8.Унифицирующие нормирующие преобразователи

Основное их назначение – приведение аналоговых измерительных сигналов к диапазону стандартных значений, установленных ГОСТ 9895-78 и ГОСТ 26013-81. Применение унифицированных преобразователей делает ИИС более универсальными. С другой стороны, выполнение таких операций унификации, как масштабирование, вносит дополнительную погрешность в результат измерения.

Наиболее распространены унифицирующие преобразователи амплитудно-модулированных (АМ) сигналов. Как уже отмечалось, серийно выпускаются датчики, конструктивно объединённые с унифицирующим преобразователем. Но чаще унифицирующие преобразователи выпускаются как автономные блоки.

Рис.

Унифицирующие преобразователи:

• индивидуальные (связаны с одним датчиком);

• групповые (работают с несколькими цепями измерения).

Для реализации функции “установление нуля” (компенсация аддитивной погрешности датчика) используются специальные схемы. Например, для компенсации температуры холодного спая термопары используется неуравновешенный мост с термозависимым сопротивлением плеча, который позволяет получать смещающие напряжения, учитывающие температуру окружающей среды.

Функция “масштабирование” часто выполняется в схемах с параметрическими датчиками путём изменения напряжения питания датчиков.

Функция “линеаризация” сигналов от датчиков необходима, если шкала входного измерительного преобразователя системы линейна, а сигнал от датчика связан со значениями контролируемого параметра нелинейной зависимостью x=f(Q). Тогда, после линейного преобразования сигналов, в результате которого динамические диапазоны сигнала датчиков и шкалы системы совпадают, необходимо выполнить операцию линеаризации. Это достигается либо программно введением математических поправок на нелинейность сигналов, либо аппаратно с помощью линеаризующих устройств, встроенных в унифицирующие преобразователи, или в АЦП. Чаще всего используют линеаризацию сигналов от датчиков с помощью функциональных преобразователей (диодных цепочек, секционированных реохордов и др.), аппроксимирующих зависимость f(Q) несколькими отрезками прямых линий. При этом зависимость f(Q) приводится к линейной.

Линеаризация может быть реализована также с помощью усилителя с нелинейной обратной связью.

В соответствии с ГОСТами в качестве унифицированных сигналов приняты:

• постоянный ток 0 ÷ 5 мА

-5 ÷ 0 ÷ +5 мА

0 ÷ 20 мА

-20 ÷ 0 ÷ +20 мА

• напряжение постоянного тока 0 ÷ 1 мВ

-10 ÷ 0 ÷ +10 мВ

0 ÷ 10 мВ

-100 ÷ 0 ÷ +100 мВ

-1 ÷ 0 ÷ 1 В

и т.д.

-10 В ÷ 0 ÷ +10 В (чаще всего)

9.Устройства сравнения

Как уже отмечалось ранее, при рассмотрении структуры ИИС, в состав устройств сбора и измерения (блок 1 в структуре ИИС), кроме датчиков, нормирующих (унифицирующих) преобразователей и коммутаторов, входят и измерительные устройства, одной их основных функций которых является операция сравнения с мерой. Эту функцию выполняют специальные устройства сравнения. Эти устройства сравнивают контролируемые величины с верхним и нижним допустимыми значениями, задаваемые с помощью уставок.

Устройство сравнения может быть предусмотрено для каждой точки контроля или общее на все точки контроля, но в последнем случае последовательно во времени с помощью коммутатора устройство сравнения подключается ко всем точкам контроля. Формирователи уставок могут задавать их либо в непрерывной (аналоговой) форме, либо в цифровой (кодовой) форме. Аналогичное исполнение имеют и соответствующие устройства сравнения (аналоговые и цифровые). В аналоговых системах используют в качестве формирователей уставок магазины напряжений – это наборы заданных источников напряжения. Их характеристики: порог чувствительности, погрешность сравнения, дрейф, быстродействие, входное сопротивление и др.

Принцип сравнения контролируемой величины Ux с допустимыми значениями показан ниже:

Рис.

Если в ИИС предусмотрено АЦ-преобразование величины до её сравнения с уставкой, то устройства сравнения выполняют цифровыми. Их основные технические характеристики: быстродействие (число сравнений в секунду) и разрядность.

Ещё одной функцией, выполняемой в устройстве сбора и измерения ИИС является квантование (дискретизация) по времени. Эта функция является вынужденной, т.к. в большинстве ИИС к одному общему измерительному устройству подключаются поочерёдно различные датчики, поэтому измерение или контроль параметров происходит не непрерывно, а в дискретные моменты времени, а затем, по полученным в эти моменты значениям восстанавливается исходный процесс.

Замену измеряемой величины x(t) рядом её мгновенных значений, следующих через промежутки t называют квантованием по времени (или временной дискретизацией).

Рис.

Интервал t называют шагом дискретизации, а частота f=1/t – называется частотой дискретизации.

Частота дискретизации выбирается, исходя из заданной точности измерения функции: чем больше частота f, тем точнее можно воспроизвести функцию x(t) при её восстановлении.

В соответствии с теоремой Котельникова квантуемую по времени функцию времени x(t), имеющую спектр Фурье, ограниченный полосой частот F, можно представить с помощью дискретных значений, взятых через интервалы времени t=1/2F. Или, другими словами, за время Т должно быть произведено:

отсчётов (дискрет).

Погрешность при такой дискретизации возникает за счёт отличия фактического (бесконечного!) спектра измеряемой функции x(t) от спектра, ограниченного значением F.

Описанный принцип дискретизации по времени основан на использовании в качестве аппроксимирующей функции – тригонометрической функции (разложение в ряд Фурье). Есть и другой способ аппроксимации – степенными полиномами (сплайнами).