1.6. Информационно-измерительные системы

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.

М

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

ногоканальная 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.

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.

Рис. 1.4. Устройство шлейфового осциллографа.

При подаче на вход регистрирующего прибора электрического сигнала в рамке начинает протекать электрический ток. В соответствии с законом Ампера, на отрезки проводника АВ и CD, будут действовать одинаковые по модулю и противоположные по направлению силы. Направление действия сил будет определяться известным из физики «правилом левой руки» (см. рис. 1.5). В результате на рамку с током со стороны магнитного поля станет действовать поворачивающий момент М. В случае симметричной рамки величина этого момента будет определяться по формуле:

, 1.27

где Δl – длина участка AB (CD);

r – ширина рамки;

υ – угол поворота рамки.

Угловое положение зеркальца в каждый момент времени будет соответствовать состоянию равновесия между поворачивающим моментом M и моментом сил, действующих на рамку со стороны пружин, на которых она подвешена.

При поворотах зеркальца отраженный от него луч света будет оставлять на движущейся с определенной скоростью фоточувствительной бумаге след, соответствующий форме входного сигнала. При необходимости на этой же ленте дополнительным световым лучом через равные отрезки времени наносятся метки.

Д

Рис. 1. 5. Действие силы Ампера.

остоинством светолучевых осциллографов является максимальная наглядность зарегистрированной информации, но при этом приходится сталкиваться с определенными неудобствами при переводе ее в числовой вид.

Многоканальные магнитографы

Принцип действия магнитографов заключается в регистрации сигналов путем намагничивания специальной ленты. В качестве источника магнитного поля используется пишущая магнитная головка, на которую подается электрический ток, соответствующий сигналу подключенного к регистратору датчика. В зависимости от типа подаваемого на головку сигнала выделяют режимы работы магнитограф с прямой записью и с частотной модуляцией.

При прямой записи на пишущую головку поступает сигнал вида:

, 1.28

где U_вх(t) – сигнал поступающий на вход регистратора с датчика (нормирующего усилителя);

К – коэффициент усиления встроенного в магнитограф усилителя.

Достоинством магнитографов с прямой записью является относительная простота их конструкции, но область их применения ограничена регистрацией быстро меняющихся сигналов. Это связано с тем, что при воспроизведении в считывающей головке ЭДС наводится только при изменении магнитного поля во время движения ленты. Если уровень намагниченности ленты, пропорциональный сигналу датчика, остается постоянным, то изменений магнитного поля не происходит, и со считывающей головки сигнала не поступает.

Для регистрации постоянных и медленно меняющихся сигналов используют магнитографы, работающие в режиме частотной модуляции. В таких устройствах на пишущую головку поступает сигнал вида:

, 1.29

где U₀ – постоянная амплитуда;

f₀ – несущая частота;

m – коэффициент модуляции.

К недостаткам магнитографов с частотной модуляцией можно отнести сложность конструкции, связанную с наличием генератора стабильного несущего колебания с частотой f₀ и устройства для осуществления модуляции. Кроме того, при регистрации быстроменяющихся сигналов получающийся частотно-модулированный сигнал может иметь слишком большую ширину спектра, что вызывает сложности при его усилении.

В целях максимального использования достоинств обоих методов во многих магнитографах (см. табл. 1.1) предусмотрена возможность переключения режимов – прямая запись (ПЗ) для высокочастотных сигналов и частотная модуляция (ЧМ) для низкочастотных.

Таблица 1.1

Модель	Число каналов	Режим работы	Диапазон частот, Гц	Масса, кг
НО-36 (Россия)	7	ПЗ	300 – 16 000	109
		ЧМ	0 – 4 000
TEAC R-570 (Япония)	13	ПЗ	-	78
		ЧМ	0 – 20 000
«Тесла» (Чехия)	14	ПЗ	300 – 120 000	86
		ЧМ	0 – 10 000
«Брюль и Къер» 700 B (Дания)	4	ПЗ	4 – 60 000	8,8
		ЧМ	0 – 12,5