Комплексные средства измерений

Классификация средств измерений

Структура и технические средства измерительной системы

Коды в ИИТ

Кодирование

Кодирование- процедура сопоставления дискретному сообщению вида: ai (i=1, 2, 3, …,к) определенной последовательности кодовых символов, выбираемых из конечного множества различных элементарных кодовых символов: bi (i=1, 2, 3, …,m).

Кодом называется любое обозначение, отличное от общепринятого. В кодировании используются различные типы кодов: равномерный, неравномерный, избыточный, безизбыточный, помехоустойчивый, оптимальный.

Базовыми являются коды Морзе и Шеннона - Фанно.

Код Морзе: наиболее часто встречающимся знакам присваиваются наименее короткие и наоборот.

Код Шеннона – Фанно: принцип кодирования состоит в следующем: множество кодируемых знаков разбиваются на две группы, так, чтобы вероятности их встречаемости были одинаковыми.

Наличие избыточности в сообщении часто оказывается полезным и даже необходимым, т.к. позволяет обнаруживать и исправлять ошибки, т.е. повысить достоверность воспроизведения его. Если избыточность в сообщении не используется для повышения достоверности, то она должна быть исключена. Это достигается использованием специального статистического

кодирования. При этом избыточность сигнала уменьшается по отношению к избыточности сообщения.

Избыточное кодирование уменьшает неопределенность воспроизведения передаваемого сообщения, т.е. уменьшает ошибки при его приеме.

Избыточностью кода называют разность между средней длинной слова и энтропией.

Избыточность находят следующим образом:

R=1-HфHм, где:

Hф - фактическая энтропия,

Hм - максимальная энтропия.

Понятие "средство измерений" является одним из важнейших в теоретической метрологии.

Средство измерений — это техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Средство измерений является обобщенным понятием, объединяющим самые разнообразные конструктивно законченные устройства, которые реализуют одну из двух функций:

· воспроизводят величину заданного (известного) размера - например, гиря — заданную массу, магазин сопротивлений — ряд дискретных значений сопротивления;

· вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о значении измеряемой величины.

Очевидно, что СИ должны содержать устройства (блоки, модули), которые выполняют эти элементарные операции. Такие устройства называются элементарными средствами измерений. В их число входят измерительные преобразователи, меры и устройства сравнения

Измерительный преобразователь — это техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе и выполняющее одно частное измерительное преобразование, т.е. операцию преобразования входного сигнала X в выходной Y, информативный параметр которого с заданной степенью точности функционально связан с информативным параметром входного сигнала и может быть измерен с достаточной степенью точности. Информативным параметром входного сигнала СИ является параметр входного сигнала, функционально связанный с измеряемой величиной и используемый для передачи ее значения или являющийся самой измеряемой величиной.

Мера — это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного (одно­значная мера) или нескольких (многозначная мера) размеров, зна­чения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Устройство сравнения (компаратор) — это средство измерений, дающее возможность выполнять сравнение мер однородных величин или же показаний измерительных приборов.

Обобщенная структурная схема СИ показана на рис. 1. Входным сигналом является измерительный сигнал, один из параметров которого однозначно связан с измеряемой ФВ:

где а₀ — информативный параметр входного сигнала; T(t) — измеряемая ФВ; а₁, а₂,..., а_n— неинформативные параметры входного сигнала. Неинформативным параметром входного сигнала СИ называется его параметр, не используемый для передачи значения измеряемой величины.

Входной сигнал преобразуется измерительным преобразователем в пропорциональный ему сигнал X₁. Следует отметить, что преобразователь может отсутствовать, тогда входной сигнал будет подаваться непосредственно на один из входов устройства сравнения. Однако в большинстве случаев он входит в состав СИ.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема средства измерения

Сигнал с выхода измерительного преобразователя поступает на первый вход устройства сравнения, на второй вход которого подается известный сигнал с выхода многозначной меры. Роль меры могут выполнять самые разные устройства.

Сравнение измеряемой и известной величин осуществляется при помощи устройства сравнения. Роль последнего в простейших СИ, имеющих отсчетные шкалы, выполняет человек.

Устройство сравнения дает информацию, о том, какое значение выходного сигнала многозначной меры должно быть установлено автоматически или при участии оператора. Процесс изменения прекращается при достижении равенства между величинами X₁ и Хм с точностью до кванта [Q].

Таким образом, структурная схема, показанная на рис. 1, описывает три возможных варианта:

· СИ включает все блоки и вырабатывает сигнал Y₁, доступный восприятию органами чувств человека. Возможно формирование выходных сигналов Y₁ и Y₂, предназначенных только для преобразования другими СИ;

· СИ состоит только из измерительного преобразователя, выходной сигнал которого равен Y₃;

· СИ содержит только меру, выходной сигнал которой равен Y₂. В общем случае выходной сигнал Y(X) описывается выражением

Y=Y{ b₀[Х], b₁, b₂,..., b_m, S₁, S₂,...,S_L, ξ_1, ξ_2,…, ξ_k}, где b₀[Х] - информативный параметр выходного сигнала, функционально связанный с информативным параметром входного сигнала; b₁, b₂,..., b_m — неинформативные параметры выходного сигнала; S_1, S_2,…, S_L — параметры СИ, зависящие от его методической и аппаратной реализации; ξ_1, ξ_2,…, ξ_k — влияющие величины. Неинформативным параметром выходного сигнала СИ называется параметр, не используемый для передачи или индикации значения информативного параметра входного сигнала.

В заключение отметим, что СИ могут работать в двух режимах: статическом и динамическом. Статический режим — это такой режим работы СИ, при котором изменением измеряемой величины за время, требуемое для проведения одного измерения, можно пренебречь. В динамическом режиме такое пренебрежение недопустимо, поскольку указанное изменение превышает допустимую погрешность.

Средства измерений, используемые в различных областях науки и техники, чрезвычайно многообразны. Однако для этого множества можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем СИ независимо от области применения. Эти признаки положены в основу различных классификаций СИ, которые рассмотрены далее.

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства изме­рений, СИ делятся на:

• метрологические, предназначенные для метрологических це­
лей — воспроизведения единицы и (или) ее хранения или передачи
размера единицы рабочим СИ;

• рабочие, применяемые для измерений, не связанных с переда­
чей размера единиц.

Подавляющее большинство используемых на практике СИ принадлежат ко второй группе. Метрологические средства измере­ний весьма немногочисленны. Они разрабатываются, производятся и эксплуатируются в специализированных научно-исследова­тельских центрах.

По уровню автоматизации все СИ делятся на три группы:

• неавтоматические;

• автоматизированные, производящие в автоматическом режиме
одну или часть измерительной операции;

• автоматические, производящие в автоматическом режиме
измерения и все операции, связанные с обработкой их результатов,
регистрацией, передачей данных или выработкой управляющих
сигналов.

В настоящее время все большее распространение получают ав­томатизированные и автоматические СИ. Это связано с широким использованием в СИ электронной и микропроцессорной техники.

По уровню стандартизации средства измерений подразделя­ются на:

• стандартизованные, изготовленные в соответствии с требова­ниями государственного или отраслевого стандарта;

• нестандартизованные (уникальные), предназначенные для
решения специальной измерительной задачи, в стандартизации
требований к которым нет необходимости.

По отношению к измеряемой физической величине средства измерений делятся на:

• основные — это СИ той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей;

• вспомогательные — это СИ той физической величины, влияние которой на основное

средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерения требуемой точности.

Классификация по роли в процессе измерения и выполняемым функциям является основной и представлена на рис.2. Эле­менты, составляющие данную классификацию, рассмотрены в по­следующих разделах.

Рис. 2. Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям.

По местоположению в измерительной цепи преобразователи делятся на первичные и промежуточные. Первичный преобразователь -это такой ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. он является первым в измерительной цепи средством измерений. Промежуточные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного. Зачастую конструктивно обособленные первичные измерительные преобразователи называют датчиками. Например, резистивный датчик перемещения — это первичный преобразователь, в котором перемещение преобразуется в изменение активного сопротивления.

По характеру преобразования входной величины ИП делятся на линейные и нелинейные. Линейный преобразователь — это ИП, имеющий линейную связь между входной и выходной величинами. Их важной разновидностью является масштабный ИП, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз. Его уравнение преобразования имеет вид Y=kX, где X, Y — однородные входная и выходная величины; k — постоянный коэффициент передачи. Примерами масштабных преобразователей могут служить усилители, делители напряжения, измерительные трансформаторы напряжения. У нелинейных ИП связь между входной и выходными величинами нелинейная.

По виду входных и выходных величин ИП делятся на:

· аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;

· аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

· цифроаналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.

Комплексные средства измерений предназначены для реализации всей процедуры измерения. Согласно классификации, по роли в процессе измерения и выполняемым функциям (см. рис. 2), к ним относятся измерительные приборы и установки, измерительные системы и измерительно-вычислительные комплексы.

Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне ее изменения и выработки сигнала измерительной информации, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Отсчетное устройство — это элемент СИ, преобразующий измерительный сигнал в форму, доступную восприятию органами чувств человека. По форме представления показаний отсчетные устройства делятся на аналоговые и цифровые.

Классификация измерительных приборов. Для учета всех осо­бенностей многообразных измерительных приборов применяют классификацию по различным признакам. По форме индикации измеряемой величины различают измерительные приборы:

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

• регистрирующие, предусматривающие регистрацию показаний на том или ином носителе информации, например на бумажной ленте. Регистрация может производится 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 сигналов приборы подразделяют на аналоговые и цифровые.

Измерительная установка. Это — совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в удобной для непосредственного восприятия наблюдателем форме и расположенная в одном месте.

Измерительную установку, предназначенную для испытания каких-либо изделий, называют испытательным стендом (например, для измерения удельного сопротивления электрических материалов, испытания магнитных материалов).

Измерительную установку с включенными в нее эталонами, применяемую для поверки СИ, называют поверочной установкой (например, установка для поверки вольтметров). Некоторые большие измерительные установки, используемые главным образом в машиностроении, называют измерительными машинами (например, силоизмерительная машина, делительная машина).

Измерительные системы — это совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Примерами могут служить системы, развернутые на крупных предприятиях и предназначенные для контроля технологического процесса производства какого-либо изделия, например производства стали, электроэнергии и т.п.

Важной их разновидностью являются информационно-измерительные системы (ИИС), предназначенные для представления измерительной информации в виде, необходимом потребителю. По организации алгоритма функционирования различают системы:

· с заранее заданным алгоритмом работы, правила функционирования которых не меняются, поэтому они могут использоваться только для исследования объектов, работающих в постоянном режиме;

· программируемые, алгоритм работы которых меняется по заданной программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования;

· адаптивные, алгоритм работы которых, а в ряде случаев и структура, изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта.

Наиболее перспективным методом разработки и производства ИИС является метод агрегатно-модульного построения изсравнительно ограниченного набора унифицированных, конструктивно законченных узлов или блоков. При построении агрегатированных систем должны быть решены задачи совместимости и сопряжения блоков как между собой, так и с внешними устройствами. Применительно к ИИС существует пять видов совместимости:

· информационная, которая предусматривает согласованность входных и выходных сигналов по видам и номенклатуре, информативным параметрам и уровням;

· конструктивная, обеспечиваемая согласованностью эстетических требований, конструктивных параметров, механических сопряжений блоков при их совместном использовании;

· энергетическая, предполагающая согласованность напряжений и токов, питающих блоки;

· метрологическая, обеспечивающая сопоставимость результатов измерений, рациональный выбор и нормирование метрологических характеристик блоков, а также согласование параметров входных и выходных цепей;

· эксплуатационная, т.е. согласованность характеристик блоков по надежности и стабильности, а также характеристик, определяющих влияние внешних факторов.

Дата добавления: 2014-01-20