МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ВСТУП ДО ТЕОРІЇ ВИМІРЮВАЛЬНО - ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

для студентів базового напрямку 6.0913 “Метрологія та вимірювальна техніка”

стаціонарної та заочної форм навчання

2

Затверджено на засіданні кафедри “Інформаційно-вимірювальні технології” Протокол № 8 -07/08 Від 7 травня 2008 р.

Львів 2008

3

Вступ до теорії вимірювально - інформаційних систем: Конспект лекцій для студентів базового напрямку “Метрологія та вимірювальна техніка”/ Укл.: Петровська І.Р. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2008. – 91 с.

Укладач Петровська І.Р., канд. тех. наук, доц.

6

7

В С Т У П

Вимірювальний експеримент покликаний забезпечувати необхідною інформацією практичну діяльність людини. При цьому, для виконання певної мети експерименту, необхідно вимірювати десятки й сотні різноманітних параметрів та передавати їх лініями зв’язку споживачеві. З цією метою використовують вимірювально-обчислювальні комплекси, мережі та системи. Останні є основною підсистемою двох попередніх. Найчастіше системи – багатоканальні, тобто використовують для зв’язку між передавальною (яка починається сукупністю джерел вимірювальної інформації –

первинними перетворювачами) та приймальною (яка завершується споживачем вимірювальної інформації)

частинами одну лінію зв’язку. Шлях від перетворювача до споживача (й зокрема, через спільні для всіх джерел елементи) називається вимірювальним каналом. Процедура формування групового сигналу від усіх джерел називається ущільненням каналів, а виділення із групового сигналу інформації про сигнал окремого джерела – розділенням. Надійне ущільнення та розділення каналів може бути лінійним та нелінійним.

В першому випадку операції над канальними сигналами лінійні (додавання та множення на сталий коефіцієнт – підсилення та масштабування), в другому – нелінійні.

Серед лінійних відоме ущільнення і розділення за часом, частотою та формою; тобто відповідно:

-кожному з джерел виділяється свій проміжок часу, протягом якого воно передаватиме лінією зв’язку свій вимірювальний сигнал;

-кожному джерелу виділяється своя смуга частот, в межах якої передаватиметься його вимірювальний сигнал;

-кожне із джерел свою вимірювальну інформацію переносить сигналом, форма якого відрізняється від сигналів інших джерел.

Оскільки, переважно, системи – цифрові, а вимірювальні сигнали – аналогові, тому, отже, виникає потреба здійснення операцій дискретизування їх в часі та квантування за рівнем (а часто і завадостійкого кодування), то найчастіше використовують розділення каналів у часі, яке реалізується при допомозі мультиплексорів, а вибір частоти опитування базується на використанні теореми відліків Найквіста – Котельникова, орієнтованій на найвищу частоту в сукупності спектрів вимірювальних сигналів.

Краще погодження частотних властивостей джерел і процедури опитування забезпечує метод субта суперкомутування. Для забезпечення кращої завадостійкості здійснюється завадостійке кодування цифрової інформації, зокрема блоковими чи циклічними кодами.

8

Мета викладання дисципліни. Зростання складності об'єктів народного господарства, розширення обсягу досліджень обумовило перехід від приладів, через багатоточкові прилади до інтелектуалізованих систем, вимірювальнообчислювальних комплексів та мереж. Викладання дисципліни має на меті вивчення загальних принципів побудови багатоканальних систем, спряження вимірювальної та обчислювальної техніки. Ця дисципліна є дисципліною загально - технічної підготовки.

Завдання вивчення дисципліни. Внаслідок вивчення дисципліни студент повинен знати:

-основні компоненти систем;

-принципи лінійного та нелінійного розділення каналів;

-основи аналізу похибок систем;

Внаслідок вивчення дисципліни студент повинен вміти:

-скомпонувати систему конкретного призначення;

-проаналізувати похибки системи;

-розрахувати необхідні технічні характеристики системи.

10

перетворення вимірювального перетворювача.

11

ВИМІРЮВАЛЬНИЙ КАНАЛ

Це сукупність засобів вимірювальної техніки, засобів зв’язку та інших пристроїв, призначена для отримання вимірювальної інформації про одну вимірювальну величину. Переважно вимірювальний канал складається з декількох блоків, серед яких найважливішими є (рис.2) [1]:

-вимірювальний перетворювач, або сенсор (С), який сприймає вимірювану величину і перетворює її у вихідну, придатну для подальшого перетворення і пересилання;

-кондиціонер (нормалізатор) сигналу (КС), в якому відбуваються низка вимірювальних операцій над вихідним сигналом сенсора з метою допровадження цього сигналу (переважно електричної напруги) до рівня, придатного до подальшого аналого-цифрового перетворення;

-АЦП – аналого-цифровий перетворювач, що здійснює автоматичне перетворення розміру аналогового сигналу (переважно, електричної напруги) у її цифрове (числове) значення;

-І – інтерфейс – це група технічних пристроїв (перетворювачів кодів, формувачів і модуляторів сигналів, з’єднувачів, кабелів, тощо) і відповідних програм керування, які призначені для пересилання вимірювальної інформації між ЗВТ, обчислювальними, відліковими та реєструючими пристроями.

Рис. 2. Передача вимірювальної інформації у вимірювальному каналі.

На рис. 2 використано позначення: Х - вимірювана величина; Y – вихідна величина сенсора ; Unx – нормалізований рівень сигналу, придатний для подальшого аналого-цифрового перетворення Nx – результат аналого-цифрового перетворення; Dx - цифрові дані, що пересилаються з виходу АЦП до подальшого опрацювання, зберігання чи (і) реєстрації

Оскільки аналого-цифрові перетворювачі звичайно виготовляються на задані рівні вхідних сигналів (переважно вхідною величиною АЦП є напруга у заданому діапазоні, наприклад, одно полярна в діапазонах 0-1 В; 0-2 В; 0-5 В; 0- 10 В чи інші, або у двох полярних діапазонах), тому незалежно від роду і виду вихідного сигналу вимірювального перетворювача (сенсора) на виході КС мусить бути сформований сигнал з заданими властивостями, найголовніша з яких

– це заданий діапазон її зміни. Тому даний елемент вимірювального каналу називають нормалізуючим

12

перетворювачем, чи перетворювачем з уніфікованим вихідним сигналом, а останнім часом в зарубіжній літературі з вимірювальної техніки такі пристрої називають кондиціонерами сигналів. Відповідні вимірювальні операції носять назву кондиціонування вимірювального сигналу. Дослівно англійський термін conditioning означає покращувати стан, а термін conditioned – відповідний нормі чи стандарту. Тобто кондиціонований сигнал – це сигнал, що відповідає встановленим нормам.

Набір перетворень сигналів в кожному конкретному випадку залежить від роду, виду та інших властивостей вимірювальної величини. Наприклад, цими операціями можуть бути перетворення вихідної величини сенсора в електричні напругу чи струм як, підсилення (сигнал замалий) чи послаблення (сигнал завеликий) сигналу, зміщення його початкового рівня (ненульовий вихідний сигнал сенсора при нульовому значенні величини), аналогове фільтрування (сигнал з перетворювача спотворений завадами та шумами), перетворення роду величини (при вимірюваннях характеристик змінних сигналів – середньо квадратичного, середньо випрямленого, амплітудного значень), тощо.

ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ

Це сукупність вимірювальних каналів, засобів вимірювальної техніки і зв’язку, обчислювальних та інших технічних пристроїв, а також керуючих та обчислювальних програм об’єднаних для отримання вимірювальної інформації про стан досліджуваного об’єкту в цілому. Вимірювальні системи призначаються для вимірювання не однієї величини, а сукупності величин, які характеризують стан об’єкту. При цьому ці величини можуть бути як одного виду, так і різного виду, що характеризують різні властивості об’єкту.

Наприклад, для вимірювання температури в різних просторових точках об’єкту (температурного поля у топці котлоагрегату) використовують багатоканальну вимірювальну систему, що має однотипні елементи. Для дослідження параметрів двигуна внутрішнього згорання використовують вимірювальну систему з різними вхідними величинами; температура та тиск газів в циліндрі, напруга запалювання, швидкість обертів, витрата палива, потужність, тощо.

Узагальнена функціональна схема вимірювальної системи приведена на рис.3 [1].

13

На досліджуваному об’єкті встановлюються необхідні вимірювальні перетворювачі, які створюють сигнали про значення параметрів. Вихідні сигнали сенсорів за допомогою пристроїв збирання вимірювальних даних (англ. Data acquisition boards (systems)) перетворюються у цифрові дані, які пересилаються до обчислювальних пристроїв, де відбувається необхідна їх обробка.

Етап обробки вимірювальних даних включає широкий спектр математичних, в т.ч. логічних операцій, серед яких: розв’язування обернених вимірювальних задач для знаходження значень параметрів об’єкту за результатами вимірювань вихідних сигналів перетворювачів, цифрове згладжування, фільтрація та усереднення сигналів, їх статистичне опрацювання з метою визначення числових характеристик, лінеаризацію функцій перетворення сенсорів та вимірювальних каналів в цілому, корекцію статичних та динамічних похибок, порівняння результатів вимірювань контрольованих параметрів об’єкта з їх заданими допусками і формування відповідних сигналів, формування сигналів збудження об’єкта в процесі його діагностики, тощо.

Ці функції виконують обчислювальні пристрої різної продуктивності, від найпростіших до надскладних. Як обчислювальні засоби у вимірювальних системах можуть використовуватися мікро-контролери, мікропроцесори, одноплатні та одно-кристальні ЕОМ, персональні комп’ютери широкого застосування, мультипроцесорні обчислювальні системи, спеціалізовані процесори, тощо. Аналогічно програмне забезпечення вимірювальних систем також може бути різної складності, бути універсальним чи спеціалізованим.

14

Пристрої відображення, зберігання та пересилання (транспорту) даних забезпечує комунікацію вимірювальної системи з персоналом та системами інших ієрархічних рівнів, документування та архівування результатів вимірювань, контролю та діагностики об’єкту. При цьому відображення результатів може відбуватися як в цифровій, так і в аналоговій формі, за допомогою типових цифрових та аналогових відлікових пристроїв та табло, а також віртуальним способом на екранах моніторів.

З метою діагнозування стану об’єкту необхідно здійснювати його збудження зовнішніми впливами і далі вимірювати реакцію об’єкта на ці збудження. Для цього служать пристрої керування (формування сигналів збудження), в яких відбуваються зворотні операції: цифрові дані – цифро-аналогове перетворення – аналогове згладжування (фільтрація) – підсилення – зворотне перетворення електричного сигналу у вихідну неелектричну величину.

Об’єкт дослідження може бути просторово зосередженим або розпорошеним, може характеризуватися однотипними або різнотипними параметрами, тому збирання вимірювальних даних може здійснюватися зосередженим чи розподіленим способом на основі використання відповідних вимірювальних каналів, пересилання та комутації потоків даних. Важливими елементами вимірювальних систем є їх інтерфейсні компоненти, які забезпечують різні види погоджень між складовими системи: конструктивні, інформаційні, сигналові та програмні.

15

ВИМІРЮВАЛЬНОІНФОРМАЦІЙНІ СИСТЕМИ (ВІС)

КЛАСИФІКАЦІЯ ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ

Класифікація вимірювальних систем, розглянута і систематизована згідно з різними критеріями [2], подана на рис. 4. Класифікація систем "згідно із застосуванням" виділяє:

-вимірювальні системи;

-системи контролю (тестування);

-системи діагностики.

Умови, які виконують ці системи, вже були описані. Класифікація "згідно із ступенем автоматизації" виділяє такі властивості:

-ручне керування;

-низький ступінь автоматизації;

-середній ступінь автоматизації;

-великий ступінь автоматизації.

software).

Інший поділ, що має істотне значення, стосується внутрішньої інтеграції системи, яка може працювати у режимі "on-line" (у дійсному часі) чи "off-line" (у власному часі). Застосовується також поділ системи по роботі: у відкритій петлі (англ. open loop) і у замкнутій петлі (англ. closed loop) зворотного зв'язку.

Систему, яка працює в умовах "off-line", можна вважати такою, що може працювати у довільному часовому інтервалі і не обмежена ніякими умовами.

16

Система "on-line" має деякі обмеження (визначені умови роботи у точно встановленому часовому діапазоні), наприклад, контроль, виконаний під час технологічного процесу, є однією з технологічних операцій. Умови технологічного процесу (визначаються після відповідних технологічних операцій) встановлюють часовий інтервал, в якому повинні контролюватись результати виконаних операцій. Якщо результати контролю (чи тестування) будуть зареєстровані чи пізніше інтерпретовані персоналом, а після виконання цього контролю продукт віддається на подальшу технологічну операцію, то маємо справу з роботою в умовах "online" - відкритої петлі. Коли результати контролю використовуються одразу для коригування технологічного процесу, то це може означати, що вимірювальна система працює в умовах "online" із замкнутою петлею.

У зв'язку з цим з'являється нова класифікація, пов'язана з синхронізацією роботи системи з середовищем на роботу:

-у власному часі (англ. person time)

-у реальному часі (англ. real time).

17

Вимірювальні

системи

Рис. 4. Узагальнена класифікація вимірювальних систем.

18

Перший випадок стосується лабораторних умов досліджень, де часові інтервали строго не регламентовані, другийавтоматизованого процесу виготовлення продукції, коли часові інтервали тестувань є визначеними апріорі[3].

Класифікація щодо видів вимірювань і контролю приводить до поділу систем на:

-параметричних вимірювань (статичні та динамічні вимірювання);

- функціонального контролю (статичний та динамічний контроль). Спостерігається тенденція до поєднання обох видів - параметричних вимірювань і функціонального контролю в одну систему.

КЛАСИФІКАЦІЯ ВIС "ЗГІДНО ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ"

Взалежності від призначення вимірювальних систем розрізняють інформаційно-вимірювальні, контрольновимірювальні, та діагностично-вимірювальні системи (рис.4).

Завданням інформаційно-вимірювальної системи є визначення розмірів вимірюваних величин – параметрів досліджуваного об’єкту, тобто кількісного оцінювання процесів, що відбуваються в об’єкті. Такі системи переважно використовують в наукових дослідженнях.

Якщо стоїть питання встановити чи параметр (параметри) об’єкту є в нормі чи ні, то виникає потреба реалізації формування нижнього та верхнього допустимих рівнів для кожного з параметрів об’єкта, порівняння результатів вимірювань з цими рівнями і формування відповідного результату контролю. Такі функції виконують контрольновимірювальні системи. Отже, контрольно-вимірювальна система, крім кількісного оцінювання параметрів стану об’єкта, дає також якісну його характеристику: чи об’єкт (його параметри) є в нормі, чи ні.

Якщо ж один чи декілька параметрів, що характеризують стан об’єкта, виходять за межі допуску, то виникає проблема встановлення причини такого стану. Відповідь на це питання дає діагностично-вимірювальна система. У такій системі результати діагностики отримують за допомогою відповідного збудження об’єкту і вимірювання та опрацювання реакцій на ці збудження.

Взалежності від виконуваних функцій ВІС розділяються на вимірювальні системи (ВС), системи автоматичного контролю (САК), системи технічної діагностики (СТД) і системи розпізнавання образів (СРО). Дана класифікація ВІС тісно пов'язана з поняттями вимірювання -контроль – діагностика.

Вимірювання - це пізнавальний процес, який полягає у порівнянні шляхом фізичного експерименту даної величини X з якимось її значенням qx, прийнятим за одиницю порівняння. Головна мета вимірювання – визначення значення х

фізичної величини X , тобто кількісної оцінки її розміру у вигляді x=Nx qx, де Nx - числове значення величини X при прийнятому розмірі її одиниці qx. Даний алгоритм покладено в основу побудови вимірювальних систем, узагальнена функціональна схема яких зображена на рис.5 [2].

19

X, Y, Z – вимірювані

величини

Рис. 5. Узагальнена функціональна схема ВІС

Контроль є відображенням якісної сторони властивостей досліджуваного об'єкта і полягає у встановленні відповідності між параметрами цього об'єкта і заданими нормами. Норми задаються у числовій формі, у вигляді зразків такої ж фізичної природи, як об'єкти, або їх імітаторів тощо. У системах автоматичного контролю (рис.6) здійснюється вимірювання фізичних величин, які характеризують стан об'єкта, і результати вимірювань порівнюються із значеннями, прийнятими за нормах[2]. При цьому проміжні результати вимірювань, на основі яких робиться висновок про відповідність між значеннями контрольованих величин Х та їх нормою ХN, можуть на вихід системи не поступати і не фіксуватися. У результаті контролю формується твердження про стан досліджуваного об'єкту – придатний чи не придатний до експлуатації. Якщо результат контролю є негативний, тобто об'єкт не придатний до експлуатації, то виникає питання про причини, що зумовлюють це. У цьому випадку виникає необхідність здійснення технічної діагностики стану об'єкта, тобто виявлення місць його пошкодження та вияснення їх причин. До складу системи технічної діагностики (рис.7), крім блоків вимірювань і контролю, входить блок діагностичних сигналів і блок вироблення відповіді[2].

20

Рис. 6. Узагальнена функціональна схема контрольно-вимірювальної системи.

відповідний діагностичний сигналX Д , який подається на об'єкт. Блок вироблення відповіді сприймає сигнал відповіді

21

(реакції) X P об'єкта на діагностичний сигнал X Д і після його аналізу дає відповідь про причину відхилення контро-

льованого параметра X від норми.

Об'єктами технічної діагностики можуть бути будь-які технічні системи, однак СТД використовуються тоді, коли об'єкти діагнозу недоступні для безпосереднього спостереження і безпосередня участь людини неможлива, наприклад, у космічних і військових об'єктах.

Класифікація ВІС можлива ще:

1)за видом вхідної інформації

2)за видом вихідної інформації

3)за принципом побудови

За видом вихідної інформації:

1)видають кількісну інформацію (ВІС )

2)видають якісну інформацію (наприклад, системи розпізнавання образів)

За наявністю чи відсутністю каналів зв'язку:

1)системи ближньої дії

2)системи дальньої дії (телевимірювальні)

Системи розпізнавання образів призначенні для встановлення інформаційної відповідності між досліджуваним об'єктом і заданим образом. Подібно як і норма при контролі, при розпізнаванні образ може бути заданий у вигляді зразкового об'єкта або переліку його певних властивостей і значень параметрів (ознак) з вказанням полів допуску. Сфера застосування систем розпізнавання образів надзвичайно широка: від класифікації дактилоскопічних відбитків і біологічних об'єктів до розпізнавання радіосигналів і порівняння голографічних зображень.

Особливе місце серед ВІС займають телевимірювальні інформаційні системи (ТВІС), які відрізняються від вимірювальних систем і систем автоматичного контролю в основному довжиною каналу зв'язку. Інформація в ТВІС передається на великі віддалі - від сотень метрів до тисяч кілометрів. Канал зв'язку в ТВІС стає найменш надійною частиною системи і вимагає спеціального перетворення сигналів для забезпечення необхідної точності та завадостійкості передачі інформації.

ВИЗНАЧЕННЯ ПОНЯТТЯ " ВИМІРЮВАЛЬНОІНФОРМАЦІЙНА СИСТЕМА".

Сучасна інформаційно-вимірювальна техніка вирішує широке коло задач, пов'язаних із збором, перетворенням, передачею та зберіганням різноманітної інформації про стан фізичних об'єктів.

Вимірювальна система об'єднує цілий ряд вимірювальних перетворювачів і приладів, кожний з яких виконує