книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

форме пх регистрировать или представлять для наблюдения оператору (человеку). Эти функции выполняет устройство представления изме­ рительной информации УПИ. Режим работы системы (частота пере­ ключений измерительных преобразователей, управления остальными блоками) задается устройством управления в соответствии с установ­ ленной программой.

Унифицированные сигналы, применяемые в ИИС для передачи и обработки измерительной информации. Измеряемые или контроли­ руемые физические величины весьма разнообразны. Из электрических величин чаще всего встречается необходимость измерять (или контро­ лировать) токи, напряжения, активную мощность, частоту, параметры элементов: резисторов, конденсаторов и др.; из весьма разнообразных неэлектрических величин часто встречается необходимость измерения температуры объектов или помещений, давлений и расходов жидких и газообразных тел, параметров движения (скорости, ускорения), геометрических величин (линейные размеры) и многих других. Для передачи и обработки измерительной информации необходимо изме­ ряемые или контролируемые величины представить унифицирован­ ными (однородными) электрическими сигналами, параметры которых пропорциональны измеряемым величинам. Это достигается приме­

ные измеряемым величинам; б) переменный ток, частота которого пропорциональна измеряе­

мой величине; в) переменные токи, угол сдвига фаз между которыми пропорцио­

нален измеряемой величине.

2. Импульсно-аналоговые сигналы:

г) импульсы постоянного тока, амплитуда которых пропорцио­ нальна измеряемой величине;

д) импульсы постоянного тока, частота которых пропорциональна измеряемой величине;

е) импульсы постоянного тока, длительность которых или дли­ тельность интервала между которыми пропорциональны измеряемой величине.

3. Цифровые сигналы:

ж) равномерные коды (единично-десятичный, двоичный, двоичнодесятичный);

з ) Другие виды кодов (помехозащищенные, оптимальные коды и др.).

Для аналоговых сигналов характерным является отсутствие квантования измеряемой величины. При применении импульсно-айа- логовых сигналов производится квантование измеряемой величины по времени. По уровню эти сигналы являются непрерывными, так как в заданном отрезке времени частота, амплитуда или длительность импульсов и интервалов могут принимать множество значений. При

400

использовании цифровых сигналов производится квантование зна­ чений измеряемых величин но уровню и времени, так как значения

ческими процессами. Вследствие значительного числа измеряемых (или контролируемых) параметров ИИС строятся по принципу вре-

401

медного разделения измерительны* каналов. Следовательно, в ИИС осуществляется квантование по времени измеряемой (пли контроли­ руемой) величины. 11а практике для характеристики быстродействия 11ИС пользуются частотой опроса параметра в каждом измеритель­ ном канале (число измерительных каналов указывается отдельно), выражаемой в герцах, или частотой переключения измерительных каналов (числом контролируемых точек в единицу времени).

Если в ИИС предусмотрена регистрация измерительной инфор­ мации, то скорость регистрации указывается отдельно, так как регист­ рирующие приборы обычно обладают инерционностью. Регистрирую­ щие приборы, применяемые в ИИС, имеют время регистрации 1—1,5 с на точку. В настоящее время известны и более быстродействующие регистрирующие приборы. Весьма важной характеристикой ИИС является ее надежность. Вследствие большого числа элементов, из которых состоит ИИС, вероятность отказа работы системы может быть значительна. Под отказом системы понимается как превышение по­ грешности, допустимой для данной системы, тате и вообще прекраще­ ние действия системы.

Основной характеристикой надежности ИИС является вероятность ее безотказной работы, под которой понимается вероятность того, что в заданном интервале времени и при заданных условиях эксплуа­ тации (ресурс системы) не произойдет отказа. В зависимости от на­

для длительной непрерывной работы, иногда предусматривается само­ контроль системы (техническая диагностика) путем периодической подачи в измерительные каналы системы взамен измеряемых величин точно известные величины, при помощи которых можно установить погрешности системы или другие виды ее неисправностей. Сущест­ вуют и другие способы контроля работоспособности системы.

55. Основные блоки измерительных

информационных систем

Унифицирующие преобразователи. Датчики, применяемые в ИИС, могут различаться по своему принципу действия и, следовательно, иметь различные по характеру и по диапазону изменения выходные сигналы. Для возможности многократного использования устройств канала измерения (или контроля) сигналы, несущие информацию о значениях измеряемых величин, должны быть унифицированы.

402

Эта операция выполняется .унифицирующими преобразователями.. Помимо образования унифицированного сигнала, унифицирующие преобразователи при необходимости выполняют дополнительные функции: обеспечивают изменение унифицированного сигнала от нуля до установленного наибольшего значения при изменении изме­ ряемой величины в некоторых пределах от хх до х.2 (хх ~/-'0); если характеристика датчика нелинейна, то выполняют нелинейное пре­ образование его выходного сигнала с целью получения линейной за­ висимости значений унифицированного сигнала от измеряемой вели­ чины.

Стандарты Государственной системы приборов (ГСП) нормируют значения выходных сигналов унифицирующих преобразователей МИС. Так, например, ГОСТ 9895—(il устанавливает значения постоянного тока 0—5 и 0—10 мА,

Рис. 309. Схема включения унифицирующих преобразователей (УП): а — индивидуальные УII включены до переключателя; б — общий УП включен на выходе переключателя

напряжения постоянного тока 0—10 В и др. ГОСТ 14853—69 устанавливает следующую зависимость между частотой сигнала / и текущим значением преобра­

зуемой величины Р

выбираться в соответствии со значениями, указанными в ГОСТ. Стандарты нор­ мируют и другие унифицированные сигналы, применяемые в И ПС .

Унифицирующие преобразователи могут быть как индивидуаль­ ными, так и групповыми. На рис. 309, а показан принцип применения индивидуальных УП. Сигнал от каждого измерительного преобразо­ вателя (И) поступает на унифицирующий преобразователь, от ко­ торого подается на коммутатор (К). На выходе коммутатора получа­ ется серия унифицированных сигналов (УС). Рисунок 309, б иллюст­ рирует применение группового унифицирующего преобразователя. В этом случае сигналы датчиков поступают на коммутатор, а унифи­ цирующий преобразователь, включенный после коммутатора, явля-

403

ется общим для всех сигналов первичных измерительных преобразо­ вателен.

Достоинством схемы рис. 309, а является коммутация сигналов высокого уровня, что уменьшает погрешности, вносимые коммута­ тором. Схема рис. 309, б содержит меньшее число элементов, однако коммутация сигналов низкого уровня вызывает значительные труд­ ности, если требуется высокая точность ИИС. Унифицирующие пре­ образователи весьма разнообразны по своему принципу действия, что объясняется многообразием датчиков и унифицированных сигналов, применяемых в ИИС.

В качество примера рассмотрим унифицирующий преобразователь, приме­ няемый для линеаризации характеристики и получения требуемых значений унифицированного сигнала при использовании термопар, характеристика ко­ торых — зависимость термо-э. д. с. от температуры (измеряемая величина) — существенно нелинейна. Характеристика термопары аппроксимируется полино­

мом третьей степени

По условию напряжение £/в ых должно быть пропорционально измеряемой температуре, т. е. Г/Вых = St, где S — коэффициент преобразования. Полагая ивы-ц=к1и (см. рис. 310), находим

изменением сопротивления цепи обратной связи путем шунтирования сопротив­ лений г 1 ; г2 и г3 диодаліи Д1, Д2 и ДЗ, которые изменяют свое сопротивление при изменении падения напряжений на сопротивлениях. Число диодов и сопротивлений

404

ния измерительных каналов, т. е. поочередного приключения дат­ чиков или преобразователей с унифицированным сигналом к блокам передачи, преобразования и воспроизведения измерительной инфор­ мации.

К коммутаторам, предназначенным для работы в ИИС, предъяв­ ляется ряд требований, вытекающих из условий их работы, и требо­ ваний, предъявляемых в ИИС. Наиболее характерными требованиями к коммутаторам ИИС являются недопустимость внесения заметной погрешности в измерения (или контроль) и обеспечение требуемой частоты переключения измерительных каналов. Погрешность, вноси­ мая коммутатором в измерение, может быть определена как погреш­

Коммутаторы с нормированной погрешностью называются изме­ рительными.

Быстродействие коммутатора обычно выражается числом пере­ ключений в единицу времени.

Кроме указанных характеристик, существенную роль в оценке коммутатора могут иметь такие характеристики, как габаритные размеры, надежность (ресурс), потребляемая мощность от вспомога­ тельного источника питания, виброустойчивость и др.

Внастоящее время известны многие типы коммутаторов, отличаю­ щиеся друг от друга используемыми элементами, схемным решением, конструктивным выполнением и т. д.

Взависимости от конструктивного выполнения коммутаторы

могут быть разделены на две группы — аппаратные коммутаторы

исхемные коммутаторы.

Каппаратным коммутаторам относятся: электромеханические, электроннолучевые и фотоэлектрические. Схемные коммутаторы со­ бираются из стандартных электромагнитных, вакуумных, полупро­ водниковых и других элементов.

Примером электромеханического коммутатора может быть миниа­ тюрный электродвигатель, с ротором которого связана щетка, сколь­ зящая по контактам. Такие коммутаторы обладают незначительным ресурсом, однако ресурс возрастает при помещении контактного

устройства в кремнийорганическую жидкость (тысячи часов). К электромеханическим коммутаторам относится также шаговый искатель, представляющий собой ряд неподвижных пластин, распо-

405

лоясенных по окружности (контактное поле). Контактное поле состоит из нескольких рядов контактов, по которым электромагнитом пере­ мещают щетки, жестко связанные между собой, но электрически изолированные. Срок службы — сотни тысяч обходов. Коммутаторы имеют незначительное сопротивление контактов, низкий уровень собственных шумов, что позволяет применять их для переключений

Электроннолучевой коммутатор представляет собой электронно­ лучевую трубку, у которой вместо экрана имеются контактные электроды. Переключение каналов производится перемещением элект­ ронного луча с одного электрода на другой при помощи электро­

элементов (диодов, транзисторов, интегральных схем).

По принципу построения переключающие устройства могут быть разделены на следующие группы: 1) с отключением невыбранных ка­ налов; 2) с закорачиванием невыбранных каналов; 3) комбинирован­ ные. Переключающие устройства с отключением неопрашиваѳмых каналов могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми. На рис. 311 показана одна из возможных структурных схем одноступен­ чатого коммутатора с отключением невыбранных каналов. Генератор

при помощи ключей (К) приключает напряжения измерительных преобразователей (U) к нагрузке z„. На рис. 312 показан пример двухступенчатого коммутатора. Измерительные преобразователи раз­ биваются на щ групп с равным числом (щ) преобразователей в каждой группе. В цепи каждого измерительного преобразователя имеется ключ (ключи К-у ... Кп). Каждая группа измерительных преобразо-

406

вателей имеет групповой ключ (ключи К\ ... Кп.>). Схема управлении ключами имеет два зависимых распределители импульсов {Pill

иРИ2), работающих от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Алгоритм работы распределителей импульсов следующий: в исход­

ном положении распределитель РИ2 находится в первом положении, при зто.м ключом К\ включаются на нагрузку zn ключи 1-й группы; распределитель Pill поочередно замыкает цепи всех измерительных преобразователей, но на выходе получаются сигналы только от пер­ вой группы преобразователен; после опроса всех измерительных пре­ образователей распределитель Р112 переходит во второе положение

гти

ZH

-CZD-

Выход

Рис. 312. Двухступенчатый коммутатор

ипроцесс опроса всех преобразователей повторяется; цикл заверша­

ется пропуском сигналов преобразователей п2 группы.

Очевидно, что общее число каналов в данном случае АТ — nxnz. Достоинствами двухступенчатого переключателя являются сокраще­

в некоторых случаях в качестве групповых ключей применять ключи с механическими контактами (например, электромагнитные реле), обеспечивающие лучшие метрологические характеристики коммута­ тора вследствие «идеальности» ключей. На рис. 313, а показана экви­ валентная схема переключающих цепей одноступенчатого коммута­ тора, на рис. 313, б — двухступенчатого коммутатора. Число ступе­ ней коммутатора может быть увеличено до M. В этом случае, как пока­ зано на рис. 313, в, переключающие цепи образуют так называемую пирамиду контактов.

На рис. 314 показана эквивалентная схема переключающего уст­ ройства с закорачиванием невыбранных каналов. Как видно из схемы, выбор і-го канала (на схеме рис. 314 — первого) произво­ дится путем размыкания цепи г-го канала. Остальные переключающие

407

устройства при этом замкнуты н шунтируют неопрашнваемые каналы. Основной метрологической характеристикой коммутатора является

элементах, вследствие их «неидеальности» и наличия остаточных параметров. Как показывают исследования, в схемах с отключением

408

неопрашііваемых каналов погрешности переключающего устройства возрастают с увеличением числа каналов. В схеме с закорачиванием неопрашиваемых каналов коэффициент передачи ßK значительно мень­ ше единицы, что затрудняет применение этих схем. Электронные коммутаторы обладают очень высоким быстродействием, что в ряде случаев делает их применение неизбежным. Однако вследствие по­ грешности они применяются для переключения сигналов высокого уровня (вольты). Для повышения точности электронных коммута­ торов иногда применяются специальные, обычно более сложные, схемы с компенсацией погрешности.

Рпс. 315. Коммутатор с матричной схемой управления

Погрешности, вносимые коммутатором, существенно уменьша­ ются, если применить измерительный преобразователь с частотными, время-импульсными или цифровыми унифицированными сигналами, так как в этих случаях амплитудные искажения сигнала практически не вызывают погрешности. Однако измерительные преобразователи этих типов значительно сложнее и дороже преобразователей с выход­ ным сигналом в виде напряжения постоянного тока, которые и при­ меняются преимущественно при массовых измерениях.

В схемах управления переключающим устройством, помимо распредели­ телей импульсов, применяются так называемые матричные схемы. Пример ком­ мутатора с матричной схемой управления показан на рис. 315. Схема управления состоит из набора триггеров (в данном случае трех: Тгі, Тг2 и ТгЗ), работающих в режиме двоичного счета.

Матрица образуется вертикальными шинами, идущими от триггеров и гори­ зонтальными шинами, через которые подаются сигналы на ключи Кі от источ­ ника с напряжением Un. Вертикальные и горизонтальные шины соединены дио­ дами, расположенными в определенном порядке. В исходном состоянии (на

(на схеме показан третий канал, открыт диод третьего канала левой шины триг­

409