Чернівецький національний університет
ім. Ю.Федьковича
Навчальний курс: "інформаційно-вимірювальні системи"
Рекомендована література
Основна
Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники.- Киев, “Вища школа”, 1982. (455 с).
Туричин А.М., Новицкий П.В., Левшина Е.С. и др. Электрические измерения неэлектрических величин. Изд. 5-е, перераб. и доп. Под ред. Новицкого П.В. Ленинград, “Энергия”, 1975.
Додаткова
Готра З.Ю., Ильницкий Л.Я., Полищук Е.С. и др. Датчики. Справочник. Под ред. Готры З.Ю. и Чайковского О.И.- Львов, “Каменяр”, 1995. (312 с).
Агейкин Д.И. Костина Е.Н. Кузнецов Н.Н. Датчики контроля и регулирования.- Москва, “Машиностроение”, 1965. (628 с).
Полищук Е.С. Измерительные преобразователи.- Киев, “Вища школа”, 1981. (296с).
Електричні вимірювання електричних та неелектричних величин. За ред. Поліщука Є.С.- Київ, “Вища школа”, 1978. (352 с).
ВИМІРЮВАЛЬНІ ІНФОРМАЦІЙНІ СИСТЕМИ
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИМІРЮВАЛЬНІ ІНФОРМАЦІЙНІ СИСТЕМИ
Цей курс інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) присвячений розгляду методів вимірювання різноманітних електричних і неелектричних величин і побудові вимірювальних приладів, що реалізують ці методи. Також вивчатиметься структура та принцип роботи не тільки окремих приладів, а і вимірювальних систем.
Інформаційні системи вирішують коло завдань, пов'язаних зі збором, переробкою, передачею, зберіганням, пошуком і видачею різноманітної інформації людині.
Ті з інформаційних систем, які призначаються для одержання й обробки вимірювальної інформації, одержали назву вимірювальних інформаційних систем.
Система поєднує безліч приладів і перетворювачів, кожний з яких виконує відносно прості функції. При цьому вона являє собою не просто суму незалежних приладів, а об'єднання взаємозалежних приладів, що беруть участь спільно у виконанні деякої складної функції або ряду функцій. Для системи характерно автоматичне виконання всіх функцій, починаючи від збору інформації й кінчаючи її відображенням або введенням в ЕОМ.
Відповідно до ГОСТ 8.437-81 інформаційно-вимірювальна система (в подальшому – ІВС) – це
сукупність функціонально об'єднаних вимірювальних, обчислювальних і інших допоміжних технічних засобів для одержання вимірювальної інформації, її перетворення, обробки з метою подання споживачеві в необхідному виді або автоматичному здійсненні функції контролю, діагностики, ідентифікації.
ІВС виконує такі функції:
збирає інформацію на об'єкті;
обробляє її;
передає на відстань.
Далі інформація про значення вимірюваних величин або про результати їхньої обробки використовується для оперативного керування об'єктами або накопичується з метою наступного формування тих або інших характеристик об'єктів, зведених статистичних відомостей і ін.
Але й у тих випадках, коли інформація не використовується для оперативних дій, кінцева мета її збору, як правило, полягає в тім, щоб прямо або побічно сприяти активній діяльності людини.
Якщо ІВС представляє вимірювальну інформацію людині, то вона в остаточному вигляді повинна бути виражена у формі, сприйманої органами почуттів — зором, у першу чергу, і слухом, у другу чергу.
Візуальне відтворення можливе в аналоговій або цифровій формі за допомогою показуючих чи реєструючих приладів.
Прилади, що показують, застосовуються, коли інформація використовується людиною безпосередньо при її одержанні.
Прилади, що реєструють, застосовуються, коли інформація призначається для наступного використання. При цьому, як правило, інтерес представляє зміну вимірюваних величин у часі, так що прилади, що реєструють, видають при аналоговому відтворенні двохкоординатні криві (по одній координаті - час, по іншій - вимірювана величина), при цифровому відтворенні - таблиці, у яких кожному дискретному значенню вимірюваної величини відповідає значення часу.
Якщо інформація надходить у регулюючі або керуючі пристрої, в ЕОМ (комп’ютер) або в пристрої довгострокового зберігання, то вона представляється на виході ІВС у вигляді електричних сигналів – аналогових або цифрових. При цьому ті дані, які призначаються не для оперативного використання при їхньому одержанні, запам'ятовуються разом з координатами часу, що вводять у пристрої зберігання також у вигляді цифрових електричних сигналів.
Існує кілька різновидів ІВС.
Вимірювальні системи. Їхня функція складається в одержанні кількісної інформації про значення фізичних величин шляхом прямих, сукупних, непрямих вимірів.
Системи автоматичного контролю. Їхня функція складається у встановленні відповідності між станом об'єкта й заданою нормою й у виробітку судження про даний або (чи) про майбутній стан об'єкта.
За допомогою таких систем виміряються фізичні величини, що характеризують стан об'єкта, і результати вимірів порівнюються зі значеннями, що прийняті за норму.
Системи технічної діагностики. Їхня функція складається в контролі стану різних технічних пристроїв, у тому числі пристроїв автоматики, обчислювальної техніки, радіотехніки, у виявленні їхніх відмов і визначенні несправних елементів. Для таких систем характерне застосування спеціальних методів пошуку несправностей.
Системи впізнання образів. Їхня функція складається у визначенні відповідності між досліджуваним об'єктом і заданим образом. Образом можуть бути "людина", "буква А", "цифра 8", "нормальний стан об'єкта контролю" і т.п.
Особливе місце серед ІВС займають телевимірювальні системи, функції яких звичайно такі ж, як у вимірювальних систем і систем автоматичного контролю. Однак вони мають істотну особливість: у них інформація про значення вимірюваних величин передається на більші відстані - від сотень метрів до тисячі кілометрів.
ІВС може існувати й використатися самостійно, але може й входити як складова частина в більше складну інформаційну систему, що виконує збір і обробку не тільки вимірювальної, але й іншої інформації, або в керуючу систему, що виконує не тільки збір і обробку інформації, але й активний вплив на об'єкти.
Зазначимо характерні риси ІВС.
1. ІВС властива централізована структура. Інформаційні потоки спрямовані в один центральний пункт, рідше - у кілька центрів, взаємно координованих. В ієрархічних системах керування інформація направляється спочатку в підлеглі пункти керування, а з них частина інформації або результати її обробки надходять у центральний пункт керування.
2. Призначення ІВС звичайно полягає в тому, щоб поставляти інформацію для активного використання в тих або інших випадках людської діяльності. Ця особливість проявляється в остаточному підсумку навіть у тих ІВС, які збирають інформацію дослідницького характеру.
З. Для ІВС, що збирають інформацію про велику кількість величин (параметрів технологічного процесу, наприклад), характерне використання загальних блоків, пристроїв або приладів, які по черзі передають, перетворюють, обробляють сигнали від різних датчиків. Кожний такий загальний блок обслуговує, таким чином, безліч окремих інформаційних каналів. Системи, які містять загальні блоки, що обслуговують безліч інформаційних каналів, називаються багатоканальними. Як правило, більшість ІВС є багатоканальними.
Приклади загальних блоків (пристроїв): аналого-цифровий перетворювач; пристрій обробки інформації; канал зв'язку.
Із приводу термінів "канал зв'язку" і "інформаційний канал" варто зробити зауваження. По одному каналу зв'язку може бути організована передача сигналів безлічі інформаційних каналів. Таким чином, цілком природно поняття багатоканальної ІВС із одним каналом зв'язку. У цьому випадку той самий термін "канал" використається в різних значеннях. Позбутися від цього не вдається, тому що існує історично сформована термінологія.
Забезпечення багатоканальності ІВС пов'язане з рішенням ряду складних проблем;
а) комутації сигналів на вході й виході загального блоку (пристрою) ;
б) синхронізації вихідного комутатора із вхідним (особливо ускладнене це завдання в телевимірювальних системах, де комутатори перебувають на різних кінцях каналу зв'язку);
в) забезпечення достатньої швидкодії (при фіксованій швидкодії загального блоку період, з яким обслуговується даний канал, росте пропорційно числу каналів);
г) забезпечення достатньої надійності (вихід з ладу загального блоку порушує роботу відразу всіх інформаційних каналів; одним зі шляхів радикального підвищення надійності систем є резервування загальних блоків);
д) уніфікації сигналів на входах і виходах окремих пристроїв, особливо на виходах первинних вимірювальних перетворювачів, тобто датчиків (без такої уніфікації надзвичайно скрутне використання загальних блоків в ІВС — потрібні індивідуальні нормалізуючі перетворювачі);
е) масштабування цифрових шкал (незважаючи на розходження діапазонів зміни вимірюваних величин і їх розмірності загальний аналого-цифровий перетворювач одержує на вході уніфіковані сигнали одного діапазону й видає цифрові результати також в одному діапазоні; кожний такий результат вимагає потім множення на індивідуальний для кожного каналу коефіцієнт - тільки тоді вихідні цифрові прилади будуть відтворювати величини у властивих їм одиницях виміру).
У тих випадках, коли інформацію доводиться передавати на значні відстані (далі декількох сотень метрів), появляє ся досить складна проблема організації й раціонального використання каналів зв'язку. З одного боку, потрібно використати канали ощадливо, обходячись мінімальною їхньою кількістю при мінімальній ширині займаної ними частотної смуги. З іншого боку, потрібно забезпечувати при цьому певні характеристики швидкодії, точності й вірогідності передачі. А канали лімітують швидкість передачі, і тим сильніше, чим менше ширина їхньої частотної смуги, і наявність перешкод у каналі приводить до спотворень сигналів.
При побудові ІВС економіко-технічні проблеми мають набагато більше значення, чим при побудові окремих вимірювальних приладів. Від правильного вибору структури ІВС часто істотно залежить вартість її й всієї системи в цілому. Наприклад, у системі, що містить первинні вимірювальні перетворювачі (датчики) з різними видами й діапазонами вихідних сигналів, потрібно приводити всі ці сигнали до одного виду й діапазону. При цьому можливі два рішення: а) використання індивідуальних перетворювачів,; .6) використання групових перетворювачів. Груповий перетворювач обслуговує групу однотипних, первинних перетворювачів (датчиків) з однаковими діапазонами сигналів. Звичайно він складніше індивідуального перетворювача, і розробка його може скласти важке завдання. Але зате ІВС із груповими перетворювачами може виявитися на сотні тисяч гривень дешевше, ніж ІВС із індивідуальними перетворювачами.
6. На вибір виду й структури ІВС можуть істотно впливати певні обмеження, зв'язані зі специфікою керованих або досліджуваних об'єктів: по масі, габаритам, по вибухобезпечності, по кліматичних умовах, по виду наявного енергоживлення й т.п.
В ІВС знаходять застосування різні вимірювальні перетворювачі й прилади. Особливо варто виділити: аналого-цифрові й цифро-аналогові перетворювачі (датчики), цифрові що показують і реєструють пристрої. Без елементів цифрової техніки неможливо організувати ІВС у сучасному їхньому виді й розмаїтості, хоча в найпростішому варіанті й можлива побудова ІВС із одних лише аналогових приладів.
До згаданих приладів в ІВС використовуєтьсятакож ряд специфічних блоків, приладів і пристроїв:
комутатори (пристрої обігу. рос.–обегания);
уніфікуючі (нормалізуючі) перетворювачі, індивідуальні й групові;
перетворювачі кодів (з однієї системи числення в іншу, з паралельної форми подання в послідовну й назад);
блоки формування й перевірки завадозахищених кодів;
пристрою обробки інформації (корекції нелінійності, масштабування, виявлення відхилень і ін.);
пристрою сигналізації відхилень вимірюваних величин від установлених;
пристрою буквенно-цифрової реєстрації;
блоки кодування часу;
екранні пульти (дисплеї);
канали зв'язку, точніше, сукупність технічних засобів, що утворять канали зв'язку.
СПЕЦИФІЧНІ БЛОКИ Й ВУЗЛИ ІВС
Нормалізуючі перетворювачі
На мал. 5.26 показані приклади структурних схем найпоширеніших типів перетворювачів, що нормалізують: для термопар; для термометрів опору; для диференційно-трансформаторних датчиків. Всі вони видають сигнал постійної напруги з уніфікованим діапазоном (наприклад, від 0 до 10 Вольт).
Схема для термопар (мал. 5.26,а) включає елемент компенсації температури холодного спаю ЭК, підсилювач постійного струму УПТ і елемент лінеаризації ЭЛ. Останній може бути відсутнім, якщо функція лінеаризації виконується загальним пристроєм обробки інформації.
Схема для термометрів опору включає міст М, одним із пліч якого служить терморезистор R, і підсилювач постійного струму УПТ.
Схема для диференційно-трансформаторних датчиків (мал. 5.26, в) містить підсилювач змінного струму У і фазочутливий випрямляч ФЧВ.
Нормалізуючі перетворювачі можуть бути індивідуальними й груповими.
Рис. 5.26
Вхідні й вихідні перемикачі (комутатори). Вхідний перемикач має індивідуальні входи Bxl,..., BxN загальний вихід Вых (мал. 5.27,а), вихідний перемикач (мал. 5.27,6) має зворотню структуру. Перший по черзі подає вхідні сигнали на загальний вимірювальний перетворювач, і до його ключів K1, ..., KN висуваються певні вимоги метрологічного характеру.
Рис. 5.27
Другий розподіляє по вихідних пристроях ІВС (виходи Вых1, ......, BыхN) результати обробки інформації. Найчастіше ці результати подаються у вигляді дискретних сигналів - логічних і цифрових. Тоді до ключів вихідного комутатора не висуваються метрологічні вимоги. У цьому змісті він простіше вхідного перемикача. Однак при видачі цифрових сигналів у вигляді паралельного m–розрядного коду приходиться одночасно комутувати m ланцюгів на вході кожного індивідуального вихідного пристрою. Тому вихідні перемикачі мають звичайно більше число елементів.
У деяких (досить рідких) випадках і до вихідних перемикачів пред'являються метрологічні вимоги. Це буває, коли в ІВС використовуються аналогові прилади відтворення інформації, що містять усередині аналогові елементи пам'яті.
Перемикання вхідних і вихідних ланцюгів може вестися або завжди в одному порядку (у режимі циклічного "обегания"), або в довільному порядку (у режимі програмного або адресного опитування, що задається блоком керування ІВС).
Робота вхідних і вихідних перемикачів повинна бути синхронізована. При цьому звичайно потрібно дотримуватися певного часового зміщення (зсуву) в їхній роботі, що залежить від часу обробки інформації в загальних блоках і пристроях ІВС.
У системах з далекими зв'язками (телевимірювальних) завдання синхронізації ускладнюється, тому що невигідно займати канали зв'язку сигналами керування перемикачами. У таких системах установлюють окремі блоки керування перемикачами на передавальній і приймальні сторонах і передають по каналі зв'язку лише рідкі синхронізуючі сигнали для блоку керування, розташованого на прийомній стороні.
Ключі у вхідних перемикачах бувають послідовні (для сигналів від джерел напруги) і паралельні (для сигналів від джерел струму). Якщо джерела можуть мати загальну точку, то потрібно по одному ключу для кожного. Якщо ж об'єднання не допускається, то потрібно по два ключа.
На мал. 5.28,а показана структура послідовного ключа при наявності загальної точки між окремими джерелами сигналів U, а на мал. 5.28,6 - при відсутності її. В обох схемах RHпредставляє загальний опір навантаження.
На мал. 5.29,а показана структура паралельного ключа із загальною точкою між джерелами струмів І, а на мал. 5.29,б з відсутністю її. Ланцюг джерела струму звичайно не допускає розриву. Тому ключ повинен бути перекидним і направляти струм або в RH, або в шунтувальний ланцюг. Додатково може бути поставлена вимога, щоб шунтувальний ланцюг замикався до розмикання ланцюга струму через RH.
Ключі бувають контактні й безконтактні. Останні не забезпечують повного розриву ланцюга в розімкнутому стані й нульового
Мал.5.28
Мал..5.29
опору контакту в замкнутому стані. Але вони повинні забезпечувати задану точність комутації. Стосовно до послідовних ключів це означає, що напруга на навантаженні при замкнутому стані ключа uн. з і при розімкнутому стані uн. рповинні відповідати умовам:
де u — вхідна напруга; umax- umin— діапазон значень вхідної напруги; δ — допустима наведена погрішність комутації; n -число ключів в одному перемикачі.
Перша умова повинна дотримуватися не тільки при самостійній роботі одного ключа, але й при його використанні в складі перемикача. При цьому відхилення uн. звід u створюється не тільки неідеальністю параметрів даного замкнутого ключа, але й струмами витоку інших розімкнутих ключів.
Друга умова суворіша в порівнянні з
першою з тієї причини, що в перемикачі
з n ключів струми витоку (втрат), що
пропускаються ними в навантаження в
розімкнутому стані, підсумовуються.
У деяких випадках допускається комутація напруги з фіксованим відносним зменшенням рівня, тобто з коефіцієнтом α< 1. Тоді точне співвідношення
αu =
допустимі відхилення визначаються умовами: (5.59) (5.60)
Умови (5.59) (5.60)
Для паралельних ключів повинні дотримуватися умови, аналогічні (5.57) і (5.58), із заміною напруг і струмами Із тими ж індексами.
Контактні перемикачі будуються на реле або крокових шукачах. Існують обертові перемикачі спеціального виконання з електромашинним приводом.
Безконтактні перемикачі будуються на напівпровідникових елементах — діодах і транзисторах. На мал. 5.30 показані схеми двох транзисторних перемикачів із ключами послідовного типу. Перший (мал. 5.30,а) виконаний на біполярних транзисторах. Кожний ключ утворений парою транзисторів, наприклад VT’1і VT1", одночасно відкриваються або замикаються сигналом керування.
Модуляційні перетворювачі.До модуляційних перетворювачів відносяться вимірювальні перетворювачі, у яких вимірювана величина модулює який-небудь параметр несучого коливання – синусоїдального чи імпульсного, а також зворотні перетворювачі (демодулятори).
В ІВС застосовуються різні види таких модуляторів і демодуляторів, і особливо широко ті з них, які забезпечують малі спотворення інформації при впливі перешкод і змін загасання сигналів у каналі зв'язку. До них відносяться частотні й частотно-імпульсні, широтно- і фазоімпульсні модулятори. Вони ж знайшли застосування і в ІВС ближньої дії завдяки простоті перетворення частоти й часового інтервалу в число. Це робиться за допомогою схем рахунку імпульсів.
Поряд з перерахованими видами модуляції в ІВС досить поширена амплітудно-імпульсна модуляція, незважаючи на те, що для передачі по протяжних каналах зв'язку вона не використається. Головне місце її застосування - це вхід ІВС. Вхідний перемикач циклічно обігає джерела інформації, "вирізує" з їхніх сигналів імпульси, амплітуди яких рівні окремим дискретним значенням цих сигналів.
Перетворювачі кодів.Перетворення кодів застосовуються в ІВС із різними цілями: для переходу від однієї системи числення до іншої, для захисту від перешкод, для зміни форми подання коду (з переходом з паралельної в послідовну й назад. На мал. 5.34 наведена функціональна схема однієї декади дешифратора, що перетворить двоїчно-десятковий код в одинично-десятковий для керування цифровим індикатором. Число таких незалежних декад, установлюваних в одному дешифраторі, визначається числом десяткових розрядів коду.
Рис.34
Пристрої сигналізації відхилень вимірюваних величин від уставок. Функція порівняння вимірюваних величин з уставками й сигналізації відхилень від уставок характерна для широко розповсюдженого різновиду ІВС - систем централізованого контролю. У перші роки існування таких систем у них застосовувалися аналогові пристрої порівняння й уставки задавалися також в аналоговій формі. У цей час практично у всіх системах порівняння з уставками виконується в цифровій формі загальним пристроєм обробки інформації, що являє собою ЕОМ. Уставки при цьому задаються в цифровій формі й зберігаються в пам'яті машини. У складних системах уставки можуть задаватися й коректуватися автоматично по командах від керуючої обчислювальної машини.
Результати порівняння з уставками видаються звичайно на світлові табло. Часто ці табло розміщають у мнемосхемі контрольованого об'єкта, зображеної на щиті диспетчера. Для залучення уваги оператора до зміни сигналів на табло кожну таку зміну супроводжують загальним звуковим сигналом, наприклад у вигляді дзвінка. Крім того, табло, на яких змінився сигнал, починають мигати. Оператор виключає звуковий сигнал і переводить табло в режим рівного світіння натисканням спеціальної кнопки.
Пристрої буквено-цифрової реєстрації. Ці пристрої призначені в ІВС для видачі друкованих відомостей, що відбивають хід контрольованих процесів у часі (із заданою періодичністю), відомості про порушення нормальних режимів роботи, дані статистичного характеру про об'єкт, результати обробки інформації, звіти про господарсько-економічну й фінансову діяльність підприємств і т.п. При наявності ЕОМ у системі використається універсальний швидкодіючий пристрій широкої печатки..
Блоки кодування часу. Ці блоки формують кодовані сигнали, що відповідають поточному часу. Такі сигнали використаються різними пристроями програмного керування в тих випадках, коли виконання певних дій пов'язане з поточним значенням часу. Крім того, значення часу реєструється друкувальним пристроєм разом з відомостями про всякі події, наприклад про вихід параметрів за межі норми.
Електронні пульти (дисплеї).Це пристрої відображення інформації на екранах електронно-променевих трубок (ЭЛТ), здатні працювати в діалоговому режимі (тобто в режимі оперативного обміну повідомленнями) з ЕОМ. На екрані може відображатися як буквенно-цифрова, так і графічна інформація, притім не тільки в білому або чорно-білому, але й у кольоровому варіанті.
По способу формування зображення на екрані ЭЛТ пристрою відображення діляться на растрові й координатні. У перших зображення формується шляхом послідовного (по рядках і усередині рядків) завдання яскравості крапок телевізійного растра. У других зображення формується з відрізків прямих (або кривих), що задають координатами початку й кінця відрізка.
Роботою всіх блоків і регенерацією зображень на екрані ЭЛТ із такою частотою, щоб вони сприймалися оком як неперервні, управляє блок керування БУ. У якості БУ може бути застосований мікрокомп'ютер, тоді його оперативна пам'ять заміняє буферний запам'ятовувальний пристрій.
Канали зв'язку. Для передачі повідомлень на відстані, що перевищують кілька кілометрів, в ІВС рідко виділяються самостійні лінії зв'язку, оскільки вартість їхнього спорудження висока. Канали великої довжини для передачі повідомлень в ІВС організуються звичайно на лініях зв'язку, використовуваних в основному для телефонування й телеграфування. На одній лінії створюють безліч каналів, розділяючи їх по частоті за допомогою амплітудної або частотної модуляції. Крім ліній зв'язку для організації каналів використаються високовольтні лінії електропередачі. Канали по цих лініях створюються шляхом накладення високочастотних сигналів. Нарешті, для організації каналів. використаються радіолінії спрямованої дії, що працюють у діапазоні ультракоротких хвиль. Такі лінії називають радіорелейними. Рідше використаються радіолінії ненаправленої дії. Останнім часом одержують поширення оптичні канали зв’язку , що відрізняються високою завадостійкістю й пропускною здатністю.