5 5 . Обобщенная структурная схема ис. Основные функциональные блоки и типовые структуры. Сравнение характеристик различных структур измерительных систем.
1 – блок управления,
2 – блок формирования тестовых воздействий,
Е – электромагнитные воздействия,
М – механические,
Т – тепловые,
А – акустические,
О – оптические.
3 – первичные измерительные преобразователи (датчики, сенсоры),
4:
- аналоговый преобразователь
- аналоговый преобразователь унифицированный
с нормированным входным сигналом
- коммутатор аналоговых сигналов
- аналоговый компаратор
- функциональный аналоговый преобразователь
- аналоговое запоминающее устройство
- блок аналоговой индикации
- аналоговый канал связи
5:
- аналого-цифровой преобразователь
6:
- блок цифрового преобразования
(обработка)
- микроконтроллер
- мультиплексор цифровой
- цифровой компаратор
- процессор (центральный)
- цифровое запоминающее устройство
- цифровой канал связи
7:
- регистрирующее цифровое устройство
- индикатор
- база данных, архивы
- цифро-аналоговый преобразователь
П
5
араллельная структура (многоканальная) Параллельно-последовательная структура
+ скорость, - дорого, сложно, ненадежно. + дешево, надежно, - быстродействие ниже
Многоточечная структура (коммутационная) Последовательная структура (сканирующая)
+ дешево, надежно, просто, - медленно
Для измерения однородных величин, распределенных в пространстве. Процесс восприятия, считывания информации медленный и ненадежный.
Мультиплицированная структура (с развертывающим уравновешиванием)
Сравнение характеристик
М – мера, линейно возрастающее напряжение, Д – датчики, И – измерительные каналы,
К – коммутаторы, М – образцовая мера, СкУ – сканирующее устройство.
6 6 . Помехоустойчивость измерительных систем. Источники и разновидности помех.
Влияние схемы соединения источника и приемника на помехоустойчивость.
Помехоустойчивость – способность сохранять работоспособность при воздействии помех.
Измерительная система работоспособна, если она обеспечивает требуемую погрешность.
Особенности измерительных систем –малый уровень сигналов, значительные расстояния между источником и приемником сигналов, большое количество источников помех.
Источники помех
Внутренние
блоки питания (импульсные)
изменение сопротивления изоляции
перекрестные связи измерительных цепей
паразитные связи между аналоговой и цифровой блоками аппаратуры.
Внешние природные
атмосферные электрические разряды
электризация частиц пыли, капель дождя…
Внешние индустриальные
энергетические установки и сети
электрооборудование транспорта
сварочные аппараты
радиостанции и сотовые телефоны
промышленные приборы и установки
бытовая техника
Разновидности помех:
по форме и характеру проявления
Регулярные непрерывные
Случайные импульсные
Флуктуационные непрерывные
по механизму проникновения в измерительные цепи
Кондуктивные (утечки)
Паразитные постоянного тока (термо-э.д.с.)
Через общие цепи(контуров заземления)
Наводки электрические (емкостные)
Наводки электромагнитные (индуктивные)
по влиянию на сигнал
Аддитивные
Мультипликативные
Источник сигнала
Характер и уровень помех зависит:
от вида источника сигнала – источник напряжения или тока
от выхода источника сигнала - заземленный или плавающий
И
6
сточники сигнала (датчики температуры, давления, веса, влажности и др.) могут быть заземленными или незаземленными. Примерами незаземленных (плавающих) источников сигнала являются батарейки, источники сигнала с батарейным питанием, термопары, изолированные операционные усилители, пьезоэлектрические датчики. Сигналом в этих случаях является разность потенциалов между выводами источника (V1). Потенциал выводов источника относительно "земли " (Vc )является паразитным (синфазная помеха) и не должен влиять на результат измерений. У заземленного источника сигнала один из выводов заземлен и напряжение второго вывода измеряется относительно "земли". Заземленный источник можно получить из плавающего, если один из его выводов заземлить. Однако обратную операцию выполнить достаточно сложно, поскольку сам принцип построения датчика или схемы преобразования измеряемой физической величины в напряжение часто не позволяет сделать это. Поэтому плавающие источники, как правило, конструктивно и схемотехнически сложнее, чем заземленные.Источники сигнала могут быть не только источниками напряжения, но и источниками тока. Источники тока также могут быть заземленными или плавающими.
Приемник сигнала
Характер и уровень помех зависит от:
-входного сопротивления приемника сигнала
-
типа
входной цепи – дифференциальная
(симметричная) или несимметричная
Несимметричный приемник
Симметричный приемник сигнала
-изолированный (плавающий) вход
-неизолированный вход
Приемник с неизолированным дифференцированным входом
Приемник сигнала (например, система сбора данных) может принимать (измерять) сигнал относительно "земли" или относительно второго входа. В первом случае приемник сигналов называется приемником с одиночным (недифференциальным) входом, во втором случае -дифференциальным приемником сигнала.
Дифференциальный приемник сигнала измеряет разность потенциалов между двумя проводниками. Потенциалы отсчитываются относительно общего провода приемника (относительно "земли" приемника). Таким образом, дифференциальный приемник сигналов имеет три входа: два сигнальных и один общий ("земля"). Важно отметить, что, с точки зрения помех, "земля" источника и приемника сигнала имеет разные потенциалы, то есть это фактически разные "земли".
Дифференциальные приемники могут быть двух типов: построенные на основе изолированного (плавающего) источника питания или на основе схемы вычитателя, позволяющего определить разность потенциалов между двумя узлами электрической цепи (дифференциальный сигнал). Примерами приемников первого типа являются тестеры, система сбора данных с компьютером типа "ноутбук" или малогабаритный осциллограф с батарейным питанием. Примерами дифференциальных приемников на основе вычитателя являются схемы, построенные на базе инструментального дифференциального усилителя с большим коэффициентом подавления синфазного сигнала.
Неидеальность дифференциальных приемников заключается в том, что на ряду с дифференциальным сигналом на выход приемника попадает и ослабленный синфазный сигнал. Коэффициент передачи синфазного сигнала меньше, чем дифференциального, в некоторое число раз, которое называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала KR . Коэффициент ослабления синфазного сигнала зависит от частоты. Наибольший интерес для систем промышленной автоматизации представляет коэффициент подавления синфазного сигнала с частотой 50 Гц, который появляется как электромагнитная наводка от электрической сети 220/380 В.
Напряжение на выходе дифференциального приемника сигнала можно записать в виде:
VO= K0 ( V1-V2 ) + 0,5KR (V1+V2)
Здесь Vc = (V1 + V2 ) / 2 -синфазное напряжение, K0 -дифференциальный коэффициент усиления.