Цифровые измерительные приборы (ЦИП)

Принцип действия и основные узлы ЦИП, системы счисления, основные характеристики

Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называется средство измерения, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

По виду измеряемых величин цифровые измерительные приборы подразделяются на:

- вольтметры и амперметры постоянного и переменного тока (напряжения);

- омметры и мосты постоянного и переменного тока;

- комбинированные приборы;

- измерители частоты, интервалов времени и фазового сдвига;

- специализированные ЦИП, предназначенные для определения времени срабатывания различных элементов и т.д.

Диапазон измеряемых посредством ЦИП величин обычно весьма широкий и разбивается на ряд поддиапазонов. Выбор нужного поддиапазона в процессе измерения производится вручную или автоматически. Измерение на выбранном поддиапазоне всегда осуществляется автоматически.

В ЦИП происходит преобразование непрерывной измеряемой величины в цифровой код. Это осуществляется с помощью (АЦП), в котором сигнал измерительной информации подвергается дискретизации, квантованию и кодированию.

Дискретизация, т. е. процесс преобразования непрерывного сигнала измерительной информации в дискретный, может осуществляться как по времени, так и по уровню. Дискретизация по времени выполняется путем взятия отсчетов сигнала X(t) в определенные детерминрованные моменты времени. Таким образом, от сигнала измерительной информации сохраняется только совокупность отдельных значений. Промежуток времени между двумя моментами дискретизации называют шагом дискретизации. Обычно моменты отсчетов на оси времени выбираются равномерно, т. е. шаг дискретизации постоянен.

Дискретизация значений измерительного сигнала по уровню но­сит название квантования. Операция квантования сводится к тому, что непрерывная по времени и амплитуде величина заменяется ближайшим фиксированным значением по установленной шкале дискретных уровней. Эти дискретные (разрешенные) уровни образованы по определенному закону с помощью мер. Разность между двумя разрешенными уровнями называют интервалом (шагом или ступенью) квантования. Интервал квантования может быть как постоянным, так и переменным. Временная дискретизация измерительного сигнала имеет смысл, когда его величина изменяется во времени. Если измерительный сигнал постоянен, достаточно осуществить квантование. Особым случаем является измерение времени (временного интервала). Процесс дискретизации здесь теряет смысл, и осуществляется квантование самого времени.

Следующим преобразованием измерительного сигнала, является кодирование. Цифровым кодом называется последовательность цифр или сигналов, подчиняющаяся определенному закону, с помощью которой осуществляется ус­ловное представление численного значения величины. По виду выходного дискретного сигнала ЦИП и АЦП делятся на приборы с двоичной, десятичной и двоично-десятичной формами представления информации. Двоичная форма является само экономичной и используется в системных АЦП.

Основными классификационными признаками ЦИП принято считать вид измеряемой величины и способ преобразования, определяющие такие важные характеристики, как точность и быстродействие. По виду входных физических величин ЦИП объединяют в следующие группы приборов для измерения:

- постоянного и переменного тока (напряжения);

-параметров R, L и С электрических цепей;

- временных параметров (частоты, периода, временного интервала, фазы).

Разновидностями ЦИП, входящих в упомянутые группы, являются средства измерений с микропроцессорами, виртуальные приборы на основе компьютеров и цифровые осциллографы.

Наиболее важными техническими характеристиками ЦИП, определяющими возможность их использования для конкретной измерительной задачи, являются: пределы измерения, цена деления, входное сопротивление, быстродействие, точность, помехоустойчивость и надежность. Цену деления шкалы ЦИП можно определить по формуле.

z = x_max/10^m

где X_max — максимальное значение предела измерения; т — число разрядов десятичного цифрового отсчета.

Для каждого предела измерения цена деления постоянна и определяет максимально возможную разрешающую способность для данного типа ЦИП.

Разрешающая способность ЦИП – это изменение цифрового отсчета на единицу первого (младшего) разряда. Иногда под разрешающей способностью понимают значение цены деления младшего предела ЦИП.

Быстродействие определяется максимальным интервалом времени необходимым для выполнения одного полного цикла измерения (для, ЦИП это время измерения и время индикации) или преобразования (для, АЦП) входной величины. Для ЦИП с равномерной временной дискретизацией этот интервал измерения определяется шагом дискретизации ∆ t, а, быстродействие — количеством измерений (преобразований) в 1 с, т.е, значением 1/(∆ t).

Помехоустойчивость ЦИП - способность сохранять необходимую точность измерения при наличии различных возмущающих воздействий (помех). Устранить влияние помех, появляющихся вместе с сигналом на входных зажимах ЦИП, полностью нельзя. Поэтому помехоустойчивость численно характеризуется степенью подавления помех на входе ЦИП. Оценку помехоустойчивости ЦИП обычно вычисляют по отношению к аддитивным, т.е. суммирующимся с полезным сигналом помехам.

Итак, ЦИП наиболее полно удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым в настоящее время к измерительной аппаратуре, — высокая точность и быстродействие, автоматизация процессов измерения и обработки информации. Обобщенная структурная схема ЦИП показана на рис.13

Рис.13. Обобщенная структурная схема ЦИП

В цифровом приборе измеряемая величина х подается на входное устройство (ВУ), предназначенное для выделения ее из помех и масштабного преобразования. Аналого- цифровой преобразователь (АЦП) преобразует величину х' в код N, который подается на цифровое отсчетное устройство (ЦОУ), где индицируется в виде ряда цифр. Цифровые коды могут выводиться и во внешние устройства, например в компьютер для дальнейшей обработки или хранения. Управляет работой ЦИП устройство управления: (УУ) путем выработки и подачи определенной последовательности командных сигналов во все функциональные узлы.

По способу преобразования входного сигнала ЦИП условно делятся на приборы прямого и уравновешивающего преобразования. В ЦИП прямого преобразования отсутствует цепь общей отрицательной обратной связи (т.е. связь выхода с входом). Они облагают повышенным быстродействием, но прецизионные измерения возможны только лишь при высокой точности всех измерительных преобразователей, поэтому применяются редко. ЦИП уравновешивающего преобразования охвачен цепью общей обратной связи. Цепь отрицательной обратной связи представляет собой по существу цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) выходного дискретного сигнала в компенсирующую величину х_к одной физической природы с измеряемой величиной x(t).

Погрешность ЦИП уравновешивающего преобразования, охваченных отрицательной обратной связью, практически не зависит от погрешностей преобразователей цепи прямого преобразования, а определяется в основном параметрами ЦАП. Поэтому в схемах ЦАП обязательно применяются элементы достаточно высокой точности и стабильности.

По характеру изменения во времени компенсирующей величины х_к ЦИП делят на приборы развертывающего и следящего уравновешивания. Примером ЦИП первого типа являются приборы, в которых значение компенсирующей величины х_к в каждом цикле измерения возрастает от нуля ступенями, равными шагу квантования А (рис. 8.6, а).

При идентичности величин х_к = х процесс уравновешивания прекращается и фиксируется результат измерения, равный числу ступеней квантования компенсирующей величины. Отсчет показаний обычно производится в конце цикла изменения величины х_к. При этом возникает динамическая погрешность ∆_д, обусловленная изменением измеряемой величины x(t) за интервал времени между моментами уравновешивания и отсчета.

В приборах следящего уравновешивания (рис.8.6, 6) уровень компенсирующей величины не возвращается к нулю после достижения равенства с измеряемой величиной, а остается постоянным. При изменении х величина х_к соответственно отрабатывает (отслеживает) это изменение так, чтобы разность х - х_к не превышала значения шага квантования. Отсчет производится или в момент уравновешивания, или по внешним командам. Следящее уравновешивание сложнее в технической реализации, но при прочих равных условиях обеспечивает меньшую динамическую погрешность, которая не превышает шага квантования.

§8.4. Информационно-измерительные системы (ИИС) и информационно-вычислительные комплексы (ИВК)

Назначение, классификация и требования, предъявляемые к ИИС, ИВК и их элементам

ИВК представляет собой автоматизированное средство измерений электрических величин, на основе которого возможно создание информационно-измерительных систем (ИИС) путем:

–присоединения ко входу измерительных каналов ИВК первичных преобразователей (датчиков) измеряемых величин с (унифицированным) электрическим выходным сигналом;

–генерации на основе программных компонентов ИВК программ обработки информации и управления экспериментом, ориентированных на решение конкретных задач;

Рис.8.6. Временные диаграммы к схемам ЦИП уравновешивающего типа:

а)- развертывающего; б)- следящего

–присоединения к выходам каналов вывода сигналов управления объектом устройств (регуляторов), воздействующих непосредственно на объект измерений;

–модификации ИВК под конкретную задачу, для решения которой создается ИИС.

На основе ИВК могут быть созданы:

–системы автоматизации научных исследований;

–системы автоматизации испытаний или исследований изделий и объектов промышленности;

–системы автоматизации медицинских обследований и другие системы автоматизации измерений.

В состав ИВК входят технические и программные компоненты.

Технические компоненты ИВК подразделяют: основные и вспомогательные.

Основными техническими компонентами ИВК являются:

–средства измерений электрических величин, входящие в номенклатуру по ГОСТ 22261-82, - измерительные компоненты;

–средства вычислительной техники по ГОСТ 21552-84 - вычислительные компоненты;

–меры текущего времени и интервалов времени с нормированными характеристиками погрешности;

–средства ввода-вывода цифровых и релейных сигналов.

Вспомогательными техническими компонентами ИВК являются следующие функционально и конструктивно законченные технические средства обеспечения совместной работы основных технических компонентов, непосредственно не участвующие в процессе измерений:

–блоки электрического сопряжения измерительных компонентов между собой или измерительных компонентов с вычислительными компонентами (блоки интерфейсного сопряжения, контроллеры);

–коммутационные устройства, не являющиеся средствами измерений;

специализированные устройства буферной памяти;

–расширители интерфейсных линий;

–устройства расширения функциональных возможностей ИВК;

–источники питания для вспомогательных технических компонентов.

Технические компоненты ИВК, предназначенные для совместной компоновки в общих стойках или корпусах, следует изготовлять по группам эксплуатации, которые соответствуют рабочим условиям, возникающим в общих стойках или корпусах при работе ИВК в условиях эксплуатации, установленных для ИВК.

Для технических компонентов ИВК следует нормировать такие показатели надежности, которые позволяют рассчитать надежность ИВК в целом с заданной достоверностью.

Средства измерений электрических величин, предназначенные для использования в ИВК, должны соответствовать:

–требованиям ГОСТ 22261-82;

–требованиям совместимости СИА в соответствии с перечнем видов совместимости по нормативно-технической документации;

–требованиям нормативно-технической документации, устанавливающей типовые интерфейсы в части организации взаимодействия средств измерений друг с другом и с вычислительными компонентами ИВК.

Средства измерений электрических величин и средства вычислительной техники, предназначенные для совместной работы в общих корпусах или стойках ИВК должны соответствовать требованиям конструктивной и эксплуатационной совместимости.

Унифицированные несущие конструкции ИВК должны обеспечивать конструктивную совместимость технических компонентов ИВК и изготовляться в соответствии с требованиями технических условий по рабочим чертежам на унифицированные несущие конструкции, утвержденным в установленном порядке.

Программными компонентами ИВК являются системное программное обеспечение и общее прикладное программное обеспечение.

Программные компоненты ИВК образуют в совокупности математическое обеспечение ИВК и входят в комплект ИВК.

Основными признаками принадлежности к ИВК являются:

–наличие комплекса нормированных метрологических характеристик;

–блочно-модульная структура, измерительные и вычислительные компоненты которая, как правило, являются серийно выпускаемыми агрегатными средствами измерений и автоматизации (СИА);

–наличие процессора (процессоров) или ЭВМ;

–программное управление СИА, входящими в состав ИВК, от ЭВМ или процессора (процессоров);

–использование типовых интерфейсов, установленных в стандартах подуровня 2.1 структуры ЕССП, для обеспечения взаимодействия между агрегатными СИА, входящими в состав ИВК.

Примечание. В зависимости от используемой ЭВМ, структуры ИВК и решаемых задач в одном ИВК допускается применять различные типовые машинные, системные и приборные интерфейсы, а также согласованные системы интерфейсов.

По назначению ИВК классифицируют на типовые, проблемные и специализированные.

Типовые ИВК предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или исследований независимо от области применения.

Проблемные ИВК предназначены для решения широко распространенной, но специфической для конкретной области применения задачи автоматизации измерений, испытаний или исследований. При отсутствии серийных агрегатных СИА допускается разрабатывать и выпускать агрегатные СИА специально для конкретных проблемных ИВК и включать их в установленном порядке в номенклатуру агрегатных СИА. Эти СИА должны удовлетворять требованиям совместимости в соответствии с перечнем видов совместимости по нормативно-технической документации, утвержденной в установленном порядке.

Специализированные ИВК предназначены для решения уникальных задач автоматизации измерений, испытаний или исследований, для которых разработка типовых и проблемных ИВК экономически нецелесообразна. В состав специализированных ИВК, при отсутствии необходимых серийных агрегатных СИА, допускается включать специально разработанные внесистемные СИА и средства вычислительной техники.

Типовые и проблемные ИВК следует изготовлять серийно. Допускается осуществлять серийный выпуск и (или) компоновать ИВК в соответствии с индивидуальным техническим заданием (ТЗ) потребителя.

Специализированные ИВК допускается компоновать непосредственно у потребителя в соответствии с ТЗ потребителя.

Контрольные вопросы

1.В чем заключается принципы автоматизации?

2. Какова идея измерения не электрических величин? Что такое датчик? Какие датчики существуют? Знать тензометрические, термоэлектрические, пьезоэлектрические, магнитоупругие датчики. Для каких целей используются? Каковы их характеристики и особенности использования?

3.Что такое ЦИП, принцип действия его, дискретизация, квантование, кодирование? Из каких основных частей состоит? Каковы основные метрологические характеристики?

4. Что является недостатком ЦИПов по сравнению с аналоговыми приборами?

5. Что такое ИВК? Из каких основных частей состоит? Для чего используется? Виды ИВК.

6.Что является отличительным элементом автоматических систем с каналом общего пользование, как устройство сопряжения.

7. Что дает наличие персонального компьютера и измерительной платы?

8.Что ИИС? Для каких целей используются?

9. Что это за измерительная система для выявления и устранения элементов с неправильным функционированием?

Темы для рефератов

1. Измерение электрического сопротивления прямыми и косвенными методами.

2. Измерение электрической емкости прямыми и косвенными методами.

3. Измерение электрической индуктивности прямыми и косвенными методами.

4. Измерение электрического напряжения постоянного тока прямыми и косвенными методами.

5. Измерение амплитуды электрического напряжения гармонического тока прямыми и косвенными методами.

6. Измерение частоты электрического тока прямыми и косвенными методами.

7. Измерение частоты вращения вала прямыми и косвенными методами.

8. Измерение момента на валу прямыми и косвенными методами.

9. Измерение момента инерции прямыми и косвенными методами.

10. Измерение механических напряжений, возникающих в механических конструкциях.

11. Измерение амплитуды электрического гармонического тока прямыми и косвенными методами.

Дата добавления: 2014-01-05