Проэктирование.Вопросы+книга / 43

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ, СИСТЕМ

И

ИЗМЕРИТЕЛЬНОВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Конспект лекций для студентов специальности

Авиационные приборы и ИВК

Сост. В. Н. Шивринский

Ульяновск

2009

УДК 681.518.3(076) ББК 34.9я73

П 55

Рецензент профессор кафедры «Вычислительная техника» факультета информационных систем и технологий Ульяновского государственного технического университета доктор технических наук В. Н. Негода

Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета

Проектирование приборов, систем и измерительно-вычислительных

П55 комплексов : конспект лекций для студентов специальности 20010365

/сост. В. Н. Шивринский. – Ульяновск : УлГТУ, 2009. – 116 с.

Конспект лекций составлен в соответствии с рабочими программами курсов «Основы проектирования приборов и систем» и «Проектирование измерительновычислительных комплексов»; знакомит студентов с устройством различных измерительных информационных систем, принципами их построения и применения, методами проектирования.

Приведенный материал предназначен студентам для самостоятельного изучения дисциплин, а также преподавателям, ведущим занятия по аналогичным предметам.

Методические указания подготовлены на кафедре ИВК.

УДК 681.518.3(076) ББК 34.9я73

В. Н. Шивринский, составление, 2009Оформление УлГТУ, 2009

2

обрести знания об основных структурах, алгоритмах работы, характеристиках измерительно-вычислительных комплексов авиационных приборов и информационных измерительных систем. Объем этих знаний должен быть достаточным для оценки метрологических характеристик, выбора и организации совместной работы функциональных блоков приборов и информационных систем конкретного применения.

Лекции являются основной и эффективной формой учебного процесса в высшей школе. Лектор обращает внимание студентов на исходные положения, на принципиальные стороны, относящиеся к тому или иному вопросу.

Конспект лекций предназначен студентам для глубокой самостоятельной проработки, а также преподавателям, ведущим занятия по аналогичным дисциплинам.

Глава 1. Основные термины и определения

Введение

Измерительная техника является важнейшим фактором научного и технического прогресса во всех областях народного хозяйства. Электроизмерительная техника, как часть измерительной техники, имеет особое значение благодаря широким возможностям, которые делают ее универсальной.

Электрическими методами измеряются практически все физические величины – электрические и неэлектрические. Диапазон измеряемых физических величин довольно велик: силы тока – от 10-16 А до сотен тысяч ампер; напряже-

ния – от 10-9 В до десятков миллионов вольт; сопротивления – от сотых долей микроома до 1016 Ом и т. д.

Разнообразны условия измерений – от благоприятных условий метрологических лабораторий до очень тяжелых промышленных, полевых, транспортных. Различны и требования к точности результатов измерений. Еще сравнительно недавно измерения электрических величин с погрешностями, не превышающими 0,1-0,01%, производились только в лабораторных условиях. В настоящее время такая точность необходима и при промышленных измерениях.

Проникновение микропроцессоров в измерительную технику улучшило многие характеристики средств измерений, придало им новые свойства. С помощью микропроцессорных систем достигаются многофункциональность приборов, упрощение управления измерительной процедурой, автоматизация регулировок, самокалибровка и автоматическая поверка, улучшение метрологических характеристик, выполнение вычислительных операций, статистическая обработка результатов наблюдений, создание программируемых, полностью автоматизированных приборов.

В современной промышленности для оптимального управления технологическими процессами требуется получение информации о большом числе параметров объектов, а также оперативная обработка этой информации. Это привело к появлению и развитию сложных систем, предназначенных для автоматиче-

4

ского сбора и переработки информации. Такие системы получили название измерительных информационных систем (ИИС).

5

Предмет курса, понятие «измерение»

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении – индивидуальное для каждого объекта. Например, электрическое напряжение – это свойство в качественном отношении общее для всех источников электрической энергии

– от гидроэлектростанции до батарейки наручных часов; в количественном отношении напряжения источников различны.

Значение физической величины – оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Например, значение напряжения (не «величина напряжения»!) 220 В. Число 220 называется числовым значением, В – вольт – единица напряжения.

Истинное значение физической величины – значение физической величины,

которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство данного объекта. Истинное значение практически недостижимо.

Действительное значение физической величины – значение, полученное экспериментальным путем и настолько приближенное к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено значение 1. Единицы физических величин делятся на основные, выбираемые произвольно при построении системы единиц, и производные, образуемые в соответствии с уравнениями связи с другими единицами данной системы единиц.

Система единиц физических величин – совокупность основных и производ-

ных единиц, относящаяся к некоторой системе величин. В нашей стране действует ГОСТ 8.417-81 «Единицы физических величин», которым установлено обязательное применение Международной системы единиц СИ, принятой в 1960 году 11 Генеральной конференцией по мерам и весам.

Проектирование приборов, систем и измерительно-вычислительных ком-

плексов – дисциплины знакомят студентов с устройством различных измерительных информационных систем, принципами их построения и применения, методами проектирования.

Прежде чем рассматривать непосредственно методы измерений, остановимся на понятии «измерение» в общем смысле слова. Измерение – это процесс сравнения двух величин и выражение результата измерения цифрой, имеющей размерность.

6

Структурные схемы средств измерений

Структурная схема элементарной базовой системы измерения представ-

лена на рис. 1.1. Здесь Ч – чувствительный элемент, который воспринимает воздействие объекта; М – мерный элемент, хранитель эталона; СР1 – сравни-

вающий элемент {сравнивает две величины X'(t) и Xэт(t)}; И – исполнительный элемент – конечный элемент, несущий сигнал в необходимой форме.

Рис. 1.1. Структурная схема элементарной базовой системы измерения

В результате измерения получим именованное число. Например, размер де-

тали Хиз=20 мм, а задано Хз=18 мм. Разность ∆=Хиз–Хз=20–18=2 мм, где ∆ – отклонение от нормы. Одного процесса измерения мало, необходимо вести кон-

троль. Определяя отклонение ∆, мы определяем, например, необходимую подачу для снятия излишнего металла (2 мм). В простейшем случае эти операции выполняет человек. При автоматизации производственных процессов операция контроля поручается самому измерительному прибору.

Структурная схема элементарной базовой системы контроля представле-

на на рис. 1.2. Схема содержит систему измерения и задающий элемент З – задатчик нормы измеряемой величины, а также CР2 – второе сравнивающее устройство.

Рис. 1.2. Структурная схема элементарной базовой системы контроля

Контроль является составной операцией: а) измерение величины, б) сравнение измеряемой величины с нормой. Результатом является не величина, а отклонение ее от нормы.

7

Задающий сигнал Хз(t) может быть 3-х видов: 1) const; 2) f(t) – заданная функция времени; 3) f(t) = ? – неизвестная функция. В первом случае речь идет о стабилизирующем контроле, когда определяется отклонение от постоянной величины. Во втором случае определяется отклонение от заданной функции времени f(t) – программный контроль. В третьем случае определяется отклонение от заранее неизвестной, но существующей функции – следящий контроль.

Если полученное в процессе контроля отклонение от нормы подать на вход автоматического устройства (например, автоматического станка), то получим схему автоматического регулирования, с помощью которой отклонение от нормы не будет превышать заданного значения (в идеальном случае стремится к нулю).

Структурная схема элементарной базовой системы регулирования пред-

ставлена на рис. 1.3. Здесь СК – система контроля, ПР – преобразователь.

Рис. 1.3. Структурная схема элементарной базовой системы регулирования

В данном случае осуществляется регулирование по ∆ или по (∆/Х) = ε (ε – рассогласование), т. е. процесс (объект) регулируется по отклонению.

Так же, как и для системы контроля, Хз(t) может быть трех видов: 1) const;

2)f(t) – заданная функция времени; 3) f(t) = ? – неизвестная функция. В первом случае речь идет об автомате стабилизации, 2) – о программном регулировании,

3)– о синхронно-следящем регулировании.

Воздействовать на вход объекта или на процесс можно и с помощью системы управления.

Структурная схема элементарной базовой системы управления представ-

лена на рис. 1.4. Здесь ωупр – сигнал управления (с какого-то носителя информации, например магнитной ленты). Управление рассматривается как воздействие на управляемый процесс по определенной программе.

Рис. 1.4. Структурная схема элементарной базовой системы управления

8

Для управления современными технологическими процессами, объектами приходится измерять несколько параметров (может быть несколько сотен) и по ним принимать решение о воздействии на объект.

Чем выше уровень автоматизации, тем больше различных вычислительных операций выполняют сами приборы. В этом случае необходимым звеном в системе измерения является вычислительное устройство.

Виды измерений

Измерения могут быть прямыми, косвенными, совокупными, совместными. При прямых измерениях процесс измерения производится над самой измеряемой величиной, имея в виду то или иное ее проявление.

При косвенных измерениях значение искомой величины Х определяется расчетным путем на основании прямых измерений других величин, связанных с измеряемой известной зависимостью.

При совокупных измерениях значения нескольких искомых величин определяются на основе прямых или косвенных измерений других величин путем решения системы соответствующих уравнений.

При совместных измерениях производят одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.

Виды погрешностей измерений и источники их появления

Обязательными компонентами любого измерения являются: 1) физическая величина, значение которой нужно измерить; 2) единица физической величины; 3) метод измерения; 4) средство измерения; 5) наблюдатель (ЭВМ); 6) условия окружающей среды; 7) результат измерения.

Погрешность вызывается совместным изменением перечисленных выше компонент в процессе измерения физической величины.

Результат измерения Х представляет собой лишь оценку измеряемой вели-

Точность измерений – это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Количественно точность измерений может быть выражена значением, обратным модулю относительной погрешности: Т = 1/δ . Высокая точность измерений соответствует малым значениям погрешности.

9

Погрешности косвенных измерений

Пусть результат измерения Х есть функция некоторых величин A, B, C, ..., полученных в результате прямых измерений с погрешностями ∆A, ∆B, ∆C, ... .

При этом считаем, что «первичные» погрешности ∆A, ∆B, ∆C, ... малы по сравнению со значениями самих величин и взаимно независимы. Итак, имеем

Здесь A = AO + ∆A, B = BO + ∆B, C = CO + ∆C, ...; AO, BO, CO, ... – истинные значения измеренных величин.

Раскладывая уравнение (1.4) в ряд Тейлора, ограничиваясь первыми членами разложения и вычитая из полученного уравнения уравнение (1.4), получим выражение для погрешности косвенных измерений в следующем виде

Коэффициенты ∂f/∂A, ∂f/∂B, ∂f/∂C, ... называют коэффициентами влияния, показывающими степень влияния первичных погрешностей ∆A, ∆B, ∆C, ... на результирующую погрешность ∆Х.

Иногда текущие значения первичных погрешностей ∆A, ∆B, ∆C неизвестны, а известны лишь их предельные значения. В этом случае погрешность косвенных измерений вычисляют по уравнению (1.6).

Систематические погрешности

Систематическими называют погрешности, остающиеся постоянными или изменяющиеся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины. Они могут быть изучены, результат измерения может быть уточнен или путем внесения поправок, если числовые значения этих погрешностей определены, или путем применения таких способов измерения, которые дают возможность исключить влияние систематических погрешностей без их определения.

Случайные погрешности

Случайными называют погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности не могут быть исключены из результатов измерений как систематические погрешности. Однако при проведении некоторого числа повторных измерений теория вероятности позволяет несколько уточнить результат, т. е. найти значение измеряемой величины более близкое к истинному, чем результат одного измерения.

10