дру­гому, а все ФУ выполняют заранее заданную операцию над вход­ным сигналом. ИИС с такой структурой относительно проста, но функциональные возможности ее ограничены.

В ИИС с радиальной структурой (рис. 10.2,б) обмен сигнала­ми между ФУ происходит через центральное устройство управле­ния - контроллер, который задает режим работы ФУ, изменяет число и состав взаимодействующих ФУ, а также связи между ними, что приводит к изменению функций ИИС. В этой структуре каждый ФУ подключается к контроллеру посредством индивидуальных шин. Недостатком радиальной структуры является усложнение контроллера при увеличении числа ФУ.

В ИИС с магистральной структурой (рис. 10.2, в) существует общая для всех ФУ магистраль, по которой передаются сигналы взаимодействия ФУ. Такая структура позволяет легко наращивать число функциональных узлов в системе.

                         а)

б)                                                    в)

Рисунок 10.2 – Структурная (а), цепочная (б) и магистральная (в) структурные схемы передачи данных

Существует также радиально-цепочечные и радиально-магистральные структуры, представляющие собой комбинации рассмотренных структур.

Физические величины, измеряемые и контролируемые с по­мощью ИИС, весьма разнообразны. Для того чтобы ИИС были универсальными, т. е. пригодными для измерения и контроля разнообразных величин, измеряемые и контролируемые величины представляют унифицированными электрическими сигналами. Унификация заключается линеаризации зависимости информативного параметра сигнала от измеряемой величины и в приведении максимального и минимального размера информативного параметра к заданным значениям?

В ИИС применяют следующие унифицированные сигналы:

1) Непрерывные сигналы в виде постоянных и переменных токов и напряжений, параметры которых (мгновенные, средние, действующие значения, частота, период, угол фазового сдвига между двумя переменными токами или напряжениями) являются информативными параметрами. Диапазоны изменения парамет­ров некоторых непрерывных унифицированных сигналов норми­рованы государственными стандартами. Эти сигналы называют нормированными. Приведение (нормирование) параметров сигналов к определенному уровню осуществляется так называ­емыми нормирующими измерительными преобразователями.

2) Импульсные сигналы в виде серии импульсов постоянного тока, параметры которых (амплитуда, частота, длительность импульсов или интервалов) являются информативными пара­метрами.

3) Кодово-импульсные сигналы, например, в виде импульсов постоянного тока или напряжения, комбинации которых переда­ют значения кодированных измеряемых величин.

Применение тех или иных унифицированных сигналов завит от требуемых характеристик ИИС, вида канала связи, формы представления измерительной информации (аналоговая или циф­ровая), используемой элементной базы и др.

Измерительные системы

Общие понятия. К измерительным системам (ИС) относят ИИС, в которых преобладает функция измерения, а функции обработки и хранения незначительны или отсутствуют совсем. Измерительные системы делят на системы ближнего действия и системы дальнего действия - телеизмерительные системы.

На вход ИС поступает множество величин  изменяющих­ся во времени и (или) распределенных в пространстве. На выходе ИС получают результаты измерений в виде именованных чисел или отношений измеряемых величин. Такие системы могут выпол­нять прямые, косвенные, совместные и совокупные измерения. Наиболее распространены измерительные системы для прямых измерений.

Для всех ИС характерным является наличие воспринимаю­щих элементов - первичных измерительных преобразователей, в дальнейшем именуемых датчиками (Д), элементов сравнения (С), мер М и элементов выдачи результата ВР. Перечисленные элементы являются основой для построения ИС. В зависимости от вида и числа различных элементов в структуре ИС делят на многоканальные ИС, или ИС с параллельной структурой; скани­рующие ИС, или ИС с последовательной структурой; мультипли­цированные ИС, или ИС с общей мерой; многоточечные ИС, или ИС с параллельно-последовательной структурой.

Многоканальные ИС. Эти системы представляют собой один из самых распространенных видов ИС и содержат в каждом измерительном канале полный набор элементов (рисунок 10.3). Мно­гоканальные ИС обладают наиболее высокой надежностью, наи­более высоким быстродействием при одновременном получении результатов измерений, возможностью индивидуального подбора средств измерений к измеряемым величинам, что исключает ино­гда необходимость унификации сигналов. Недостаток таких сис­тем - повышенная сложность и стоимость. Имеются также труд­ности в организации рационального представления измеритель­ной информации оператору.

Сканирующие ИС. Эти системы последовательно во времени выполняют измерения множества величин с помощью одного ка­нала измерения и содержат один набор элементов и так называе­мое сканирующее устройство (СкУ) (рис. 10.4). Сканирующее устройство перемещает датчик, называемый в этом случае скани­рующим датчиком, в пространстве, причем траектория движения датчика может быть заранее запрограммирована (пассивное сканирование) либо может изменяться в зависимости от полученной в процессе сканирования информации (активное сканирование).

 Рисунок 10.3 – Структурная схема         Рисунок 10.4 – Структурная схема

             многоканальной ИСС                      сканирующей ИСС        

Сканирующие ИС применяют в случае, когда измеряемая величина распределена в пространстве. При исследовании параметрических полей (температур, давлений, механических напря­жений и т. д.) такие ИС дают количественную оценку значений параметров полей в заданных точках. Иногда с помощью сканирующих ИС определяют экстремальные значения параметров исследуемых полей либо находят места равных значений этих параметров. Недостатком этих ИС является относительно малое быстродействие из-за последовательного выполнения операций измерения для всех измеряемых величин.

Мультиплицированные ИС. Эти системы позволяют в течение одного цикла изменения известной величины (развертки) выполнить сравнение со всеми измеряемыми величинами, т. е. опреде­лить множество величин без применения коммутирующих узлов. Мультиплицированные системы содержат в каждом измерительном канале элементы Д, С, ВР и общий для всех каналов элемент М (рис. 10.5) .Мультиплицированные ИС называют еще система­ми с развертывающим уравновешиванием.

Обычно в этих системах измеряемая величина  сравнивается с линейно изменяющейся величиной  (см.  8.3). Если зафикси­ровать момент начала развертки и момент равенства  и , то может быть сформирован интервал , пропорциональный значе­нию  в момент равенства  и . В системе с числом измеритель­ных каналов, большем одного, при необходимости выдачи резуль­тата на одно общее устройство регистрации или индикации могут возникнуть трудности в разделении сигналов от элементов срав­нения С. В этом случае рабочий диапазон сигнала  делят на зоны по числу измеряемых величин, причем каждой измеряемой величине соответствуй своя зона. При этом, кроме момента равенства  и , должны фиксироваться моменты достижения сигнала  нижней границы каждой зоны.

Если измеряемые величины  сравниваются со ступенчато изменяющейся величиной х_к (см.  8.3), то значительно упроща­ется получение результата измерения в цифровом виде. На рис. 10.6 показана мультиплицированная ИС, где мера М содер­жит цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, пересчетную схе­му ПС, генератор импульсов Г, входы останова и запуска которого через логические элементы ИЛИ, реализующие операцию логического сложения, соединены соответственно с выходами элементов сравнения С и выдачи результатов ВР. В момент равенства измеряемой величины одного или нескольких измерительных каналов и известной величины на выходе ЦАП соответствующие элементы сравнения срабатывают и генератор Г останавливается. На выходе ПС окажется значение измеренных величий в коде, подаваемое на элементы ВР (индикаторы, регистраторы и т. п.). По окончании выдачи результата генератор вновь запуска­ется и работа системы продолжается. При общем для всех изме­рительных каналов элементе ВР (например, при вводе информа­ции в ЭВМ) одновременно с регистрацией значений измеряемой величины необходимо фиксировать номер датчика или применять иные способы, позволяющие относить полученные результаты измерения к соответствующим датчикам.

Рисунок 10.5 – Структурная схема  Рисунок 10.6 – Структурная схема

  мультиплицированной ИС       мультиплицированной цифровой ИС  

Рисунок 10.7 – Структурная схема

      многоточечной ИС

Мультиплицированные системы имеют меньшее число элементов по сравнению с ИС параллельного действия и при наличии индивидуальных элементов ВР могут обеспечить практически такое же быстродействие. Недостатком мультиплицированных ИС является большое число элементов сравнения, равное числу измеряемых величин. При измерениях сигналов низкого уровня элементы сравнения обычно значительно усложняются.

Многоточечные ИС. Эти системы применяют для исследова­ний сложных объектов с большим числом измеряемых величин. Число измерительных каналов в таких системах может достигать нескольких тысяч. Многократное последовательное использова­ние отдельных узлов измерительного тракта приводит к последо­вательно-параллельному принципу действия таких систем и к ми­нимальной сложности ИС.

Для согласования действия узлов ИС, работающих парал­лельно и последовательно во времени, в таких системах применя­ют измерительные коммутаторы ИК для коммутации аналоговых сигналов датчиков Д (рис. 10.7). Измерительные коммутаторы должны обладать заданными метрологическими характеристиками (погрешность коэффициента передачи, быстродействие коммутатора и др.).

Относительная погрешность коэффициента передачи комму­татора определяется по формуле

где  - информационные параметры сигналов на выходе и входе коммутатора;  - коэффициент передачи коммутатора. Погрешность  определяется, главным образом, остаточными параметрами ключевых элементов, используемых в коммутаторе, именно остаточными ЭДС и сопротивлениями замкнутого и разомкнутого ключей. Погрешность зависит также от числа измерительных каналов и от выходного сопротивления датчика и вход­ного сопротивления следующего после коммутатора узла (напри­мер, элемента С).

Быстродействие коммутатора обычно определяется допустимым числом переключений в секунду и зависит прежде всего от применяемых элементов.

Наибольшее распространение получили электронные комму­таторы, состоящие из ключей и устройства управления. Коммута­торы могут быть одноступенчатые и многоступенчатые. Число ступеней коммутации зависит от числа датчиков, а также от условий эксплуатации ИС. Достоинством многоточечных ИС является меньшее количество оборудования по сравнению с многоканальными системами, возможность наращивания числа измерительных каналов за счет коммутатора. Недостатком этих систем по сравнению с рассмотренными выше ИС является пониженное быстродействие при большом числе опрашиваемых датчиков и некоторое сниже­ние точности за счет остаточных параметров ключей коммута­тора.

Телеизмерительные системы

Общие понятия. В различных областях науки и техники воз­никает необходимость осуществлять измерения на объектах, на­ходящихся на значительном расстоянии от средств представле­ния или последующей обработки (например, с помощью ЭВМ) информации. Такая необходимость возникает при измерениях параметров движущихся объектов, при измерениях параметров объектов, рассредоточенных по площади (большие промышлен­ные предприятия, газо- и нефтепроводы), а также при измерениях параметров объектов, непосредственное нахождение человека около которых является невозможным (например, объекты атомной энергетики). Все эти, а также многие другие задачи решают телеизмерительные системы (ТИС).

Отличие ТИС от измерительных систем ближнего действия (см. 10.2) заключается в наличии у ТИС специального канала связи. Под каналом связи понимают совокупность технических средств, необходимых для передачи информации от различных источников. Одной из основных частей канала связи является линия связи, под которой понимается физическая среда, по кото­рой передается информация на значительное расстояние. Разли­чают проводные линии связи, радиолинии и оптические линии связи. Основная характеристика канала связи - полоса пропу­скания частот, которая зависит от вида канала связи и наличия помех.

Для передачи информации от нескольких источников по од­ной линии связи применяют различные принципы разделения каналов. Наиболее часто используют временное и частотное раз­деление каналов.                                                             

При временном разделении происходит последовательная передача по линии связи значений отдельных измеряемых величин. В таких ТИС разделение измерительных каналов производится с помощью коммутаторов (см. 10.2).

При частотном разделении возможна одновременная (параллельная) передача по линии связи значений нескольких измеряемых величин. Для передачи каждой величины используют определенную, для каждой величины свою, полосу частот.

Содержание

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1 Основные понятия. 3

1.2 Характеристики измерительных приборов. 7

2 АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

2.1 Общие сведения 9

2.2 Магнитоэлектрические измерительные приборы.. 14

2.3 Комбинированные аналоговые измерительные приборы 19

2.4 Электродинамические измерительные приборы 24

2.5 Электромагнитные измерительные приборы 26

2.6 Электростатические измерительные приборы.. 29

2.7 Логометры 31

3 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ

3.1 Общие сведения 33

3.2 Низкочастотные измерительные генераторы синусоидальных колебаний 34

3.3 Импульсные генераторы 40

4 ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

4.1 Электронные осциллографы общего назначения 43

4.2 Основные узлы электронных осциллографов. 48

4.3 Классификация электронных осциллографов 57

4.4 Стробоскопические электронные осциллографы 59

4.5 Универсальные электронные осциллографы 63

4.6 Запоминающие электронные осциллографы 67

4.7 Анализаторы спектра частот 68

4.8 Измерители нелинейных искажений 71

5 АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

5.1 Общие сведения 73

5.2 Основные узлы аналоговых электронных вольтметров 75

5.3 Свойства аналоговых электронных вольтметров и особенности их включения 80

5.4 Влияние формы кривой измеряемого напряжения на показания аналоговых электронных вольтметров 82

6 ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

6.1 Общие сведения 84

6.2 Цифровые вольтметры постоянного тока с поразрядным кодированием (взвешиванием) 88

6.3 Цифровые вольтметры постоянного тока с время - импульсным преобразованием 90

6.4 Цифровые вольтметры постоянного тока с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующие) 93

6.5 Цифровые волтметры постоянного тока с двойным интегрированием 95

6.6 Цифровые вольтметры постоянного тока с комбинированным преобразованием  98

6.7 Цифровые вольтметры переменного тока  99

7 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

7.1 Общие сведения 101

7.2 Измерение напряжения в цепях постоянного тока. 101

7.3 Измерение постоянного тока 109

7.4 Измерение напряжения и тока на низких и высоких частотах 115

7.5 Измерение импульсных напряжений 118

8 СЧЕТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (Вариант 1)  

8.1 Общие сведения 126

8.2 Электродинамические счетчики. 126

8.3 Индукционные счетчики 132

9 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (Вариант 2)

9.1 Измерение энергии однофазного переменного тока 142

9.2 Измерение активной мощности и энергии в трехфазных цепях 148

10 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

10.1 Общие сведения 153

10.2 Измерительные системы 156

10.3 Телеизмерительные системы 160