Структура измерительных систем

Классификация приборов

Измерения необходимы в тех случаях, когда возникает необходимость в определении количественных характеристик тех или иных объектов и явлений. Следовательно, измерительная техника является основным средством познания мира.

Афоризм Д.И. Менделеева “Наука начинается с тех пор, как начинают измерять ”.

Огромна роль измерительной техники в промышленном производстве т.к. она позволяет управлять техническими процессами и повышать качество выпускаемых изделий.

В связи с многообразием измерительной техники ее классификация в целом затруднительна, поэтому рассмотрим классификацию по следующим основным признакам:

1. По областям применения

2. По выходному сигналу

3. По способу представления информации

4. По дистанционности действия

5. По методам измерений

По области применения измерительную технику можно разделить на:

По выходному сигналу измерительные приборы делятся на:

По способу представления информации визуальные приборы делятся на:

По дистанционности действия:

По методам измерений приборы делятся на использующие:

1. метод отклонений

2. разностный метод

3. нулевой метод

4. метод чередования

5. метод подстановки

6. компенсационный метод

7. мостовой метод

8. метод аналогий

9. метод повторений

10. метод перечисления

Следует особо остановиться на классах показывающих и регистрирующих приборов. Эти изделия имеют различное назначение. Показывающие приборы предназначены для визуальной оценки измеряемых физических явлений оператором и преобразуют физическую величину в отсчетные единицы на какой-либо шкале. Регистрирующие приборы предназначены для записи измерительных сигналов, пропорциональных физическим величинам.

Как правило, регистрирующие приборы работают в паре с показывающими. Они объединяются в один комплекс, или согласуются между собой.

Это необходимо для того, чтобы оператор мог контролировать качество записи, выбирать ее масштаб, выделять отдельные фрагменты или производить запись только в определенные интервалы времени, запись физического процесса называется его реализацией.

С точки зрения конструктивного оформления приборы и устройства для измерения различных физических величин чаще всего разделяют на три самостоятельных узла: датчик, измерительное устройство и отчетное устройство.

Дадим определения элементам и изделиям измерительной техники. В соответствии с рекомендациями по межгосударственной стандартизации, которые введены в действие в 2002 году.

РМГ 29-99 введён в действие вместо ГОСТ 16.263-70 (метрология термины и определения)

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменными (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

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

Измерительный преобразователь – техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Первичный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора.

Датчик – конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он “дает” информацию)

Регистрирующее устройство средства измерений – совокупность элементов средства измерений, которая регистрирует значение измеряемой или связанной с ней величины.

Измерительный сигнал – сигнал, содержащий информацию об измеряемой физической величине.

Определим структуру измерительной системы.

Очевидно, что наиболее удобным являются передача и обработка элементов сигнала.

В том случае, если измеряемый объект сам порождает электрический сигнал, то нам остается только преобразовать его. В том случае, если мы измеряем физическую величину не электрической природы, то необходимо создать датчик, преобразующий эту физическую величину в электрический сигнал.

Информация, которую мы хотим получить от измеряемого объекта не всегда имеет форму активной информации. В тех случаях, когда измеряемая величина не является активной, необходимо воспользоваться источником возбуждения, который будет оказывать воздействие на измеряемый объект. Тогда отклик объекта (вместе с самим воздействием) будет содержать желаемую информацию. Если же измеряемый объект сам порождает сигнал, уже содержащий желаемую информацию, то во внешнем возбуждения нет надобности.

Таким образом, обобщенную модель измерительной системы можно представить как

Рис. Обобщённая модель измерительной системы

К прибору подводится информационный поток в виде множества входных величин , в результате их обработки на выходе системы получаем .

Связь между входными и выходными величинами называют передаточными свойствами системы, а математическая зависимость, связывающая входное воздействие с выходным сигналом называют передаточной функцией.

Одинаковые системы характеризуются одинаковыми свойствами и передаточными функциями. Если пренебречь воздействием влияющих величин и полагать, что в данный момент времени на вход системы поступает единственная измеряемая величина Хе, то такую систему можно описать статической характеристикой вида Xa = f(Xe).

Для более общего анализа необходимо учитывать изменение Хе во времени, поэтому выражение можно переписать

Xa(t) = f [Xe(t)]

В том случае, если мы рассматриваем реакцию системы на входной сигнал, изменяющийся с какой либо частотой, то эта реакция будет зависеть от динамических характеристик системы

Xa(w) = f [Xe(w)]

Рассмотрим подробнее состав измерительной системы

Рис. Состав измерительной системы

Как правило, электрический сигнал на выходе датчика не пригоден для того, чтобы быть непосредственно представленным наблюдателю. Часто бывает необходимо сначала подвергнуть его обработке того или иного вида (усилению, фильтрации, коррекции нелинейности датчика и др.). После такой обработки сигнал может быть представлен наблюдателю на индикаторе или зарегистрирован регистратором.

Бывает так, что результат измерения не регистрируется и не воспроизводиться индикатором, а непосредственно используется для управления каким-то процессом. Целью управления процессом является такое регулирование, при котором выходной сигнал соответствует определенным требованиям.

Если управление основано на измерении такого параметра процесса, на котором не отражаются результаты управления, то система управления называется разомкнутой. В том случае, если управление базируется на измерениях, результаты которых зависят от предыдущих управляющих воздействий, то возникает замкнутый контур регулирования. Этот метод называется управление с обратной связью. Типичный пример управление кондиционером.

При проектировании измерительных систем следует иметь в виду, что измерения делятся на прямые и косвенные, что в свою очередь позволяет подразделить измеряемые физические величины на основные и производные (измеряемые с помощью основных).

Основные величины	Производные величины
1. Линейное перемещение	Длина, толщина, уровень, шероховатость поверхности, износ, вибрация, сила, давление, твердость, деформация, ускорение.
2. Угловое перемещение	Угол атаки, направление потока, угловая вибрация.
3. Линейная скорость	Угловая скорость, расход, вибрация, шум, количество движения.
4. Линейное ускорение	Вибрация, удар, масса.
5. Угловое ускорение	Угловая вибрация, момент инерции.
6. Сила	Вес, удельный вес, напор, механическое напряжение, вращающий момент, вибрация, давление, высота, шум.
7. Температура	Теплопроводность, давление, поток, скорость газа, турбулентность.
8. Свет	Световой поток, освещенность, спектр распределения, длина, механическое напряжение, частота.
9. Время	Частота, статистическое распределение, число предметов.

3. Измерительные сигналы, виды, типы модели сигналов. Классификация детерминированных сигналов.

В соответствии с РМГ 29-99 сигналы являющиеся функциональными носителями измерительной информации называются измерительными.

Согласно положениям теории информации сигналы могут различаться по их информативным параметрам.

Ограничимся рассмотрением детерминированных сигналов, поведение которых в любой момент времени известно.

Детерминированные измерительные сигналы характеризуются тем, что при повторении условий наблюдения они принимают одни и те же значения или одни и те же последовательности значений. Для их математического описания используются аналитические функции.

Очевидно, что кроме детерминированных, бывают случайные сигналы, для описания которых используются методы теории вероятности и теории случайных функций.

Здесь IP – информативный параметр.

Таким образом, сигналы могут быть аналоговыми и квантованными. Аналоговый сигнал в любой момент времени характеризуется какими-то численными значениями и может быть представлен бесконечно большим количеством значений по уровню. Квантованный сигнал, напротив, представляется конечным числом значений по уровню. Области значений, в которых определён подобный сигнал, называют интервалом (уровнями) квантования. Квантование по уровню должно быть весьма точным, однако число возможных квантованных значений (уровней квантования) конечно. Числа уровней кодируют, такие сигналы называют цифровыми. Следует отметить, что к числу аналоговых сигналов также относятся сигналы, значения которых задано лишь в определённое время – это дискретизированные сигналы.

Дата добавления: 2014-12-07