11.6 Комплексные средства измерений

11.6.1 Измерительные приборы и установки

Комплексные средства измерений предназначены для реализации всей процедуры измерения. Согласно классификации по роли в процессе измерения и выполняемым функциям, к ним относятся измерительные приборы и измерительные установки, измерительные системы и измери но-вычислительные комплексы.

Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне ее изменения выработки сигнала измерительной информации, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Обобщенная структурная схема измерительного прибора Данный класс СИ включает большое число приборов различающихся измеряемыми величинами, областью применения, техническими характеристиками, принципом действия, используемой элементной базой и ими особенностями. Тем не менее все эти приборы имеют некоторые общие черты. Обобщенная структурная измерительного прибора показана на рис. 11.11. Измеряемая ФВ воздействует на устройство преобразования состоящее из первичного измерительного преобразователя и совокупности элементарных СИ.

Первичный преобразователь преобразует измеряемую ФВ в другую величину, однородную или неоднородную с ней. Сигнал с выхода преобразователя проходит через совокупности элементарных СИ. В простейших измерительных прибоpax такая совокупность может отсутствовать. Например, в аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в угол поворота стрелки с помощью первичного электромеханического ИП.

На выходе устройства преобразования формируется сигнал, параметры которого соответствуют входным характеристикам отсчетного устройства.

Показывающее устройство — совокупность элементов СИ, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины и связанных с ней величин. По форме представления показаний показывающие устройства делятся на аналоговые и цифровые.

Составными частями устройства являются шкала указатель. Шкала — это часть показывающего устройства, представляющая собой ряд отметок, соответствующих последовательному ряду значений величины вместе со связанной с ними нумерацией. Шкала наносится прямолинейном участке или дуге окружности. Отметка шкалы — это знак на шкале СИ (черточка, зубец и т.д.), соответствующий некоторому значению ФВ. Для цифровых шкал сами числа являются эквивалентами меток шкалы. Отметки на шкалах могут быть нанесены равномерно или неравномерно. В связи с этим шкалы называют равномерными и неравномерными. Практически равномерной считается шкала, длины делений которой отличаются не более чем на 30% и имеют постоянную цену деления. Промежуток между двумя соседними отметками шкалы средства измерений называется делением шкалы. Длиной деления шкалы называется расстояние между осями или центрами двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы. Длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы СИ и ограниченная начальной печной отметками, называется длиной шкалы. Линия может быть реальной или воображаемой, кривой или ямой.

Отметка шкалы СИ, у которого проставлено число отсчета, называется числовой отметкой шкалы. Отметки облегчают оператору считывание показаний прибора, которое производится по положению указателя относительно отметок шкалы. Деления шкалы имеют цену. Цена деления шкалы — это разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы СИ. Отметки наносятся на шкалу при градуировке прибора, т. е. при подаче на его вход сигнала с выхода образцовой многозначной меры. У части отметок шкалы проставляются числовые значения величины, подаваемой с выхода меры. Эти отметки становятся числовыми.

Указатель — часть отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показания измерительного прибора. Указатель выполняется виде подвижных стрелок разной формы (клиновидной, ножевидной и др.), луча света, пера самописца и т.п.

Шкала СИ имеет начальное и конечное значения. Они соответствуют наименьшему и наибольшему значениям измеряемой величины, которые могут быть отсчитаны по шкале СИ. Например, для медицинского термометра начальное значение шкалы равно 34,3°С, а конечное - 42°С. При измерении с показывающего устройства считывается показание. Каждое СИ характеризуется диапазонам показаний и диапазоном измерений. Диапазоном показаний называется область значений шкалы СИ, ограниченная ее начальным и конечным делениями. Так, для медицинского термометра диапазон показаний составляет 7,7°С, Диапазоном измерений называется область значений, в пределах которой нормированы допускаемые погрешности СИ. Значения величины, ог-ничивающие диапазон снизу и сверху (слева и справа), называются соответственно нижним и верхним пределами измерений. Диапазон измерений всегда меньше или равен диапазону показаний.

Классификация измерительных приборов. Для учета всех особенностей многообразных измерительных приборов применяют классификацию по различным признакам. По форме индикации измеряемой величины различают измерительные приборы:

• показывающие, которые допускают только отсчитывание показаний измеряемой величины, например стрелочный или цифровой вольтметр;

• регистрирующие, предусматривающие регистрацию показаний на том или ином носителе информации, например на бумажной ленте. Регистрация может производиться в аналоговой или цифровой форме. Различают самопишущие и печатающие приборы.

По методу преобразования измеряемой величины различают приборы прямого, компенсационного (ypaвновешивающего) и смешанного преобразования.

По назначению измерительные приборы делятся амперметры, вольтметры, омметры, термометры, гигрометры и т.д.

По форме преобразования используемых измерительных сигналов приборы подразделяют на аналоговые цифровые.

Аналоговые приборы — это приборы, показания выходной сигнал которых является непрерывной функцией изменения измеряемой величины. Идеализированное уравнение преобразования линейных аналогом измерительных приборов имеет вид

Y=KX, (11.5)

где X — измеряемая величина; Y, К — показание коэффициент преобразования прибора соответственно Следует отметить, что большинство измерительных приборов являются линейными.

Цифровые приборы — это приборы, принцип дейсвия которых основан на квантовании измеряемой пропорциональной ей величины. Показания таких приборов представлены в цифровой форме. Наличие операции квантования приводит к появлению у цифровых приборов специфических свойств, обуславливающих сущестственные различия в методах выбора, анализа, описания и нормирования MX по сравнению с аналоговыми приборами [31].

В процессе квантования бесконечному множеству и значений измеряемой величины ставится в соответствие конечное и счетное множество возможных показаний цифрового прибора. Их число определяется схемой аналого-цифрового преобразователя, выполняющего в цифровом приборе операцию квантования. Одновременно с квантованием, как правило, осуществляется дискретизация времени измерительных сигналов, Квантование и дискретизация рассмотрены в разд. 10.5. Структурная схема цифрового прибора показана на рис. 11.12.

Измеряемая физическая величина X воздействует на первичный измерительный преобразователь (ПП), имеющий коэффициент преобразования К_пп. Он преобразует величину X в электрический сигнал, в качестве которого используется главным образом напряжение. В рассматриваемом случае U = К_ппХ. Это напряжение в свою очередь поступает на масштабный измерительный преобразователь (МП), необходимый для изменения пределов измерения цифрового прибора. Он может иметь разное число диапазонов измерения: от 1 до N_п Диапазон изменения измеряемой величины X разбивается на N_п поддиапазонов: X_lmin,…, X_1max; X_2min,..., Х_{2 max}; X_Nmin,…, X_Nmax, где X_imin,..., X_imax — минимальные и максимальные точки i-го диапазона измерений.

Среди диапазонов измерения выбираются основной и дополнительные. Основным считается тот диапазон в котором измеряемая величина претерпевает наименьшее число преобразований на пути от входа прибора до входа АЦП. Все остальные диапазоны считаются дополнительными. На практике возникают ситуации, когда выделить основной диапазон по указанным признакам невозможно. В этом случае в качестве основного выбирают диапазон с наименьшими пределами допускаемых погрешностей или устанавливают его по соглашению.

Масштабный преобразователь так изменяет (уменьшает или увеличивает) входное напряжение в заданное число К_i раз (i=l; 2;...; N_п), чтобы сигнал u_н на его Я де был нормирован, т. е. его значение находилось в заданных пределах. Как правило, стараются обеспечить выполнение условий, при которых пределы изменения нормированного напряжения совпадают с большей частью допустимого диапазона изменения входного сигнала АЦП при всех возможных значениях измеряемого сигнала. Это позволяет минимизировать погрешности вносимые АЦП.

Нормированное напряжение u_н = К_iК_ппХ преобразуется АЦП в цифровой код N, имеющий разность R_AЦП. АЦП, как правило, выполняется однопредельным рассчитанным на один фиксированный диапазон изменения входного сигнала u_н.

Важной характеристикой цифрового прибора является метод преобразования аналоговой измеряемой личины в ее цифровой эквивалент, реализованный в АЦП. Принято отождествлять принцип действия цифрового измерительного прибора с принципом действия АЦП, входящего в его состав. В настоящее время разработано и используется в средствах измерения большое число различных методов преобразования.

Метрологические свойства АЦП и цифрового прибора в целом существенно зависят от номинальной ступени квантования АЦП, равной

где N_mах N_min — максимальное и минимальное значения выходного кода АЦП; — значения входного напряжения АЦП, соответствующие N_max и N_min

При использовании двоичного цифрового кода максимальное число возможных выходных кодовых комбинаций

Уравнение преобразования АЦП в общем случае имеет вид

Полученный двоичный цифровой код N поступает в цифровое отсчетное устройство (ОУ). Они выполняются в виде цифровых табло, дисплеев, основанных на различных физических принципах. Важной характеристикой является его разрядность — число полных десятичных разрядов, которые индицируются цифрами от 0 до 9. Цифровые ОУ, позволяющие индицировать еще один дополнительный разряд, но не полностью, называются отчетными устройствами с расширенным диапазонам измерений. Их разрядность обозначается в виде R_оу1\2. Это означает, что устройство имеет R_oy полных разрядов и один неполный. В нем, как правило, может индироваться только 0 или 1.

Разрядность ОУ определяет разрешающую способность цифрового прибора, выражаемую в значении (ЕМР) показаний прибора. Для приборов с обычным и расширенным диапазонами измерений она соответственно равна

; ;

где X_jmax — максимальное значение измеряемой величины X на i-м диапазоне измерения.

В соответствии с уравнением преобразования АЦП функция преобразования цифрового прибора, связывающая измеряемую величину X с показаниями Y, представленными в единицах величины X, имеет вид

Y = q_XiN = q_xiint[(K_nnK_iX)/q]=q_xiint(X/q_xi), (11.6)

где q_Xj = q/(K_iК_пп) — номинальная ступень квантования (квант) измеряемой величины X на i-м диапазоне измерения. Размерность кванта q_Xi равна размерности X, а его величина определяет предельно достижимую точность измерения данным цифровым прибором.

Размер номинальной ступени квантования q_Xi зависит от того, на каком диапазоне производится измерение. Квант q_xi определяется значениями крайних точек диапазона измерения и максимальным числом возможных выходных кодовых комбинаций М:

Размер номинальной ступени квантования на i-м диапазоне измерения обычно выбирается равным единице младшего разряда этого диапазона.

Согласно (11.6), каждому из возможных показаний Y_i (i=1,..., М) ставится в соответствие подмножество [X_Ll;Х_Ri] значений измеряемой величины, где X_Ll;Х_Ri- левая и правая границы i-ro подмножества, причем X_Ll;Х_Ri =q_Xi Функция преобразования цифровом' прибора (11.6) имеет вид ступенчатой кривой с разрывами в точках X_L, и X_R, для iє(l; М) (рис. 11.13, а). Эта кривая должна наилучшим образом приближаться к прямой, которая задается уравнением Y = Х (прямая 1 на рис. 11.13, и б), описывающим идеальную ситуацию: показания СИ равны измеряемой величине. Под наилучшим принижением понимается такое положение ступенчатой кривой, при котором абсолютные отклонения ее от прямой 1 минимальны, т. е.

|X-X_Li|<0,5_qxi; |Х-Х_Ri|<0,5_RХi.

Одна из таких возможных кривых показана на рис. В, 13, б. Она описывается уравнением

(11.7)

В пределе, при стремлении кванта к нулю, оно переходит в уравнение

Y = X. Это свидетельствует о существовании тесной взаимосвязи теории погрешностей аналоговых и цифровых СИ (31)

Функции (11.6) и (11.7) не совпадают в точности с уравнением Y = X, так как условие q_Xi= 0 на практике не выполнено. Поэтому даже идеальный АЦП обладает погрешность, которая обусловлена самим принципом аналого-цифрового преобразования. Эта погрешность относится к разряду методических и называется погрешностью квантования. С учетом (11.7)

Δ= Y - X = q_Xi[O,5sign(X)q_xj - frac(X/_qxj)],

где frac (X) — функция, выделяющая дробную часть числа X. Полученная функция показана на рис. 11.13, б. Погрешность квантования для функции (11.6) Δ=-q_xjfrac(X/_qxj)],показана на рис. 11.13, а.

Функции преобразования идеального и реального цифровых приборов отличаются тем, что последняя может иметь смещение относительно нулевой точки, и тем, действительный размер ступени квантования может отличаться от номинального и быть непостоянным.

Измерительная установка (ИУ). Совокупность функционально объединенных СИ (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств предназначенная для выработки сигналов информации в удобной для непосредственного восприятия

наблюдателем форме и расположенная в одном месте называется измерительной установкой.

Измерительную установку, предназначенную для испытания каких-либо изделий, называют испытательным стендом (например, для измерения удельного сопротивления электрических материалов, испытания магнитных материалов). Измерительную установку с включенными в нее эталонами, применяемую для проверки СИ, называют проверочной установкой (например, установка для проверки вольтметров). Некоторые большие ИУ, используемые главным образом в машиностроении, называют измерительными машинами (например, силоизмерительная машина, делительная машина).

11.6.2. Измерительные системы и измерительно-вычислительные комплексы

Усложнение современного производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерять и контролировать одновременно сотни и тысячи различных физических величин. Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в восприятии и обработке больших объемов информации стала одной из причин появления таких СИ, как измерительной системы. Измерительные системы – это совокупность функционально объединенных СИ, 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.

Важной их разновидностью является информационно-измерительные системы (ИИС), предназначенные для представления измерительной информации в виде, необходимом потребителю.

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 меняются 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.

Наиболее перспективным методом 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 устроивами. Применительно к ИИС существует пять видов совместимости:

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

• конструктивная, обеспечиваемая согласовании 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 xaрактеристик блоков по надежности и стабильности, а также характеристик, определяющих влияние внешних факторов.

Связь между блоками системы и их совместимость устанавливается посредством стандартных интерфейсов. Под интерфейсом понимается совокупность механических, электрических и программных средств, позволяющих объединять блоки в единую систему.

Важной разновидностью ИИС является измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) — функционально объединенная совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи. Основными признаками принадлежности средства измерений к 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 СИ 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 программного обеспечения 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. Программное обеспечение 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 называемых интерфейсом пользователя, обеспечивающим взаимодействие оператора с компьютером. 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 клавиш.

ИВК предназначены для выполнения таких функций, как:

• осуществление прямых, косвенных, совместна или совокупных измерений физических величин;

• управление процессом измерений и воздействием на объект измерений;

• представление оператору результатов измерений 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 ИНК,

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

• оценку метрологических характеристик и предствление результатов измерений в установленной форме.

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 контактной области применения задачи автоматизации измерений. Специализированные ИВК предназначены для решения уникальных задач автоматизации измерений, для котоорых разработка типовых и специализированных комплексов экономически нецелесообразна.

Основными составными частями комплекса являются (рис. 11.14):

• компьютер с периферийными устройствами, подключенными к нему, в том числе и посредством компьютерной сети;

• программное обеспечение, представляющее собой совокупность взаимосвязанных программ, написанных ритмических языках разного уровня;

• нтерфейс, организующий связь технических устройств с компьютером;

• формирователь испытательных сигналов, которыми действуют на объект измерения с целью получения измерительных сигналов. Каждый такой сигнал мер, на рис. 11.14 это i-й 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 (К - для первого ИК и L — для N-ro ИК). Структура ИК существенно зависит от решаемой задачи. Однако практичетки в любом случае каждый из них содержит аналоговый измерительный (АИП) и аналого-цифровой преобразователи. 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 (ИК1 на рис. 11.14), так и перед ним (ИК N на рис. 11.14)

Назначение АИП состоит в преобразовании измерительного сигнала в сигнал, однородный с входным сигналом АЦП (т. е. в напряжение), и масштабировании (усилении или ослаблении) его до уровня, необходимого для проведения операции аналого-цифрового преобразования с минимальной погрешностью. При наличии нескольких измерительных сигналов (К сигналов в ИК1 на рис. 11.14) АИП состоит из К 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 (рис. 11.14 — ИК N). Он последовательно во времени проводит преобразование измерительного сигнала и последующее его масштабирование.

Помощью АЦП сигнал преобразуется в цифровой код и передается через интерфейс в компьютер. Работой всей аппаратной части ИВК управляет компьютер.Это осуществляется посредством:

• подачи управляющих сигналов различного рода;

• считывания и передачи по требуемым адресам цифровой информации (сигналы «Данные» и «Адрес» на рис. 11.14). Под «Адресом» понимается уникальный цифровой код, присвоенный конкретному блоку ИВК или его части и позволяющий компьютеру через интерфейс однозначно идентифицировать данный блок.

По команде оператора выбирается тот или иной режим работы ИВК из числа реализованных в программном обеспечении. Компьютер рассчитывает цифровой Всыпающий заданное изменение во времени каждого из М испытательных сигналов, и в виде двоичного цифрового кода записывает в оперативные запоминающие устройства формирователя испытательных сигналов (на рис. 11.14 не показаны). Оттуда эти коды последовательно 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.