Применение средств цифровой вычислительной техники в измерительных приборах, установках и системах.

При автоматизации производства и технологических процессов требуется за ограниченное время одновременно измерять, регистрировать значительное количество параметров и преобразовывать большие потоки информации. Успешное решение этих задач во многом зависит от взаимосвязанного развития таких направлений, как информатика, вычислительная техника и автоматизации. Автоматизация методов и средств измерений, процессов управления, получения, хранения и анализа полученных данных привели к созданию информационно - вычислительных комплексов на основе мини-, микро- и персональных ЭВМ.

Модульный принцип создания систем стал основным в связи с переходом на широкое использование микропроцессоров. Одно из последних достижений измерительной техники - использование в приборах, встроенных микропроцессоров для решения задач вычислений по определенному алгоритму. Увеличиваются многофункциональные приборы; аналоговые приборы вытесняются цифровыми, выполненными на интегральных схемах, которые позволяют уменьшать габариты цифровых приборов, мощность их потребления, упрощать технологию изготовления и автоматизировать их производство. Цифровые приборы, кроме визуальной индикации измерительной информации в десятичной системе, имеют выход в двоично-десятичном коде для ввода в ЭВМ и на цифропечатающее устройство, тем самым расширяется непрерывный контроль параметров систем с регистрацией контролируемых значений сигнализацией на выходе за пределы нормы.
Наличие микропроцессорной системы дает возможность полностью автоматизировать работу цифрового осциллографа с программным управлением, что повышает эффективность экспериментального исследования многих процессов.
Разнообразие задач, решаемых с помощью средств измерительной техники, влечет за собой разработку разных по структуре и назначению измерительных систем от простейших, где ЭВМ является внешним звеном, предназначенным лишь для обработки результатов измерений, до сложных структур, где мини- и микроЭВМ используются не только для обработки информации, но и для управления процессом ее получения. Развитие этих систем вызвано необходимостью в новых средствах получения измерительной, контрольной и диагностической информации за ограниченное время и при минимальном участии человека.

Измерение - единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические явления или процессы. Поэтому разработка новых машин, механизмов, аппаратов, а также непосредственное осуществление сложных технических производственных процессов в промышленности связаны с необходимостью измерения многочисленных физических величин.При этом число подлежащих измерению механических, тепловых, химических, оптических, акустических и т.д. величин, то есть так называемых неэлектрических величин, интересующих науку и производство, во много раз больше числа всех возможных электрических и магнитных величин. Поэтому измерение неэлектрических величин достигло сейчас высокого развития и образует наиболее крупную, разветвленную и стремительно развивающуюся я область современной измерительной техники, а производство приборов для измерения различных физических величин составляет основную часть приборостроительной промышленности.До появления автоматических управляющих устройств и ЭВМ потребителем измерительной информации на выходе измерительных приборов был человек (экспериментатор, оператор, диспетчер). Теперь же очень часто измерительная информация от приборов непосредственно поступает в автоматические управляющие устройства. В этих условиях главное положение при измерении любых физических величин заняли электрические средства измерений благодаря присущим им следующим основным преимуществам.

1. Исключительная простота измерения чувствительности в весьма широком диапазоне значений измеряемой величины, то есть широкий амплитудный диапазон. Использование электроники позволяет в тысячи раз усиливать электрические сигналы, а следовательно в такое же число раз увеличивать чувствительность аппаратуры. Благодаря этому электрическими методами можно измерять такие величины, которые другими методами вообще не могут быть измерены.

2. Весьма малая инерционность электрической аппаратуры, то есть широкий частотный диапазон. Это дает возможность измерять как медленно протекающие, так и быстро протекающие во времени процессы с их регистрацией светолучевыми и электронными осциллографами.

3. Возможность измерения на расстоянии, в недоступных местах, вредных условиях, возможность централизации и одновременности измерения многочисленных и различных по своей физической природе величин, то есть возможность создания комплексных информационно-измерительных систем, возможность передачи результатов измерений на большие расстояния, математической обработке и использования их для управления.

4. Возможность комплектования измерительных и обслуживаемых или автоматических систем из блоков однотипной электрической аппаратуры, что имеет важнейшее значение для создания информационно-измерительных систем, как для научного, так и для промышленного измерения.

Приборы предназначаются для измерения одновременно только одной величины и лишь отдельные виды регистрирующих приборов позволяют фиксировать функциональные зависимости от времени нескольких величин. Кроме того, большинство из этих приборов не может быть удалено из места измерения на сколько-нибудь значительное расстояние. Однако при современном состоянии науки и техники управление различного рода технологическими процессами и энергетическими устройствами, оценка технического состояния разнообразных механизмов и эксплуатируемых объектов и проведение сложных научных исследований предъявляют такие требования к измерительной технике, которые не могут быть реализованы рационально с помощью приборов. Требуются измерения большего числа величин, различных как по физической природе, так и по диапазонам их значений, в большом числе точек и за очень ограниченное время. Результаты измерений при этом должны быть сосредоточены в одном центре, причем объекты измерения могут быть удалены на значительное расстояние от этого центра. Очевидно, что возможности человека при использовании обычных измерительных приборов оказываются недостаточными даже для простого наблюдения за их показаниями. Вопрос значительно усложняется, если результатам измерения отдельных величин нельзя сразу сделать требуемых выводов и заключений, а для этого необходима сложная, иногда и срочная обработка получаемой измерительной информации. В то же время не вся поступающая измерительная информация является одинаково важной. В ряде случаев не требуется знать значения всех параметров, характеризующих исследуемый процесс, достаточно иметь информацию только о тех из них, которые вышли за определенные пределы. В этих случаях объем информации, поступающей к оператору, может быть резко сокращен.
Для решения указанных задач применяются измерительные устройства, получившие названия информационно-измерительных систем (ИИС). В этих системах функции отдельных измерительных приборов выполняются единым централизованным автоматическим устройством, связанным с первичными измерительными преобразователями, воспринимающими измерительную информацию о множестве величин или в большом числе точек, и осуществляющим измерение этих величин и обработку полученных результатов измерения по определенной программе, с последующей выдачей комплексных данных, общих выводов или команд человеку или управляющей машине.В соответствии с этим, типовая ИИС включает следующие основные узлы:

1. комплект измерительных преобразователей, воспринимающих измеряемые физические величины и соединяющих ИИС с исследуемым объектом;

2. комплектующие устройства, предназначенные для поочередного подключения измерительных преобразователей к системе или временного разделения каналов;

3. унифицирующие (или нормализующие) устройства, осуществляющие преобразование всех измеряемых величин в единую физическую величину, а также операции масштабирования (т.е. изменения по значению) и линеаризации входных величин;

4. измерительные устройства, выполняющие собственно измерительные операции (сравнение с мерой, квантование, кодирование);

5. устройства математической и логической обработки измерительной информации (например, при проведении косвенных или совокупных измерений);

6. устройства хранения информации, состоящие из запоминающих устройств и преобразователей информации в такой вид, который удобен доя дальнейшей переработки (например, ввод в ЭВМ);

7. выходные или регистрирующие устройства, предназначенные для передачи информации человеку.

Кроме того, в ИИС обычно включают логические устройства, которые позволяют, например автоматически, в зависимости от характера измерительных процессов, выбирать шаг квантования по времени и уровню, опрашивать нужный канал и т.д.

Виды ИИС. По признаку выполняемых функций ИИС модно разделить на две группы:

1 группа - ИИС в прямом смысле, выполняющие прямые, косвенные и совокупные измерения; в последних двух случаях - на основе прямых измерений других величин и соответствующей математической обработки. Области применения этих систем - всевозможного рода комплексные исследования научного и производственного характера.

2 группа - ИИС, осуществляющие функции измерения и контроля либо технологического процесса, либо качества выпускаемой продукции.

Системы, выполняющие только функции контроля, получили название систем автоматического контроля (САК). Следует только различать системы, предназначенные для контроля технологических процессов, которые называют также машинами централизованного контроля, и системы, выполняющие контроль качества продукции и ее сортировку.Контролем называют процесс получения информации и состоянии контролируемого объекта путем сравнения значений параметров, характеризующих объект, с значениями этих параметров, принятых за нормальные (допустимые). Таким образом, результатом контроля является не численное значение контролируемого параметра, и этим контроль отличается от измерения, а лишь информация о том, находится ли значение в норме или отклоняется от нее, о чем дается соответствующий сигнал. Это, естественно, относится к простейшему случаю контроля отдельных, независимых параметров. В более сложных случаях, когда требуется иметь суждение о контролируемом процессе в целом, характеризуемом многими параметрами, часть функционально между собой связанными, САК должна либо сама выполнять автоматически обработку получаемой информации, либо выдавать эту информацию в соответствующей форме для ввода в вычислительные и управляющие машины. Хотя контроль по результатам выдаваемой информации отличается от измерения, однако СК по устройству отдельных элементов и выполняемых ими функций имеют много общего с ИИС. Кроме того, ряд САК помимо контроля производят и измерения. Все это дает основание рассматривать САК как одну из разновидностей ИИС.

В связи с повышением требований к точности измерений и необходимостью автоматизации процессов измерений большого числа параметров при использовании систем автоматического контроля и управления, а также в связи с применением вычислительной техники появились и широко применяются измерительные приборы, получившие название цифровые.

Цифровыми называются приборы, которые измеряют дискретные (отдельные) значения. Значение непрерывной во времени величины x или ее аналога (то есть величины, пропорционально измеряемой) и результат измерения выдают в цифровой форме. Дискретное представление измеряемой величины отличает эти приборы от давно существующих приборов с цифровым отсчетом, таких, например, как счетчики электрической энергии.

Цифровые приборы следует отнести к автоматическим приборам сравнения с непосредственным отсчетом, работающим на принципе компенсации измеряемой величины образцовой мерой. Результат измеренияполучается в момент равенства с некоторым приближением измеряемой величины к образцовой мере или величине, пропорциональной образцовой мере.Измеренное значение x кодируется тем или иным способом, и затем результат измерения (эквивалент кода) фиксируется счетным устройством в цифровой форме на шкале прибора или печатается на бумаге специальным печатающим устройством, основанном на электромеханическом принципе.Кодирование может быть выполнено, например, числом импульсов, числом одинаковых ступеней, образцового напряжения или определенной комбинацией различных по величине образцовых напряжений. Число импульсов или ступеней напряжений и комбинации образцовых напряжений могут применить только определенные дискретные значения. Наименьшей ступенью дискретности в этих случаях является или один импульс, или наименьшая величина ступени напряжения. Следовательно, при измерении цифровыми приборами осуществляется замена текущего значения измеряемой величины ближайшим дискретным значением кода. Такое измерение называется дискретным по величине или по уровню.

Измерение непрерывной величины цифровым прибором производится только в определенные фиксированные моменты времени, поэтому такое измерение осуществляется дискретно и по времени. Представление текущего значения измеряемой величины приближенным значением, лежащим между двумя ближайшими образцовыми величинами, различающимися на элементарную величину, называется квантованием по величине или по уровню. Замена непрерывной величины дискретными значениями называется квантованием по времени.

Классификация цифровых измерительных приборов (ЦИП).

ЦИП классифицируются:

- по роду измеряемой величины;

- по методу квантования (кодирования);

- по роду измеряемой величины ЦИП подразделяются на вольтметры, вольтамперметры, омметры, вольтомметры, частотомеры, фазометры, хронометры и др.

По методу квантования (кодирования) ЦИП можно разделить на:

- приборы пространственного квантования;

- приборы с квантованием частотно-временных параметров измерительных сигналов (число-импульсное, время-импульсное, частотно-импульсное);

- приборы с квантованием параметров интенсивности (метод последовательного взвешивания или кодоимпульсный метод).