Демина Методы и средства измерений испытаний и контроля 2010

ем. Одновременно с этим вырабатывается стартовый импульс, открывающий логическую схему, которая позволяет временным импульсам поступать на вход счетчика. Линейное напряжение будет расти до тех пор, пока оно не станет равным входному напряжению. В момент равенства этих напряжений вырабатывается еще один управляющий импульс, закрывающий доступ временных импульсов на вход счетчика. Таким образом, счетчик подсчитывает количество временных импульсов от начала измерений до момента равенства линейного напряжения и входного сигнала. Это подсчитанное количество импульсов и есть мера величины входного напряжения.

Рис. 1.15. Аналого-цифровой преобразователь, использующий метод линейно возрастающего напряжения

В вышеописанных методах аналоговый сигнал преобразуется в цифровой вид в дискретные моменты времени. Остальные методы основаны на том, что перед преобразованием в цифровой вид аналоговый сигнал интегрируется в течение какого-то промежутка времени. При использовании метода двухстадийного интегриро-

вания входной сигнал заряжает конденсатор в течение фиксированного интервала времени, равного, например, одному циклу сетевой частоты. После этого входной сигнал отключается от конденсатора, и на его место подключается источник опорного напряжения, под действием которого будет происходить разряд конденсатора. Так как разряд конденсатора происходит с постоянной скоростью, зависящей от величины опорного напряжения, то измерив время, за которое разность потенциалов на конденсаторе упадет до нуля, можно судить о величине входного сигнала. Измерение вре-

71

мени разряда конденсатора осуществляется при помощи счетчика тактовых импульсов фиксированной частоты.

Цифроаналоговые преобразователи

При цифроаналоговом преобразовании (ЦАП) входной цифровой сигнал связан с выходным аналоговым сигналом VA следую-

щей зависимостью:

VA ≈ VR (b1 2−1 + b2 2−2 + b3 2−3 + ... + bn 2−n ),

где VR – опорное напряжение. Длина входного слова – это nразрядов, a b1, b2 , b3 ,..., bn – значения соответствующих разрядов. Максимальное значение аналогового выходного напряжения получается тогда, когда все значения разрядов b1, b2 , b3 ,..., bn

равны единице.

Величина шага изменения (инкремент) аналогового напряжения определяется изменением значения младшего разряда bn от 0 к 1.

Таким образом, инкремент аналогового напряжения = VR 2−n.

Существуют два основных типа цифроаналоговых преобразователей: суммирующий преобразователь и многозвенный преобразователь. В суммирующем цифроаналоговом преобразователе цифровое слово загружается в двоичный регистр, выходы которого используются для подключения опорного напряжения к ряду рези-

зисторов являются «двоично взвешенными», т.е. определяются рядом значений 20 , 21, 22 ,... и т.д. Младший значащий разряд

управляет включением или выключением резистора 2n−1 R в зависимости от того, равен этот разряд единице или нулю, в то время как старший значащий разряд управляет включением первого резистора R.

Суммирующие цифроаналоговые преобразователи редко используются в случаях, когда длина слова превышает шесть разрядов. Это связано с трудностями подбора точных значений резисторов больших номиналов, которые необходимы для создания набора резисторов требуемого диапазона.

72

Рис. 1.16. Суммирующий цифроаналоговый преобразователь

Многозвенные цифроаналоговые преобразователи (рис. 1.17)

используют резистивные цепочки R − 2R и не имеют проблем с подбором больших номиналов резисторов, так как все резисторы имеют значения R или 2R. В каждой точке соединения звеньев эти резисторы делят силу тока пополам. Включение или выключение звеньев определяется значениями разрядов входного слова. Выходной сигнал такого цифроаналогового преобразователя определяется суммой токов в звеньях, т.е.

Выходное напряжение = −R f (12 + 14 + 18 +...).

Управляемые

токовые

переключатели

Выход

Рис. 1.17. Многозвенный цифроаналоговый преобразователь

73

1.5.4.3. Средства сравнения

Средство сравнения – техническое средство или специально создаваемая среда, посредством которых возможно выполнять сравнения друг с другом мер однородных величин или показания измерительных приборов.

Примерами могут служить: рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается эталонная гиря, а на другую – поверяемая; градуировочная жидкость для сравнения показаний эталонного и рабочего ареометров; температурное поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров. Во многих относительно простых СИ роль средства сравнения выполняет зрение человека, например при сравнении отклонения указателя прибора и числа делений, нанесенных на его шкале.

Средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин, называется компаратором.

Примеры

1.Рычажные весы.

2.Компаратор для сличения нормальных элементов.

1.5.5. Комплексные средства измерений

Комплексные средства измерений предназначены для реализации всей процедуры измерения. Согласно классификации по роли в процессе измерения и выполняемым функциям, комплексные средства измерений подразделяются на:

-измерительные приборы;

-измерительные установки;

-измерительные системы;

-измерительно-вычислительные комплексы.

1.5.5.1. Измерительные приборы

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне и выработки сигнала измери-

тельной информации, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

74

Класс измерительных приборов включает большое число приборов, различающихся измеряемыми величинами, областью применения, техническими характеристиками, принципом действия, используемой элементной базой и другими особенностями. Тем не менее все измерительные приборы имеют некоторые общие черты. Обобщенная структурная схема измерительного прибора показана на рис. 1.18.

Измеряемая ФВ воздействует на устройство преобразования, состоящее из первичного измерительного преобразователя и совокупности элементарных СИ.

Первичный преобразователь преобразует измеряемую ФВ в другую величину, однородную или неоднородную с ней. Сигнал с выхода преобразователя проходит через совокупность элементарных СИ. В простейших измерительных приборах такая совокупность может отсутствовать. Например, в аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в угол поворота стрелки с помощью первичного электромеханического ИП.

Рис. 1.18. Обобщенная структурная схема измерительного прибора

На выходе устройства преобразования формируется сигнал, параметры которого соответствуют входным характеристикам отсчетного устройства.

Показывающее устройство средства измерений – совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин.

По форме представления показаний, показывающие устройства делятся на аналоговые и цифровые.

Составными частями устройства являются шкала и указатель.

75

Шкала средства измерений – часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией.

Шкала наносится на прямолинейном участке или дуге окружности.

Отметка шкалы – знак на шкале средства измерений (черточка, зубец, точка и др.), соответствующий некоторому значению физической величины.

Отметки на шкалах могут быть нанесены равномерно или неравномерно. В связи с этим шкалы называют равномерными или неравномерными.

Промежуток между двумя соседними отметками шкалы средства измерений называется делением шкалы.

Длиной деления шкалы называется расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы.

Длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы средства измерений и ограниченной начальной и конечной отметками, называется длиной шкалы. Линия может быть реальной или воображаемой, кривой или прямой.

Отметка шкалы средства измерений, у которой проставлено число, называется числовой отметкой шкалы. Отметки облегчают оператору считывание показаний прибора, которое производится по положению указателя относительно отметок шкалы. Деления шкалы (промежутки между двумя соседними отметками шкалы средства измерений) имеют цену. Цена деления шкалы – это разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений. Отметки наносятся на шкалу при градуировке прибора, т.е. при подаче на его вход сигнала с выхода образцовой многозначной меры. У части отметок шкалы проставляются числовые значения величины, подаваемой с выхода меры. Эти отметки становятся числовыми.

Указатель средства измерений – часть показывающего устройства, положение которой относительно отметок шкалы определяет показания средства измерений. Указатель выполняется в виде подвижных стрелок разной формы, луча света, пера самописца и т.п. Так у барометра-анероида указателем является под-

76

вижная стрелка, у ртутного термометра – поверхность столбика жидкости.

Шкала СИ имеет начальное и конечное значения. Они соответствуют наименьшему и наибольшему значениям измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений. Например, для медицинского термометра начальным значением шкалы является 34,3 °C, а конечное – 42 °C.

При измерении с показывающего устройства считывается пока-

зание.

Показание средства измерений – значение величины или число на показывающем устройстве средства измерений.

Каждое СИ характеризуется диапазоном показаний и диапазо-

ном измерений. Диапазоном показаний средства измерений назы-

вается область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Так, для медицинского термометра диапазон показаний составляет 7,7 °C. Диапазоном измерений средства измерений называется область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют, соответственно,

нижним пределом измерений или верхним пределом измерений.

Диапазон измерений всегда меньше или равен диапазону показаний.

1.5.5.2. Классификация измерительных приборов

Для учета всех особенностей многообразных измерительных приборов применяют классификацию по различным признакам:

-по форме индикации измеряемой ФВ;

-по методу преобразования измеряемой величины;

-по назначению;

-по форме преобразования используемых измерительных сигналов.

По форме индикации измеряемой ФВ различают измеритель-

ные приборы:

-показывающие, которые допускают только отсчитывание показаний измеряемой величины, например стрелочный или цифровой вольтметр;

77

- регистрирующие, предусматривающие регистрацию показаний на том или ином носителе информации, например на бумажной ленте. Регистрация может производиться в аналоговой или цифровой форме. Различают самопишущие и печатающие приборы.

По методу преобразования измеряемой величины различают приборы прямого, компенсационного (уравновешивающего) и смешанного преобразования.

По назначению измерительные приборы делятся на амперметры, вольтметры, омметры, термометры, гигрометры, и т.д.

По форме преобразования используемых измерительных сиг-

налов приборы подразделяются на аналоговые и цифровые. Аналоговые приборы – это приборы, показания или выходной

сигнал которых является непрерывной функцией изменения измеряемой величины. Идеальное уравнение преобразования линейных аналоговых и измерительных приборов имеет вид

Y = KХ,

где Х – измеряемая величина; Y, K – показание и коэффициент преобразования прибора соответственно. Следует отметить, что большинство измерительных приборов являются линейными.

Цифровые приборы – это приборы, принцип действия которых основан на квантовании измеряемой или пропорциональной ей величины. Показания таких приборов представлены в цифровой форме. Наличие операции квантования приводит к появлению у цифровых приборов специфических свойств, обусловливающих существенные различия в методах выбора, анализа, описания и нормирования метрологических характеристик по сравнению с аналоговыми приборами.

1.5.5.3. Измерительные установки

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.

Измерительную установку, применяемую для поверки, называют поверочной установкой. Измерительную установку, входящую

78

в состав эталона, называют эталонной установкой. Некоторые большие измерительные установки называют измерительными машинами. Например, установка для измерений удельного сопротивления электротехнических материалов; установка для испытаний магнитных материалов.

1.5.5.4.Измерительные системы и измерительно-вычислительные комплексы

Усложнение современного производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерять и контролировать одновременно сотни и тысячи различных физических величин. Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в восприятии и обработке больших объемов информации стала одной из причин появления таких средств измерения, как измерительные системы.

Измерительная система (ИС) – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на:

-измерительные информационные,

-измерительные контролирующие,

-измерительные управляющие системы и др.

Связь между блоками системы и их совместимость устанавливается посредством стандартных интерфейсов. Под интерфейсом понимается совокупность механических, электрических и программных средств, позволяющих объединять блоки в единую систему.

Измерительную систему, перестраиваемую в зависимости от изменения измерительной задачи, называют гибкой измерительной системой (ГИС).

79

Примеры

1.Измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде физических величин

вразных энергоблоках. Такая система может содержать сотни измерительных каналов1).

2.Радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительновычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга.

«Лицо» современной измерительной техники определяется автоматизированными измерительными системами (АИС), информа- ционно-измерительными системами (ИИС), измерительно-вы- числительными комплексами (ИВК). Типичная ИИС содержит в своем составе ЭВМ и обеспечивает сбор, обработку и хранение информации, поступающей от многочисленных датчиков, характеризующих состояние объекта или процесса. При этом результаты измерений выдаются как по заранее заданной программе, так и по запросу.

Применение новейших измерительных систем позволяет не только ускорить процесс измерения (что немаловажно для скоропортящихся товаров), но и дать более объективную характеристику качества конкретной партии товара.

Рассмотрим эффективность новейших измерительных систем на примере швейцарской системы анализа хлопка. При традиционном контроле на наших хлопковых заводах (проба от кипы партии) один образец проверяется не менее 8–12 ч. В случае измерительной системы за 20–25 секунд проверяется не выборочно (4 %, каждая 24-я кипа), а 100 %! проверка показывает, что в каждой из кип в среднем 12–15 % хлопка оказывается более высокого качества, чем отражается в заводских протоколах испытаний при выборочном контроле. Если эти теряемые 12 % умножить на объемы ежегодно экспортируемого волокна и перевести все это в валюту, то получается достаточно большая сумма потерь.

1) Измерительная цепь (измерительный канал) – совокупность средств измерений, образующий непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода.

80