Информационно-измерительные системы

Измерительные комплексы и системы – это совокупность устройств, обеспечивающих получение результатов измерений разнородных величин, их совместную обработку и выдачу результатов измерений в различных шкалах (наименований, порядка, интервалов). Отдельные средства измерений, входящие в такие системы, могут быть удалены друг от друга на большие расстояния. Они передают результаты измерений по каналам связи в единый центр, оснащенный вычислительными устройствами, который производит обработку поступающей информации, выдачу ее потребителям и управление структурно-локализованными частями системы.

Блок схема информационно-измерительной системы представлена на рис. В нее входят унифицирующие преобразователи, коммутатор ,блок управления и устройство представления информации.

Унифицирующие преобразователи представляют собой устройства, преобразующие различные по физической величине величины в унифицированные сигналы (ток, напряжение, последовательность импульсов). Коммутатор осуществляет последовательный опрос унифицирующих преобразователей. Он может выполняться на базе контактных или бесконтактных элементов. Коэффициент коммутации определяет качество коммутации

,

где сопротивление коммутатора в закрытом состоянии;

сопротивление коммутатора в открытом состоянии.

Коммутаторы на контактных элементах характеризуются , при этом они обладают низкой эксплуатационной надежностью. Коммутаторы на бесконтактных элементах наоборот, обладают высокой надежностью, но при этом .

Устройство представления информации выводит оператору данные о результатах измерения непосредственно в единицах измеряемой величины. Блок управления определяет очередность опроса унифицирующих преобразователей и синхронизирует работу коммутатора и устройства представления информации.

В информационных системах используют три вида унифицирующих сигналов: аналоговые; аналогово-импульсные и цифровые.

Аналоговые унифицирующие сигналы представляют собой напряжение или ток, в которые информация закладывается в амплитуду или частоту этих сигналов. Постоянное напряжение , где унифицирующий сигнал, а контролируемая величина. Переменное напряжение ; . Недостаток аналоговых унифицирующих сигналов – низкая помехозащищенность. Такие сигналы используются в системах контроля, размещенных в непосредственной близости от объекта контроля.

Аналогово-импульсные унифицирующие сигналы. Представляют собой постоянное (прямоугольное) напряжение или ток, в которых информация закладывается в а амплитуду (амплитудно-импульсная модуляция), в частоту (частотно-импульсная модуляция) или фазовый сдвиг (фазово-импульсная модуляция). Аналогово-импульсные сигналы имеют повышенную помехозащищенность, т.к. в зависимости от вида внешних помех могут быть выбраны наиболее помехоустойчивая форма модуляции импульсных сигналов.

Цифровые унифицирующие сигналы. Такие сигналы построены по системе двоичного исчисления и выполняются в виде импульсных сигналов, размещаемых в течение заданного периода времени на определенных интервалах этого периода. Каждому импульсному сигналу присваивается свой цифровой код. Цифровые коды обладают высокой помехозащищенностью и используются в системах контроля, удаленных на значительное расстояние от объекта контроля.

Считывание информации осуществляется с помощью трех типов унифицирующих преобразователей (датчиков): локализованных; сканирующих; континуальных.

Локализованные датчики устанавливаются в конкретной точке объекта контроля и выдают информацию о состоянии объекта в этой точке. Их используют для контроля точечных, линейных, плоскостных и объемных параметров. Недостаток локализованных датчиков – большое количество датчиков и соединительных цепей.

Сканирующие датчики выполняют перемещение по определенной линии и выдают информацию в отдельных точках по линии перемещения. Их используют для контроля линейных, плоскостных и объемных объектов. Эти датчики выполняются с одним, двумя и четырьмя направлениями выдачи информации.

Континуальные датчики размещаются по определенной линии и выдают информацию одновременно по всей линии датчика. Используются для контроля линейных, плоскостных и объемных объектов. Эти датчики выполняются по подобию локализованных и сканирующих измерительных преобразователей.

По характеру выходного сигнала унифицирующие преобразователя делят на параметрические и генераторные. В параметрических УП выходной величиной является параметр электрической цепи (R, L, C). В генераторных УП выходной величиной является ЭДС, генерируемая самим преобразователем. В зависимости от вида унифицирующего преобразователя и от целевой функции (измерения полного значения контролируемой величины или отклонение от заданного значения) и соотношения сопротивления преобразователя и нагрузки между унифицирующим преобразователем и коммутатором размещают цепь предварительного преобразователя и согласующую цепь. Согласующая цепь используется для согласования по напряжению, сопротивлению и мощности выхода генераторного преобразователя или выхода цепи предварительного преобразования с параметрическим преобразователем с входом коммутатора.

По способу преобразования входного сигнала согласующие цепи делятся на два вида: цепи прямого преобразования и цепи уравновешивающего преобразования. Цепи прямого преобразования выполняются в виде последовательно соединенных узлов и могут обеспечить высокую чувствительность за счет включения дополнительных узлов, но при этом увеличивается погрешность преобразования. Согласующие цепи уравновешивающего преобразования выполняются в виде замкнутых схем, в которых часть выходного сигнала подается на вход цепи и сравнивается в входным сигналом. Метрологические характеристики цепей уравновешивающего преобразования определяются в основном параметрами узла обратной связи. Это дает возможность строить цепи с высокой точностью преобразования за счет включения образцовых высокочувствительных элементов только в цепь обратной связи.

В связи с разнообразием требований к информационно-измерительным системам и условиям их эксплуатации, существуют различные ИИС по назначению, характеристикам, а следовательно существенно различаются и по структурам, функциональным схемам, основным блокам, средствам измерения, автоматизации и алгоритму работы. В быстродействующих ИИС, работающих в реальном масштабе времени, объединяются процедуры измерения и обработки информации. Существенно расширяется применение устройств памяти, используются наборы функциональных устройств. Возможна работа с оператором в диалоговом режиме работы, а также измерительные и контрольные работы.

Микропроцессорные системы и микроЭВМ в измерительной технике

Упрощенную структуру ЭВМ можно представить четырьмя основными узлами (рис.).

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции.

Управляющее устройство (УУ) управляет работой всех основных узлов, а также потоками информации внутри ЭВМ. Действия УУ определяются командами. Совокупность команд, которые должны быть выполнены при решении задачи называют программой.

Запоминающее устройство (ЗУ) или память ЭВМ служит для хранения программ и данных. Память состоит из ячеек, а ячейки из элементов, которын могут хранить только одну двоичную цифру 1 ил 0. Совокупность единиц и нулей, заполняющих ячейку, представляет собой содержимое ячейки. Чтобы вывести и извлечь содержимое необходимо указать адрес ячейки.

Периферийные устройства – это устройства ввода и вывода информации, выполняющих функции считывания данных магнитного или оптического носителя; преобразования их в форму, требуемую для ввода в ЭВМ, и отображения результатов обработки информации в виде числе, графиков, текста на экране монитора, вывода на бумажный носитель или записи на иной носитель информации. Арифметическое устройство и устройство управления рассматривают как единое целое и называют центральным профессором. В большинстве микроЭВМ связь процессора, оперативной памяти и устройства ввода-вывода друг с другом осуществляется через общую магистраль (шину).

Любая ИИС имеет сложную структуру и включает в себя большое количество устройств различного назначения – измерительные преобразователи (датчики), контроллеры и др. Основой построения ИИС является формирование ее в соответствии с заданными техническими условиями из типовых, а в некоторых случаях из специальных блоков или устройств. Для того, чтобы эти устройства могли функционировать совместно, они должны иметь общий стандартный интерфейс. Чаще других применяют приборные стандартные интерфейсы IEEE-448 и HP-IP (ГОСТ 26.003-80). Эти интерфейсы ориентированы на сопряжение устройств, располагаемых на расстоянии 20 м, и позволяют иметь в системе до 15 приборов.

Все приборы, входящие в состав ИИС можно разделить на 4 группы:

• группа А – осуществляет функции приема, передачи данных и управления объектом;

• группа В – осуществляет функции приема и передачи данных;

• группа С – осуществляет только функции передачи данных;

• группа D – осуществляет только функции приема данных.

Структура, может включать в себя приборы всех групп, объединенные общей шиной (см. рис.).

Расшифровка сигналов:

Шина данных DIO предназначена для передачи информации.

Шина согласования: DAV – линия сопряжения данных; NRED - линия готовности к приему; NDAC – сигнализация принятия данных.

Шина общего управления: ATN – линия управления для команды, посланной контроллером; IFC – линия очистки интерфейса; SRQ – линия запроса на обслуживание; REN – линия разрешения дистанционного управления (приводит все схемы в нормальное состояние); EOT – линия конца обработки или идентификации (посылка команды указывающей на окончание передачи сообщений по шине данных).

В приборах, входящих в измерительную систему, микропроцессор используется также для связи приборов в единый комплекс, кодирования и декодирования данных, передаваемых по каналам связи; повышения надежности системы путем защиты данных от искажений.

Применение микропроцессора изменяет компоновку схемы прибора. Главная особенность обычного варианта цифрового прибора, включая такие операции, как умножение и линеаризация, выполняются до преобразования в цифровую форму. При обычном варианте построения прибор нуждается в большом количестве логических схем для управления процессом измерения, выводом информации на монитор, для управления работой входных и выходных устройств сопряжения. При использовании микропроцессора в приборе аналогово-цифровой преобразователь перемещается ко входу, так что основная доля обработки сигналов осуществляется цифровым способом.

Измерительно-вычислительные комплексы. Системы, содержащие программно-управляемые цифровые вычислительные средства обладают определенной универсальностью и при соответствующем программном обеспечении могут выполнять функции систем различного назначения. Измерительные системы, содержащие такие вычислительные средства, называют измерительно-вычислительными (ИВС). Универсальное ядро ИВС называют измерительно-вычислительным комплексом (ИВК).

Измерительно-вычислительный комплекс – автоматизированные средства измерения и обработки информации, предназначенные для исследования сложных объектов и представляющие собой совокупность программно-управляемых средств (измерительных и вычислительных) и средств воздействия на объект исследования.

В состав ИВК входят часть аналоговых преобразователей (коммутаторы), аналогово-цифровые преобразователи, часть цифровых преобразователей (цифровые коммутаторы и устройства памяти), ЭВМ, набор устройств отображения и регистрации информации, средства интерфейса и устройства, формирующие воздействие на исследуемый объект.

Метрологические характеристики средств измерений справедливы и для ИИС. Дополнительными являются погрешности от взаимного влияния измерительных каналов и погрешности аппроксимации, обусловленные неточным воспроизведением непрерывного значения измеряемой величины по дискретным значениям.