5

В связи со сложностью конструкции образцов современной военной и гражданской техники к измерительной аппаратуре предъявляются требования по увеличению объема и ускорения процесса получения информации. В результате возникает необходимость перехода от одиночных измерительных приборов к информационно-измерительным системам.

Информационно-измерительная система представляет собой единый комплекс, объединяющий устройства для получения, преобразования и выдачи (регистрации) измерительной информации. Качество получаемой информации обеспечивается правильным выбором метода измерения и измерительной схемы, учетом погрешностей, вносимых элементами системы, соблюдением правил работы применяемых устройств.

По виду выходного сигнала информационно-измерительные системы можно разделить на аналоговые и дискретные (цифровые). Выходной сигнал аналоговых систем можно рассматривать в виде непрерывной функции x(t), характеризующей зависимость измеряемого параметра от времени. В дискретных же системах выходной сигнал представляет собой ряд значений измеряемого параметра {x₁, x₂, … , x_i} в фиксированные моменты времени.

По принципу измерения выделяют механические, гидравлические, пневматические и электрические информационно-измерительные системы, причем последние получили наиболее широкое распространение. Это связано с тем, что электрические системы позволяют производить дистанционные синхронизированные измерения разнородных физических величин в различных узлах исследуемого объекта, осуществлять функциональное преобразование сигналов в процессе измерения при удобстве конструкции и унификации (универсальности) используемых приборов.

В состав электрических измерительных систем входят следующие основные части:

• первичные преобразователи, назначение которых состоит в преобразовании измеряемой физической величины в некоторый электрический параметр (напряжение, ток, сопротивление и т.п.);

• нормирующие усилители, преобразующие сигналы первичного преобразователя в стандартные выходные сигналы государственной системы приборов (ГСП) для обеспечения возможности использования стандартных измерительных приборов;

• линии связи (проводные, оптоволоконные, радиоканалы), обеспечивающие передачу информации между элементами системы;

• устройства управления;

• регистрирующая аппаратура и устройства индикации.

Кроме указанных составляющих в информационно-измерительные системы могут входить блоки функциональных преобразований и устройства обработки информации. Часто функции управления, визуализации, хранения и обработки информации объединяет универсальная или специализированная электронно-вычислительная машина (ЭВМ).

Для обеспечения возможности одновременного измерения и регистрации нескольких однородных или разнородных параметров прибегают к построению информационно-измерительных систем по многоканальной или многоточечной схеме [7]. Эти схемы представлены на рис. 1.2, причем каждая схема имеет свои особенности.

Многоканальная измерительная система (рис. 1.2, а) позволяет осуществлять одновременную регистрацию информации, получаемой со всех измерительных точек. Для этой цели она содержит n первичных преобразователей и столько же нормирующих усилителей. Выходы нормирующих усилителей подключены к многоканальному регистрирующему прибору, содержащему не менее n каналов регистрации.

Рис. 1. 2. Структурные схемы многоканальной (а) и многоточеченых (б, в) систем.

Часто такие системы применяются для исследования динамических деформаций, они позволяют исследовать процессы с частотами до десятков и сотен килогерц. Нормирующие преобразователи в таких системах представляют собой аналоговые усилительные устройства. В качестве регистраторов для визуальной оценки применяют катодные и светолучевые осциллографы. Для обеспечения возможности накопления больших объемов информации и последующей ее обработки применяют многоканальные магнитографы.

Для быстропротекающих высокочастотных процессов возможно применение аналого-цифровых преобразователей на выходе нормирующих усилителей с последующей регистрацией в кодовой форме с помощью электронных запоминающих устройств, аналогичных применяемых для оперативной памяти ЭВМ (об одном таком устройстве будет рассказано в разделе, посвященном баллистическим испытаниям).

Многоканальные системы в такой комплектации предусматривают обработку информации после завершения ее регистрации. Одновременная регистрации многих каналов позволяет при обработке определять взаимосвязь между отдельными зарегистрированными процессами, например, функцию взаимной корреляции или взаимную спектральную плотность¹, что имеет значение при оценке связи возмущающих сил и отклика системы.

Таким образом, многоканальные системы обладают весьма важными для исследования машин свойствами. Тем не менее, область их применения ограничена по причине аппаратной громоздкости (большое число нормирующих усилителей) и наличия всего 10 - 20 каналов в регистрирующих устройствах.

Многоточечные измерительные системы (см. рис. 1.2, б и в) предусматривают применение одноканального устройства для регистрации (накопления) и обработки информации с распределенной во времени регистрацией каналов. Это распределение осуществляется с помощью коммутатора каналов. При этом переключение каналов может следовать в порядке, определяемом конструкцией коммутатора, или порядок каналов может быть задан программой ЭВМ, включаемой в качестве регистрирующего устройства и имеющей двустороннюю связь с коммутатором.

Приведенные структурные схемы многоточечных систем различаются способом включения нормирующих усилителей.

Вариант, показанный на рисунке 1.2 б, предусматривает включение нормирующих усилителей между первичными преобразователями и коммутатором. В этом случае облегчаются требования к коммутатору, и обеспечивается возможность одновременного измерения различных физических величин с помощью разнообразных датчиков, но не сокращается по сравнению с многоканальной системой число усилителей. Второй вариант (рис. 1.2 в) наиболее экономичен по аппаратным средствам и поэтому обычно реализуется в системах, осуществляющих одновременное измерение однотипных параметров с помощью идентичных первичных преобразователей.

Применение временного уплотнения каналов в многоточечных системах предъявляет определенные требования к быстродействию коммутатора. Эти требования определяются характером исследуемых процессов, допустимой погрешностью измерений и способом управления коммутатором. При этом следует учесть, что частота опроса каждого канала должна быть не меньше удвоенного значения максимальной частоты, содержащейся в спектре выходного сигнала первичного преобразователя.

Какой бы высококачественной ни была измерительная система, всегда будет иметь место некоторая разница между показаниями приборов и значением физической величины – речь идет о погрешности средств измерения (инструментальной погрешности). По характеру инструментальные погрешности могут быть статическими и динамическими.

Статическая погрешность, в свою очередь, делится на основную и дополнительную. Основная погрешность характеризует работу измерительной системы в нормальных условиях, а дополнительная связана с отклонением от условий, оговоренных производителем измерительной аппаратуры.

Динамическая инструментальная погрешность обусловлена амплитудными и фазовыми искажениями сигналов в измерительных приборах.

Многоканальные регистраторы. Как уже отмечалось выше, в многоканальных информационно-измерительных системах в качестве многоканальных регистрирующих приборов используют светолучевые (шлейфовые) осциллографы и магнитографы.

Светолучевые осциллографы

Светолучевые осциллографы предназначены для записи формы электрических сигналов на фотобумагу с помощью световых лучей. Основным узлом каждого регистрирующего канала (см. рис. 1.4) является зеркальце, закрепленное на подвижной проволочной рамке, которая в свою очередь помещается между полюсами магнита.

6

Измерение расхода жидкостей и газов является одной из основных составляющих теплофизических измерений, к которым также относятся температурные измерения и измерение давления. Мы начали рассмотрение средств измерения именно с этой группы, так как общий объем теплофизических измерений превышает 70% всех измерений в науке и технике.

Приборы, предназначенные для измерения расхода жидкостей и газов, называются расходомерами. Ниже будет рассмотрено девять типов расходомеров, отличающихся принципом действия.

Расходомеры переменного перепада давления

Основным элементом расходомеров переменного перепада давления является сужающее устройство (диафрагма или сопло), помещенное в трубопровод с площадью сечения F, по которому со скоростью V_1ср протекает жидкость (газ) [11]. Проходя через отверстие площадью F₀ (см. рис. 2.1), поток сужается, и на некотором расстоянии за диафрагмой возникает зона максимального сжатия сечением F₁, в пределах которой жидкость движется со скоростью V_2ср.

Величины давлений до и после сужающего устройства связаны со скоростями протекания жидкости в соответствующих зонах соотношением:

Рис. 2. 1. Расходомер переменного перепада давления

, 2.1

где ρ – плотность вещества;

Р₁ и P₂ – давление до и после сужающего устройства, соответственно.

Площадь сечения максимального сжатия пропорциональна площади отверстия, а зависимость от вида сужающего устройства характеризуется коэффициентом μ’:

. 2.2

Если предположить, что плотность вещества после прохождения сужающего устройства не изменяется, то имеет место равенство:

. 2.3

В результате выражение 2.1 может быть записано в следующем виде:

. 2.4

Отсюда может быть найдено значение скорости потока в сечении F₁:

. 2.5

Объемный расход Q может быть приведен к сечению максимального сжатия:

. 2.6

Расходомеры подобной конструкции используются для определения стационарных расходов жидкостей и сухих газов на трубопроводах диаметром более 50 мм.

Расходомеры обтекания

В данном типе расходомере осуществляется преобразование скоростного напора в перемещение обтекаемого тела. В качестве примера на рисунке 2.2 показано устройство ротаметра и поршневого расходомера, используемого на нефтепроводах. Давление со стороны обтекающего потока может уравновешиваться либо собственным весом поплавка (поршня) или усилием сжатой пружины.

Рис. 2. 2. Устройство ротаметра (а) и поршневого расходомера (б)

1 Спектральная плотность мощности характеризует распределение энергии регистрируемого сигнала по различным диапазонам частот.