Размещено на http://www.allbest.ru/

Информационно-измерительные системы

1. Общие сведения

Информационно-измерительная техника (ИИТ) - предназначена для получения опытным путем количественно определенной информации об объектах. Основными процессами, позволяющими получить такую информацию, являются обнаружение событий, процессы счета, измерения, контроля, диагностики.

Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. В процессе измерения получается численное отношение между измеряемой величиной и некоторым значением, принятым за единицу сравнения.

Под контролем понимается установление соответствия между состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате контроля выдается суждение о состоянии объекта контроля.

Во многих случаях для восстановления нормальной работы объекта необходимо выявить элементы, послужившие причиной его неправильного функционирования. Такое направление развития методов и средств контроля работы технических устройств называется технической диагностикой.

Счет, т.е. определение количества каких-либо событий или предметов, в ИИТ относительно редко имеет самостоятельное значение и чаще входит составляющей в процессы измерения, контроля и т.д.

Все перечисленные процессы включают восприятие техническими средствами исследуемых (измеряемых, контролируемых) величин, часто с преобразованием в некоторые промежуточные величины, сравнение их опытным путем с известными величинами, с описаниями состояний или свойств объектов, формирование и выдачу результатов в виде именованных чисел, их отношений, суждений, основанных на количественных соотношениях.

В ИИТ наиболее важную роль играет процесс измерения, являющийся основным путем получения количественной информации.

Измерительные системы (ИС) - совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Примерами могут служить системы, развернутые на крупных предприятиях и предназначенные для контроля технологического процесса производства какого-либо изделия.

В зависимости от назначения ИС разделяют на измерительные, контролирующие, управляющие. По числу измерительных каналов системы подразделяют на одно-, двух-, трех- и многоканальные.

Важной их разновидностью являются информационно-измерительные системы. Под информационно-измерительными системами (ИИС) понимаются системы, предназначенные для автоматического получения количественной информации непосредственно от изучаемого объекта путем процедур измерения и контроля, обработки этой информации и выдачи ее в виде совокупности именованных чисел, высказываний, графиков и т.д., отражающих состояние данного объекта. ИИС должны воспринимать изучаемые величины непосредственно от объекта, а на их выходе должна получаться количественная информация об исследуемом объекте.

В ИИС объединяются технические средства, начиная от датчиков и кончая устройствами выдачи информации, а также все программы, как необходимые для управления работой собственно системы, так и позволяющие решать в ИИС измерительные и вычислительные задачи, а также управлять конкретным экспериментом.

Таким образом, существует несколько разновидностей ИИС:

· Собственно информационно-измерительные системы - получение количественной информации о значениях контролируемых физических величин путем их прямых совокупных измерений с последующей ее обработкой, предоставлением оператору и передачей другим потребителям.

· Информационно-измерительные системы автоматического контроля - установление соответствия между состоянием объекта и заданной нормой и выработка суждения о данном и (или) будущем состоянии объекта.

· Информационно-измерительные системы технической диагностики - контроль состояния различных технических устройств, обнаружение их отказов и определение неисправных элементов.

· Информационно-измерительные системы распознавания образов - определение соответствия между исследуемым объектом и заданным образом, в качестве которого может быть «человек», «символ», «нормальное состояние объекта» и т.п.

· Телеизмерительные системы - информация о значениях измеряемых величин передается от объекта контроля, расположенного на значительном расстоянии.

2.  Обобщенная структурная схема ИИС

Для описания ИИС, объяснения состава функциональных частей и элементов, их назначения и взаимосвязи в системе применяются структурные схемы. Описание ИИ и входящих в них функциональных элементов может производиться с помощью функциональных схем, разъясняющих протекающие в них процессы.

Обобщенная структурная схема показана на рис.1.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема ИИС

3. Измерительная информация, сигналы и помехи

Без получения измерительной информации, т.е. количественных сведений о значениях разнообразных физических величин, невозможно управление подвижными объектами, технологическими процессами и т.д.

Измерительная информация - количественная оценка состояния объекта, полученная экспериментально, путем сравнения параметров объекта с овеществленной единицей измерения - мерой.

В количественном аспекте измерительная информация - это сообщения о значениях измеряемых физических величин. Эти сообщения выражаются и передаются от одних устройств к другим в виде сигналов.

Сигналы, являющиеся физическими носителями измерительной информации, называются измерительными. К измерительным сигналам относятся:

· полезные сигналы, получаемые от исследуемых, контролируемых или управляемых объектов;

· вредные сигналы или помехи, поступающие в измерительную систему вместе с полезными сигналами или независимо от них;

· специально генерируемые в измерительной системе или вне ее сигналы, улучшающие работу системы (модуляция, дискретизация и др.).

На рис. 2 приведена одна из возможных классификаций измерительных сигналов.

Рис. 2. Классификация измерительных сигналов

Измерительные сигналы, получаемые от источника информации, образуются путем изменения параметров (модуляции) носителя информации. Как правило, носителями измерительной информации являются электрические сигналы. Носителями информации для электрических сигналов могут служить постоянный ток, переменный (синусоидальный) ток или напряжение, импульсный ток.

Постоянный ток (напряжение) имеет только один параметр - ток (или напряжение). Обычно значение измеряемой величины х изменяется во времени и представляет собой некоторую функцию времени х(t). Как правило, значение напряжения при изменении контролируемых параметров (при модуляции) изменяется по линейному закону в функции х(t), т.е. модулированный электрический сигнал выражается соотношением:

где U0 - значение несущего напряжения до модуляции; k - коэффициент.

Переменное синусоидальное напряжение

характеризуется тремя параметрами: амплитудой Um0, частотой щ0 и фазой ц0, которые могут быть носителями измерительной информации об измеряемой величине х(t). При этом носителем информации при изменении измеряемой величины (модуляции носителя информации) может быть любой из трех параметров, а также два или три параметра одновременно. При этом принято выделять модуляцию амплитудную, частотную и фазовую.

При амплитудной модуляции измерительный сигнал имеет вид:

При этом коэффициент k выбирается таким образом, чтобы при всех возможных отрицательных значениях х соблюдалось условие Um0?0.

При частотной модуляции частота становится функцией времени:

При фазовой модуляции изменяется начальная фаза колебаний по закону

при этом модулированный сигнал описывается выражением

При амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) амплитуда импульсов изменяется по линейному закону в функции измеряемой величины х. При этом берутся значения х в моменты, совпадающие с началом каждого очередного импульса. Следовательно, имеет место дискретизация функции х(t) по времени и модулированный сигнал имеет вид

где хi = x(iT0), i = 0,1,2,…

При частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) изменяется частота импульсов в функции х(t), но в отличие от частотной модуляции синусоидального несущего колебания частота здесь не является непрерывной величиной.

Если х за период Т существенно не изменяется и можно считать, что х = const, то частота f следования импульсов будет равна



При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) длительность импульсов tи изменяется по линейному закону в функции значений дискретных ординат хi и измеряемого сигнала х(t):

при этом период Т0 и амплитуда Um0 сохраняются постоянными.

4.  Классификация ИИС

По организации алгоритма функционирования различают системы:

с заранее заданным алгоритмом работы, правила функционирования которых не меняются, поэтому они могут использоваться только для исследования объектов, работающих в постоянном режиме;

программируемые, алгоритм работы которых меняется по заданной программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования;

адаптивные, алгоритм работы которых, а в ряде случаев и структура, изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта.

ИИС делятся на:

ИИС последовательного действия, когда один датчик последовательно помещается в поле однородных физических величин;

ИИС параллельного действия, имеющая множество датчиков, каждый из которых воспринимает свою физическую величину.

Кроме этого, существует еще несколько видов классификации ИИС, которые даны ниже.

4.1 Разновидности входных величин

На входы ИИС может поступать большое количество однородных или разнородных по физической природе величин и сопутствующих им влияющих величин (помех).

Классификация входных величин по таким признакам приведена в табл. 1.

Входные величины характеризуют исходный «материал», поступающий в ИИС, и, следовательно, в определенной мере позволяют определить, какие оценки могут быть получены при наличии этого «материала».

Табл.1

Классификация входных величин (сигналов)

Классификационный признак	Классы
Количество величин	i = 1	i 2
Поведение во времени	неизменное	изменяющееся
Расположение в пространстве	сосредоточенное в точке	распределенное по пространству
Характер величин	непрерывный	дискретный
Энергетический признак	активные	пассивные
Взаимосвязь помех с входными величинами	независимые помехи	помехи, связанные с входными величинами

Количество величин i определяется суммой всех (в том числе однородных) величин. При i 2 входные величины могут быть как независимыми, так и взаимосвязанными.

Входные величины могут изменяться во времени и быть распределенными в пространстве. В этих случаях следует говорить об исследуемых процессах, временных или пространственных функциях.

Под активными подразумеваются величины, способные оказывать энергетические воздействия на входные устройства системы. К ним относятся электрический ток и напряжение, ионизирующие, световые, тепловые излучения, механические силы, давления и т.д.

Пассивны такие величины, как сопротивление электрических цепей, механические сопротивления, твердость, жесткость и т.п.

В табл. 1 речь идет о внешних по отношению к ИИС помехах. Часто они неотделимы от входных величин, т.к. физически вызываются теми же явлениями. Разграничение их с изучаемыми величинами во многих случаях связано со значительными трудностями. Помехи могут характеризоваться теми же признаками, что и измеряемые величины.

В табл. 2 приведены основные разновидности входных величин, характеризующиеся их количеством i и аргументами (t - время, s - пространственная координата). Входные величины могут быть дискретными.

Табл. 2

Основные разновидности входных величин

Сосредоточенные и неизменные	Изменяющиеся во времени	Распределенные по пространству
q	q(t)	q(s)
	q(t,s)
{qi}i=1,2,…n, n 2	{qi(t)}i=1,2,…,n, n 2	{qi(s)}i=1,2,…,n, n 2
	{qi(t,s)}i=1,2,…,n, n 2

Согласно этой табл. можно выделить характерные области: измерение одной величины (i=1) реализуется, как правило, приборами; измерение множества величин {qi(t,s)}, i 2, в большинстве случаев реализуется ИИС.

4.2 Разделение ИИС по виду выходной информации

Функциональное назначение определяет вид выходной информации ИИС.

По виду выходной информации ИИС могут быть разделены на измерительные системы, на выходе которых получается измерительная информация (именованные числа, их отношения), и на системы, которые выдают количественные суждения о состоянии исследуемых объектов, - контрольные, диагностические, распознающие.

В метрологии и измерительной технике принято считать, что процесс измерительного эксперимента обязательно включает измерительные и, как правило, вычислительные процедуры. Под измерительными процедурами понимаются в первую очередь восприятие входных величин и преобразование измерительных сигналов, сравнение непрерывных сигналов с мерами и получение цифровых значений этих сигналов. К вычислительным процедурам относятся математические преобразования аналоговых, дискретных и цифровых сигналов в процессе измерения.

По существу ваттметры, счетчики электрической энергии, мостовые измерительные устройства, компенсаторы переменного тока, цифровые вольтметры переменного тока и т.п. являются устройствами, в которых операции измерения и обработки выполняются неразрывно. Если проанализировать работу любого средства измерения, то в нем всегда можно найти операции обработки. Так электроизмерительные магнитоэлектрические приборы, как правило, выполняют операции фильтрации и усреднения динамических составляющих, имеющихся в измеряемой величине или накладывающихся на нее.

Остановимся на определении основных целей измерения.

Измерение может быть направлено на нахождение значений входных величин (длины, массы, температуры, тока и т.п.). В этом случае, если учитывать характер взаимосвязи между входными величинами, то можно выделить ИС, предназначенные для измерения следующих величин:

независимых входных величин Х={[х1], [х2],…, [хn]}. В этом случае процесс измерения заключается в нахождении цифровых значений этих величин;

входных величин Q=(q1, q2,…, qn), непосредственное раздельное измерение которых невозможно.

Пример: ИС, предназначенные для измерения мощности, скорости, удельного веса;

Параметров зависимости {F[X()]} входных величин X()=x1(1), x2(2),…, xn(n) от заданного аргумента =1, 2,…, n.

Могут быть установлены цели измерения, связанные с измерением функций от входных величин f(X) или f(DX).

Пример: ИС, предназначенные для измерения коэффициентов корреляции, спектральной плотности мощности, температурных коэффициентов сопротивления и т.д.

В соответствии со сказанным целесообразно выделить ИС независимых входных величин, ИС зависимых величин, ИС функций от входных величин и ИС параметров зависимостей входных величин. Среди последних большую роль играют статистические ИС.

4.3 Классификация ИИС по принципам построения

Наиболее общие принципы построения ИИС даны в табл. 3.

Табл. 3

Классификация принципов построения ИИС

Классификационный признак	Классы
Наличие специального канала связи	Отсутствует	Имеется
Порядок выполнения операций получения информации	Последовательный	Параллельный
Наличие контуров информационной обратной связи	Разомкнутые системы	Компенсационные (одно- и многоконтурные системы)
Изменение скоростей получения и выдачи информации	Без изменения (в реальном времени)	С изменением скоростей
Сигналы, используемые в ИИС	Аналоговые	Кодоимпульсные
Структурная и информационная избыточность	Безызбыточные системы	Избыточные системы
Адаптация к исследуемым величинам	Неадаптивные системы	Адаптивные системы

Наличие специального канала связи обеспечивает передачу качественной информации от объекта, находящегося на большом расстоянии.

Выполнение последовательно или параллельно операций получения информации во многом определяет количество элементов системы, быстродействие, надежность и т.п. Измерительная информационная система может состоять из частей, в которых последовательность операций получения или преобразования информации может быть различной. В системе для перехода от параллельного к последовательному выполнению преобразований информации и наоборот должны использоваться соответствующие согласующие устройства.

Наличие контура обратной связи позволяет организовать компенсационные методы измерения, позволяющие получить более высокие точностные характеристики.

Введение адаптации ИИС к исследуемым величинам, структурной и информационной избыточности дает повышение надежности, помехоустойчивости, точности, гибкости работы.

Одним из методов разработки и производства ИИС является метод агрегатно-модульного построения из сравнительно ограниченного набора унифицированных, конструктивно законченных узлов или блоков. При построении агрегатированных систем должны быть решены задачи совместимости и сопряжения блоков как между собой, так и с внешними устройствами. Применительно к ИИС существует 5 видов совместимости:

информационная, которая предусматривает согласованность входных и выходных сигналов по видам и номенклатуре, информационным параметрам и уровням;

конструктивная, обеспечиваемая согласованностью эстетических требований, конструктивных параметров, механических сопряжений блоков при их совместном использовании;

энергетическая, предполагающая согласованность напряжений и токов, питающих блоки;

метрологическая, обеспечивающая сопоставимость результатов измерений, рациональный выбор и нормирование метрологических характеристик блоков, а также согласование параметров входных и выходных цепей;

эксплуатационная, т.е. согласованность характеристик блоков по надежности и стабильности, а также характеристик, определяющих влияние внешних факторов.

Связь между блоками системы и их совместимость устанавливается посредством стандартных интерфейсов.

5. Основные разновидности структур ИИС

информационный измерительный система помеха

Все реальные ИИС могут быть представлены в виде совокупности связанных между собой функциональных блоков (ФБ). ФБ - это части системы, выполняющие информационные и управляющие функции и нуждающиеся в организации совместной и согласованной работы. При этом подразумевается, что ФБ выполняют свои функции в законченном виде и для организации взаимодействия с другими ФБ не требуется знания их внутренних структур и особенностей функционирования. Объединение ФБ в одноступенчатой структуре может быть выполнено в следующих вариантах (рис. 3):

а - цепочная структура, в которой управление работой последующего ФБ производится после окончания преобразования в предыдущем ФБ. На рис.3 выделена цепочная схема управления, включающая интерфейсные устройства (ИФУ);

б - радиальная структура, в которой управление работой ФБ ведется централизованно от одного устройства управления;

в - магистральная структура с централизованным управлением;

г - магистральная структура с децентрализованным управлением;

д - магистральная петлевая структура с централизованным управлением;

е - радиально-магистральная структура с централизованным управлением.



Рис. 3. Основные одноступенчатые структуры

При большом количестве ФБ целесообразно организовать объединенную работу нескольких одноступенчатых подсистем (рис. 4).

ЭВМ выполняет в двухступенчатой структуре функции не только управления, но и обработки и выдачи информации.

Рис. 4. Двухступенчатая структура

6. Об аналоговых интерфейсах измерительной части ИИС

информационный измерительный система помеха

Аналоговая часть обязательно присутствует во всех ИИС и определяет во многом их возможности и характеристики. При этом следует различать измерительную и служебную аналоговые части.

В большинстве случаев в служебной аналоговой части ИИС действуют сигналы относительно высокого уровня, слабо подверженные влиянию внешних факторов, параметров каналов связи. Для этой можно ограничиться довольно грубым нормированием энергетических и временных параметров сигналов, а также параметров линий связи.

Существенно более трудная задача связана с созданием интерфейса аналоговой измерительной части ИИС. Это объясняется тем, что искажение в ней измерительных сигналов может привести к резкому ухудшению метрологических характеристик системы.

Такой интерфейс должен обеспечить совместную работу датчиков, измерительных цепей, работающих с ними, нормализующих (унифицирующих) элементов, входных устройств, линий связи и т.п.

К наиболее важным характеристикам аналогового интерфейса измерительной части ИИС следует отнести погрешность измерения (из ряда 5; 2,5; 1; 0,5; 0,25; 0,1%), быстродействие (5; 1; 0,1; 10-2; 10-3; 10-4 с на одно измерительное преобразование), удаление объекта измерения от аппаратуры (до 5 м - внутренний монтаж; до 100 м - на установках; до 3000 м - в цехах; до 10000 м - на заводе; в распределенном производстве). Следует также оценить уровни и характер помех, действующих в месте работы ИИС.

В аналоговой измерительной части могут быть использованы сигналы с непрерывными и импульсными видами модуляции, реализованы структуры как непосредственного, так и компенсационного преобразований.

7. Защита входных измерительных цепей ИИС от помех

Под помехоустойчивостью ИИС понимается их способность противостоять вредному влиянию помех. Основные пути повышения помехоустойчивости ИИС связаны с улучшением защиты от помех аналоговых измерительных цепей систем и с уменьшением влияния помех на результат измерения путем соответствующей обработки измерительной информации в ИИС.

7.1 Виды и источники помех

Помехи могут вызываться процессами, происходящими внутри ИИС, а также влиянием внешних источников помех.

Причинами внутренних помех могут служить тепловые шумы в резисторах, термо-ЭДС, изменение сопротивления изоляции, перекрестные влияния измерительных цепей, связи измерительных цепей с цепями питания. К внутренним помехам могут быть также отнесены изменения напряжения источников питания, превышающие допустимые: не считается помехой только кратковременное (от 1 до 30 периодов частоты сети) понижение напряжения сети питания до 30% номинального, полный перерыв в питании может быть до 100 мс. Кроме того, через сеть питания могут проникать импульсные высокочастотные возмущения (до 20 МГц) с повышенной амплитудой и длительностью до нескольких микросекунд.

Внешние атмосферные помехи возникают в результате разрядов молний, возникающих в большом количестве (до сотен разрядов в секунду) на Земле, а также от электризации частиц (пыли, снега) в атмосфере Земли.

К другому виду внешних электрических помех относятся индустриальные помехи, создающиеся промышленными установками, радиостанциями, электрооборудованием автотранспорта и т.п.

Расположенные вблизи измерительных цепей электроэнергетические установки и силовая проводка питания являются основными источниками так называемых наведенных, или поперечных, помех. Эти помехи являются следствием воздействия внешних электромагнитных полей, а также реактивных связей измерительных цепей с источниками помех. В свою очередь такие факторы, как изменение сопротивления изоляции (от влияния повышенной температуры), появление разности потенциалов в разных точках заземления аналоговой измерительной цепи, тепловые шумы могут явиться источниками помех другого вида, которые носят название продольных.

По форме помехи любого происхождения разделяются на импульсные, флуктуационные и регулярные.

Импульсные помехи - это случайно появляющиеся импульсы (но обычно с интервалом не менее длительности импульса) произвольной формы. При независимости времени и амплитуды импульсов помех вероятность появления K импульсов в течение времени t будет равна, где K0 - среднее число импульсов в единицу времени. Плотность распределения вероятностей логарифмов амплитуд импульсов

Весьма часто форма импульсов имеет экспоненциальный характер:

Флуктуационные помехи - непрерывный случайный процесс, распределение вероятностей которого близко к нормальному:

.

Корреляционные функции помехи часто описываются выражениями:

.

Регулярные помехи наиболее часто проявляются в виде наведенных помех с частотой сети и ее гармоник:

Весьма широко используется разделение помех на аддитивные, независимые от полезного сигнала, и мультипликативные. Аддитивные помехи y(t) могут суммироваться с полезным сигналом x(t), а мультипликативные помехи служат множителем этого сигнала.

7.2 Основные способы защиты от помех

Для уменьшения влияния продольных помех используется ряд мер. Одна из них - гальваническое разделение частей цепи, в которых имеются места заземления. Гальваническое разделение производится преимущественно с помощью трансформаторов и разделительных конденсаторов.

Защита измерительных цепей от внешних наведенных (поперечных) помех достигается рядом мер, к числу которых относятся уменьшение длины проводов за счет приближения к датчикам аналого-цифровых измерительных устройств, а также сближение и скрутка проводов, идущих к датчикам. При скрутке проводов ЭДС, наводимые в отдельных элементарных контурах, вычитаются, и благодаря этому удается уменьшить влияние поперечных помех на измерительные провода на несколько порядков.

Применяют также магнитное и электростатическое экранирование входных цепей от низкочастотных и высокочастотных магнитных полей. Экраны должны иметь замкнутую поверхность, охватывающую измерительную цепь и отдельно источники переменного тока. Части систем с разными потенциалами или имеющие гальванические развязки должны иметь сои экраны. Экранировка проводов может ослабить наведенные помехи 50 Гц до 30 дБ.

При синусоидальной наведенной помехе возможно выполнение измерений в моменты, когда помеха принимает допустимо малый размер. При таком методе удается получить значительное ослабление помехи.

Для уменьшения внутренних помех целесообразно провода питания прокладывать и экранировать отдельно от измерительных проводов с низким уровнем полезного сигнала, коммутация сигналов высокого и низкого уровней должна проводиться отдельными коммутаторами. В необходимых случаях следует использовать специальные средства защиты от перерывов питания.

Должны быть продуманы места заземления измерительных цепей. Некоторые из таких мест определяются правилами электробезопасности или технологическими приемами монтажа элементов измерительной цепи (присоединением спая термопар к металлической поверхности).

Дальнейшее повышение помехоустойчивости может быть достигнуто обработкой суммы сигнала с помехой, имеющей случайный характер, в аналоговом или цифровом виде. Наиболее часто встречающиеся виды обработки - фильтрация и накопление сигналов, в течение которого происходит усреднение.

В интегрирующих АЦП ослабление влияния помех может достигать 100 дБ. При проектировании аналоговых измерительных цепей выбирается такой комплекс средств защиты, при котором действие помехи не превышает заданного уровня.

8. Основные структуры аналого-цифровой части

Аналого-цифровая часть (АЦЧ) ИИС состоит из аналоговых измерительных каналов и системных аналого-цифровых устройств. Аналоговые измерительные каналы предназначены для восприятия входных величин, их преобразования в измерительные сигналы с помощью измерительных цепей, а системные аналого-цифровые устройства служат для выполнения заданного множества аналого-цифровых преобразований в составе самих систем.

К основным элементам любых АЦЧ относятся датчики и аналоговые измерительные цепи (Д), устройства, формирующие значения образцовых мер (М), устройства сравнения аналоговых сигналов образцовых мер (УС).

В предположении, что необходимо измерить n величин. Максимальное число датчиков в этом случае должно быть равно n, минимальное - одному. В последнем случае датчик должен последовательно воспринимать все n величин.

В первом приближении максимальное количество устройств сравнения и образцовых мер равно n, а минимальное - 1.

На рис. 5 представлены наиболее распространенные структуры. К ним относятся структуры АЦЧ параллельного принципа (рис. 5, а), параллельного принципа с общим набором образцовых мер (рис. 5, б) и последовательного принципа действия (рис. 5, г). Названия: а - многоканальные, б - мультиплицированные, в - многоточечные, г - сканирующие или развертывающие структуры.



Рис. 5. Основные варианты структур аналого-цифровой части ИИС

8.1 Структура параллельного действия (многоканальная)

Основные достоинства многоканальных структур связаны с возможностью измерения разнородных физических величин, использования одноканальных измерительных устройств, достижения максимального быстродействия и высокой схемной надежности.

Надежность многоканальных структур зависит от предъявляемых к ним требований. Если считать, что структура работоспособна при исправности всех элементов, входящих в нее, то тогда (при одинаковых измерительных каналах) вероятность безотказной работы такой структуры может быть относительно низкой: .

Но если считать, что измерительные каналы резервируют друг друга, то вероятность безотказной работы структуры будет равна. Реальная надежность такой структуры будет находиться между надежностями этих двух крайних ситуаций:

.

Основной недостаток структуры связан с наибольшим (по сравнению с другими структурами) количеством формирующих ее элементов.

8.2 Мультиплицированная структура (с общей образцовой величиной)

В этой структуре производится коллективное преобразование всех n аналоговых сигналов от измерительных цепей за один цикл изменения образцовой величины Xk и при этом могут выполняться операции преобразования обработки и информации.

В мультиплицированных структурах имеется возможность разделения общего количества датчиков n на p групп. Каждая их групп датчиков охватывается своим диапазоном изменения образцовой величины (рис. 6). На выходе устройств сравнения в момент равенства измеряемой величины и известного текущего значения Xk образцовой величины появляются сигналы, позволяющие получать результаты преобразования.

Рис. 6. Измерение n величин, разделенных на p групп

Устройство формирования образцовой величины может генерировать линейно зависящую от времени функцию. Тогда в мультиплицированной структуре производится, по существу, время-импульсное преобразование измеряемых величин. Если генерируется ступенчато нарастающая функция, то существенно упрощается получение цифрового результата измерения. Если образцовая величина формируется в зависимости от линейного или углового перемещения какого-то задающего устройства, то упрощаются возможности представления результатов измерения в графическом виде.

8.3 Структура параллельно-последовательного действия (многоточечная)

Наиболее типичная и распространенная ситуация, в которой используются структуры параллельно-последовательного действия, состоит в необходимости получения измерительной информации о заданном количестве однородных или разнородных величин, воспринимаемых с помощью датчиков.

8.4 Структура последовательного действия (сканирующие системы)

В структурах последовательного действия операции получения информации выполняются последовательно во времени с помощью одного канала аналого-цифрового преобразования. Если измеряемая величина распределена в пространстве или объектом измерения являются собственно координаты некоторой точки или области пространства, то восприятие информации в таких структурах выполняется с помощью одного так называемого сканирующего датчика.

Сканирующие структуры могут классифицироваться по количеству измеряемых величин. Они могут выполнять операции аналого-цифрового преобразования места расположения некоторой точки на прямой линии, точки или кривой на плоскости или в пространстве. В качестве системы координат могут быть использованы различные, в том числе нелинейные, системы.

Сканирующие датчики могут быть выполнены таким образом, что они при выполнении операций восприятия информации входят в непосредственный контакт с исследуемым параметром или областью сканирования либо воспринимают измеряемые величины при отсутствии непосредственного контакта. Примерами контактных датчиков могут служить термопары или термометры сопротивлений, бесконтактных - радиационные пирометры.

Сканирование путем перемещения контактного датчика вдоль объекта измерения широко используется при геофизических исследованиях, в океанологических исследованиях.

Дистанционное сканирование с помощью бесконтактных датчиков с постоянным полем их восприятия применяются в радиолокационных системах измерения дальности, в ультразвуковой дефектоскопии, при измерении параметров тепловых полей по инфракрасному излучению.

9. ИВК

Важной разновидностью ИИС является измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) - функционально объединенная совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи. Основными признаками ИВК являются:

наличие процессора или компьютера;

программное управление средствами измерений;

наличие нормированных метрологических характеристик;

блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.

Техническая подсистема должна содержать средства измерений электрических величин (измерительные компоненты), средства вычислительной техники (вычислительные компоненты), меры текущего времени и интервалов времени, средства ввода-вывода цифровых и аналоговых сигналов с нормированными метрологическими характеристиками.

В программную подсистему ИВК входят системное и общее прикладное программное обеспечение (ПО), в совокупности образующие математическое обеспечение ИВК. Системное ПО представляет собой совокупность ПО компьютера, используемого в ИВК, и дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме, управлять измерительными компонентами; обмениваться информацией внутри подсистем комплекса; проводить диагностику технического состояния. ПО представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих:

типовые алгоритмы эффективного представления и обработки измерительной информации, планирования эксперимента и других измерительных процедур;

архивирование данных измерений;

метрологические функции ИВК (аттестация, поверка, экспериментальное определение метрологических характеристик и т.п.).

Большое значение имеет эффективное и наглядное построение экранных форм и управляющих элементов (интерфейса пользователя). Эффективность интерфейса заключается в быстром, насколько это возможно, развитии у пользователей простой концептуальной модели взаимодействия с комплексом. Другими важными характеристиками интерфейса являются его конкретность и наглядность, что обеспечивается с помощью последовательно раскрываемых окон, раскрывающихся вложенных меню и командных строк с указанием функциональных клавиш.

Измерительно-вычислительные комплексы предназначены для выполнения таких функций, как:

осуществление прямых, косвенных, совместных или совокупных измерений физических величин;

управление процессом измерений и воздействием на объект измерений;

представление оператору результатов измерений в требуемом виде.

Для реализации этих функций ИВК должен обеспечивать:

восприятие, преобразование и обработку электрических сигналов от первичных измерительных преобразователей;

управление средствами измерений и другими техническими компонентами, входящими в состав ИВК;

выработку нормированных сигналов, являющихся входными для средств воздействия на объект;

оценку метрологических характеристик и представление результатов измерений в установленной форме.

9.1 Классификация ИВК

По назначению ИВК делятся на типовые, проблемные и специализированные.

Типовые комплексы предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или исследований независимо от области применения.

Проблемные комплексы разрабатываются для решения специфичной для конкретной области применения задачи автоматизации измерений.

Специализированные ИВК предназначены для решения уникальных задач автоматизации измерений, для которых разработка типовых и проблемных комплексов экономически нецелесообразна.

9.2 Состав ИВК

Основными составными частями комплекса являются (рис. 7):

компьютер с периферийными устройствами, подключенными к нему;

ПО, представляющее собой совокупность взаимосвязанных программ, написанных на алгоритмических языках разного уровня;

интерфейс, организующий связь технических устройств ИВК с компьютером;

формирователь испытательных сигналов, которыми воздействуют на объект измерения с целью получения измерительных сигналов. Каждый такой сигнал вырабатывается с помощью последовательно соединенных ЦАП и преобразователя «напряжение - испытательный сигнал» (ПНИС);

измерительные каналы (ИК), предназначенные для преобразования в цифровой код заданного числа сигналов (K - для первого ИК и L - для N-го ИК). Структура ИК существенно зависит от решаемой задачи. Однако практически в любом случае каждый из них содержит аналоговый измерительный преобразователь (АИП) и АЦП. При обработке нескольких измерительных сигналов одним АЦП в состав комплекса включается коммутатор, предназначенный для поочередного подключения сигналов к входу АЦП. Коммутатор может включаться как после АИП (ИК 1), так и перед ним (ИК N).

Рис. 7. Структурная схема ИВК

АИП предназначен для преобразования измерительного сигнала в сигнал, однородный с входным сигналом АЦП (в напряжение), и масштабирования (усиления или ослабления) его до уровня, необходимого для проведения операции аналого-цифрового преобразования с минимальной погрешностью. При наличии нескольких измерительных сигналов (K сигналов в ИК 1) АИП состоит из K независимых последовательно соединенных первичных преобразователей и управляемых компьютером масштабируемых усилителей. Если же измерительные сигналы являются однородными физическими величинами и могут быть поочередно выбраны (скоммутированы), то в ИК целесообразно использовать только один АИП (ИК N). Он последовательно во времени проводит преобразование измерительного сигнала и последующее его масштабирование.

АЦП преобразует сигнал в цифровой код и передает его в компьютер. Работой всей аппаратной части ИВК управляет компьютер посредством подачи управляющих сигналов различного рода, а также считывания и передачи по требуемым адресам цифровой информации (сигналы «Данные» и «Адрес»).

По команде оператора выбирается тот или иной режим работы ИВК из числа реализованных в ПО. Компьютер считывает цифровой код, описывающий заданное изменение во времени каждого из М испытательных сигналов, и в виде двоичного цифрового кода записывает в ОЗУ формирователя испытательных сигналов. Оттуда эти коды последовательно во времени циклически поступают на вход каждого из ЦАП. Формируемые на их выходах напряжения с помощью ПНИС преобразуются в требуемые физические величины, воздействующие на объект измерения.

Измерительные сигналы, представляющие собой отклик объекта измерения на испытательные воздействия, преобразуются в измерительных каналах в двоичный цифровой код и считываются компьютером. Полученные коды обрабатываются по заданным алгоритмам, в результате получается искомая измерительная информация.

В качестве примера можно рассмотреть ИВК, который предназначен для измерения магнитных характеристик и параметров прецизионных сплавов и электротехнических сталей. Структурная схема автоматизированного магнитоизмерительного комплекса (АМК) показана на рис. 8.



Рис. 8. Структурная схема автоматизированного магнитоизмерительного комплекса

Интерфейс комплекса, используя сформированные в управляющем компьютере сигналы системной шины ISA, организует цифровую часть внутренней шины комплекса, состоящую из 16-разрядной шины данных, 14 радиальных адресных линий, двух линий для передачи сигналов, управляющих чтением и записью; 14 внутренних адресов АМК выбираются из разрешенных адресов компьютера, зарезервированных для внешних устройств. С помощью сигналов, передаваемых по внутренней шине, организуется работа всех модулей комплекса.

Синхронизацию работы комплекса обеспечивает программно-управляемый таймер, реализующий метод цифровой фазовой автоматической подстройки частоты. Он формирует два синхронизирующих сигнала: меандры с частотой перемагничивающего сигнала f и f/256. Последний обеспечивает дискретизацию перемагничивающего и измеряемых сигналов на N=256 точек. Таймер позволяет программно задавать частоту перемагничивающего сигнала в диапазоне от fmin= 20 Гц до fmax=5120 Гц. Погрешность установки частоты не превышает 0,05%.

Для измерения параметров и характеристик испытуемый магнитный материал необходимо перемагнитить. Это осуществляется подачей испытательного сигнала - напряжения. При измерении параметров должен быть обеспечен заданный режим перемагничивания, т.е. определенный закон изменения магнитной индукции в испытуемом образце. По ГОСТ 12119-80 при измерении удельных потерь индукция в испытуемом образце должна изменяться по синусоидальному закону, причем коэффициент гармоник не должен превышать 2%.

Испытательные сигналы в АМК формируются источником перемагничивающего сигнала (ИПС), состоящим из ЦАП, усилителя мощности (УМ) и аттенюатора (Атт). Формирование перемагничивающего сигнала происходит следующим образом. Компьютер по математической модели, описывающей требуемый сигнал, рассчитывает цифровой код, который представляется в виде массива из N=256 двоичных 12-разрядных чисел. Эти коды записываются в два буферных ОЗУ ЦАП (на рис. 7 не показаны). Из одного такого устройства последовательно во времени с частотой дискретизации fN коды поступают в 12-разрядный ЦАП, где преобразуются в переменное напряжение заданной частоты f и формы. Оно усиливается УМ и через аттенюатор поступает на блок первичных преобразователей (БПП). Аттенюатор предназначен для ступенчатого изменения уровня выходного сигнала в широких пределах, что дает возможность испытывать образцы магнитных материалов различных размеров.

Для формирования заданного закона перемагничивания используются итерационные методы, суть которых состоит в том, чтобы рассчитать и сформировать испытательный сигнал такой формы, при перемагничивании которым магнитная индукция в образце изменялась бы по заданному закону. Процесс формирования занимает во времени несколько тактов - итераций, в течение которых закон изменения магнитной величины последовательно приближается к требуемому. Форма перемагничивающего напряжения задается программно.

Блок первичных преобразователей содержит испытуемый магнитный образец МО с намагничивающей w1 и измерительной w2 обмотками и эталонный резистор R0. Ток с выхода аттенюатора, протекая по намагничивающей обмотке, перемагничивает испытуемый образец.

Переменные напряжения, пропорциональные скорости изменения магнитной индукции и напряженности магнитного поля, поступают на вход измерительного канала, состоящего из коммутатора (Ком), масштабирующего усилителя (МУ) и 12-разрядного АЦП. В канале измеряемое переменное напряжение преобразуется в 256 значений цифрового кода, пропорциональных мгновенным значениям измеряемых напряжений в 256 точках дискретизации, равномерно распределенных по периоду измеряемого напряжения. Полученные массивы цифровых кодов поступают в компьютер, где путем пересчета определяются требуемые магнитные характеристики.

Коммутатор реализует подключение четырех возможных входных сигналов u1…u4. Последние два сигнала u3 и u4 нужны для автоматической калибровки коэффициента передачи масштабирующего усилителя (Е0) и устранения смещения нуля в измерительном канале (нулевой потенциал).

Масштабирующий усилитель осуществляет автоматический выбор одного из восьми пределов измерения. Это делается для того, чтобы его выходной сигнал лежал в диапазоне 5,12…10,24 В, наиболее подходящем для эффективной работы АЦП. Установленный коэффициент передачи усилителя используется в управляющем компьютере для пересчета выходного кода АЦП в напряжение и далее в магнитную величину. Поскольку АЦП преобразует биполярный переменный сигнал, то для учета знака используется старший, двенадцатый разряд выходного кода. В этом случае мгновенное значение j-го (j=1…4) входного напряжения коммутатора

где Uоп - прецизионное постоянное напряжение, используемое в АЦП; kj, kyj - коэффициенты передачи коммутатора и масштабирующего усилителя при измерении j-го входного сигнала; Nj(ti) - мгновенное значение выходного кода АЦП при измерении j-го входного сигнала.

Формулы, по которым компьютер проводит расчет мгновенных значений напряженности поля и скорости изменения магнитной индукции:

Для определения мгновенных значений магнитной индукции используются известные формулы численного интегрирования. Полученные пары [H(ti); B(ti)] описывают множество точек петли гистерезиса. С их помощью можно рассчитать практически любые магнитные характеристики и параметры испытуемого образца.

ПО комплекса написано на языках Паскаль и Ассемблер. Функционально оно может быть разделено на несколько взаимосвязанных частей - подсистем, обеспечивающих ввод/вывод исходной информации об объекте и режимах испытаний, проведение различных режимов испытаний, вывод измерительной информации и ее архивирование, оперативную диагностику состояния комплекса, тестирование блоков комплекса.

Подсистема ввода/вывода исходной информации предназначена для настройки комплекса на измерение свойств конкретного образца при выбранном законе измерения магнитной индукции. Подсистема режимов испытаний является основной и дает возможность проводить: проверку метрологических параметров измерительного канала; установку амплитудных значений индукции и напряженности поля; магнитную подготовку испытуемого образца; измерение кривой намагничивания и кривой потерь; измерение петли гистерезиса и ее характерных точек; построение графиков ранее измеренных зависимостей, хранимых в виде файлов. При измерении всех характеристик имеется возможность выводить данные на диск, принтер, а также получать на экране монитора графики полученных зависимостей. Подсистема тестирования модулей комплекса позволяет контролировать метрологические характеристики ЦАП, АЦП и измерительного канала в целом. Для этого в состав комплекса включен программно-управляемый прецизионный калибратор, состоящий из ЦАП, усилителя (УК) и делителя (ДК) калибратора.

10. Статистические измерительные системы

10.1 Особенности измерения статистических характеристик случайных процессов

Статистический анализ случайных величин и процессов широко применяется во всех отраслях науки и техники.

При экспериментальном измерении характеристик случайных процессов имеется возможность оперировать с временной реализацией xi(t), ансамблем реализаций {xi(t)}i=1,2,…m при 0 t Т или ансамблем реализаций {xi(tj)}i=1,2,…m, взятых в определенный момент времени tj (рис.9).

Рис. 9. Реализация случайного процесса

Случайные процессы могут быть заданы в непрерывном или в квантованном по времени виде. В последнем случае функция задается выборкой N дискретных значений непрерывной функции, взятых через определенный интервал времени t.

При анализе ансамбля реализаций получается наиболее полная информация о случайном процессе. В ряде практически важных случаев можно ограничиться определением характеристик случайного процесса по одной его реализации или по ансамблю значений - это оказывается возможным, если случайный процесс является стационарным.

Элементарное измерение характеристик стационарных процессов

Полученные в результате измерения эмпирические характеристики случайных процессов принято называть оценками истинных характеристик Q*. Эти оценки сами по себе являются случайными величинами. Поэтому при планировании статистического измерительного эксперимента необходимо решать задачи получения оценок характеристик с заданной погрешностью при ограничениях, накладываемых на объем исходных данных, на время измерения, на возможности аппаратуры и т.п.

Оценки характеристик должны быть состоятельными, несмещенными и эффективными. Состоятельной называется оценка, отклонения значения которой от оцениваемой величины при увеличении объема статистического материала N стремиться к нулю, т.е. . Оценка называется несмещенной, если разность ее математического ожидания и истинного значения оцениваемой величины приближается к нулю, т.е. фактически при этом требуется, чтобы отсутствовала систематическая погрешность. Смещение оценки Q* определяется как . Оценка называется эффективной, если несмещенная оценка обладает наименьшей дисперсией: . Погрешность оценки Q* обычно определяется доверительной вероятностью Р и доверительным интервалом :

.

Типовой алгоритм измерения характеристик стационарного случайного процесса по его реализации x(t) может быть представлен в следующем виде:

где H[x(t)] - соответствующее данной оценке преобразование исследуемого процесса. Если x(t) представлено в виде непрерывной функции, что типовой алгоритм реализуется в интегральном виде:

если же исследуемый процесс представлен в виде N дискрет, то

где t - интервал равномерного квантования x(t) по времени.

Результат преобразования при измерении математического ожидания H[x(t)] равен

дисперсии

дискрет корреляционной функции

Большинство характеристик, получаемых по описанному алгоритму, состоятельны, несмещенны и эффективны. Исключение составляет оценка дисперсии, и для устранения смещенности она должна быть представлена в виде:

.

Основными источниками методической погрешности при реализации этого алгоритма являются конечное время анализа T=Nt или конечный объем выборки N=T/t, квантование x(t) по уровню и способ статистических функций по измеренным их дискретам.

Чаще всего при статистическом анализе используются законы распределения вероятностей.

10.2 Системы для измерения законов распределения вероятностей случайных процессов

Одномерный интегральный закон, или интегральная функция распределения вероятностей, определяется вероятностями нахождения исследуемого процесса ниже уровня х, который может изменяться от - до +: F(x)=p[- x(t) x] (рис. 10). По определению F(-)=0 и F(+)=1.

Рис. 10. Функция распределения вероятностей



Рис. 11. Плотность распределения вероятностей

Двумерный интегральный закон распределения вероятностей стационарного случайного процесса x(t) определяется вероятностями нахождения x(t) и x(t+) ниже уровней х1 и х2:

Одно- и двумерные дифференциальные законы распределения вероятностей случайного процесса x(t) - плотности распределения вероятностей (рис. 11) - определяются следующими выражениями:

Определение вероятностей Р[x(t) x] и Р[x x(t) x+dx] можно производить путем суммирования отрезков времени, в течение которых выполняются указанные неравенства, и отнесения полученной суммы ко времени наблюдения:

для функции распределения

для плотности вероятности

Если исследуемый процесс представлен решетчатой функцией (в виде дискрет, размещенных через интервал дискретизации t), то выражения для интегральной функции и плотности распределения примут следующий вид: