Ответы по Информационно-измерительным системам - файл 1-5.doc

приобрести
Ответы по Информационно-измерительным системам
скачать (5461.2 kb.)
Доступные файлы (12):
n1.jpg1273kb.29.12.2010 01:23скачать
n2.jpg1954kb.29.12.2010 01:23скачать
1-5.doc620kb.05.01.2011 00:38скачать
11-14.doc597kb.05.01.2011 00:42скачать
n5.doc44kb.05.01.2011 00:36скачать
n6.doc34kb.05.01.2011 00:54скачать
n7.doc33kb.05.01.2011 01:38скачать
n8.doc149kb.05.01.2011 01:40скачать
19-21.doc235kb.05.01.2011 00:46скачать
26-29.doc895kb.05.01.2011 00:49скачать
n11.doc72kb.05.01.2011 00:49скачать
6-10.doc88kb.05.01.2011 00:40скачать

1-5.doc





1) Измерительная система (ИС) — совокупность определенным образом соединенных между собой линиями связи средств измерений (измерительных преобразователей, мер, измерительных коммутаторов, измерительных приборов) и других технических устройств (компонентов измерительной системы), образующих измерительные каналы, реализующая процесс измерений и обеспечивающая автоматическое (автоматизированное) получение результатов измерений (выражаемых числом или кодом) в общем случае изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин, характеризующих определенные свойства (состояние) объекта измерений. Измерительные системы обладают основными признаками средств измерений и являются их специфической разновидностью/3/.  Основными областями применения собственно измерительных систем являются научные исследования, испытания различных объектов, учетные операции, и др.

структурная схема ИИС содержит:

. множество различных первичных измерительных преобразователей,

размещенных в определенных точках пространства стационарно или

перемещающихся в пространстве по определенному закону;

. множество измерительных преобразователей, которое может состоять

из преобразователей аналоговых сигналов, коммутаторов аналоговых

сигналов, аналоговых вычислительных устройств, аналоговых

устройств памяти, устройств сравнения аналоговых сигналов,

аналоговых каналов связи, аналоговых показывающих и

регистрирующих измерительных приборов;

. группу аналого-цифровых преобразователей, а также аналоговых

устройств допускового контроля;

. множество цифровых устройств, содержащее формирователи импульсов,

преобразователи кодов, коммутаторы, специализированные цифровые

вычислительные устройства, устройство памяти, устройство

сравнения кодов, каналы цифровой связи, универсальные

программируемые вычислительные устройства - микропроцессоры,

микроЭВМ и др.;

. группу цифровых устройств вывода, отображения и регистрации,

которая содержит формирователи кодоимпульсных сигналов,

печатающие устройства записи на перфоленту и считывания с

перфоленты, накопители информации на магнитной ленте, на

магнитных дисках и на гибких магнитных дисках, дисплеи,

сигнализаторы, цифровые индикаторы;

. множество цифроаналоговых преобразователей;

. указанные функциональные блоки соединяются между собой через

стандартные интерфейсы или устанавливаются жесткие связи;

. интерфейсные устройства (ИФУ), содержащие системы шин,

интерфейсные узлы и интерфейсные устройства аналоговых блоков,

служащие главным образом для приема командных сигналов и передачи

информации о состоянии блоков. Например, через интерфейсные

устройства могут передаваться команды на изменение режима работы,

на подключение заданной цепи с помощью коммутатора;

. устройство управления, формирующее командную информацию,

принимающее информацию от функциональных блоков и подающее

команды на исполнительные устройства для формирования воздействия

на объект исследования (ОИ).

Однако не для всякой ИИС требуется присутствие всех блоков. Для каждой

конкретной системы количество блоков, состав функций и связи между блоками

устанавливаются условиями проектирования.

В области экспериментальной аэродинамики с помощью ИИС производится измерение аэродинамических cил, распределение давления, температур, расходов газов и других величин.

Экспериментальная прочность нуждается в измерении внешних сил, воздействующих на исследуемые объекты, и реакции на их действие (напряжение в материале, смещения и т. д.), характеристики самих объектов и т. п. в качестве основных экспериментальных средств применяются ИИС.

Географические экспериментальные исследования оснащены многочисленными ИИС, в которых реализуются эффективные методы исследования строения земной коры.

В океанографических исследования с помощью ИИС происходит измерение температур, химического состава, скоростей движения, давления в водной среде и т. п.

Химические, физические, биологические экспериментальные исследования основаны на огромном количестве разнообразных методов и их реализация с помощью ИИС. Это определение состава и характеристик объекта исследования и внешних воздействий, условий эксперимента и т. п.

Для применения метеорологии, для охраны окружающей среды созданы многочисленные ИИС, позволяющие получать и обрабатывать измерительную информацию о состоянии воздушной и водной сред, о солнечной радиации и т. п.

Особо, пожалуй, следует отметить ИИС, построенных для нужд метрологических исследований и метрологического обеспечения единства измерения в стране, так как такие ИИС должны обладать высокими метрологическими характеристиками.

Огромное поле при приложении ИИС представляют комплексные испытание машин, конструкций, приборов, оборудования. Испытание таких конструкций, как суда, летательные аппараты, двигатели, требуют создания сложных технических средств в целях получения необходимой, главным образом измерительной, информации.

Медицина оснащается современными ИИС, позволяющими получать и оценивать ряд физиологических и психофизических параметров человека. Можно предполагать, что количество ИИС, применяемых в медицине, будет резко возрастать.


Структура ИИС


Д-датчики

ВЦ-выходные цепи

ПС-преобразование сигналов

МУХ-мультиплексор

МК-микроконтроллер(ВБ-вычислителный блок)

УС-устройство святи

МК-шина коле бровки

ЦСАУ-цифровая САУ

БИ-блок інтерфейс

ПУ-панель управления


2) - абсолютная погрешность средства измерения выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина. Предел допускаемой абсолютной погрешности выражается:
, где a – постоянная величина;
Например: зная, что эталонное значение частоты генератора Fat = 100 Hz, а измеренное Fi = 104 Hz, то = Fi – Fat = 104 – 100 = 4 Hz;


- относительная погрешность есть отношение абсолютной погрешности к значению измеряемой величины. Предел относительной погрешности в % выражается формулой:

, где X – конечное значение диапазона измерений или диапазона значений сигнала на входе преобразователя;
Например: зная, что эталонное значение частоты генератора Fat = 125 Hz, измеренное Fi = 123 Hz, конечное значение диапазона X = 65535 Hz, то:
(абс.) = Fi – Fat = 123 – 125 = |2| Hz;

(относит.) 0,003 %;

Остановимся несколько подробнее на информационно-измери­тельной технике (ИИТ). Она предназначена для получения опыт­ным путем количественно определенной информации о разнообраз­ных объектах материального мира. Основными процессами, позволяющими получить такую инфор­мацию, являются обнаружение событий, процессы счета, измере­ния, контроля, распознавания образов, диагностики.

Согласно ГОСТ 16263-70 измерение это нахождение зна­чения физической величины опытным путем с помощью специаль­ных технических средств. В процессе измерения получается чис­ленное отношение между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.

Под контролем понимается установление соответствия меж­ду состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате контроля выдается суждение о состоянии объекта контроля.

Распознавание образов связано с установлением соответст­вия между объектом и заданным образом. Так же как и норма при контроле, при опознании образ может быть задан в виде об­разцового изделия или в виде перечня определенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска. Нужно заметить, что в целом ряде практических приложений по­нятия контроля и распознавания образов совпадают.

Во многих случаях для восстановления нормальной работы объекта необходимо выявить элементы, послужившие причиной его неправильного функционирования. Такое направление развития методов и средств контроля работы технических устройств называ­ется технической диагностикой.

Счет, т. е. определение количества каких-либо событий или предметов, в ИИТ относительно редко имеет самостоятельное зна­чение и чаще входит составляющей операцией в процессы измере­ния, контроля и т. д.

Во всех перечисленных процессах, используемых в ИИТ, име­ются общие черты. Все эти процессы обязательно включают вос­приятие техническими средствами исследуемых (измеряемых, кон­тролируемых) величин, весьма часто с преобразованием в некото­рые промежуточные величины, сравнение их опытным путем с известными величинами, с описаниями состояний или свойств объ­ектов, формирование и выдачу результатов в виде именованных чисел, их отношений, суждений, основанных на количественных со­отношениях.

Измерительные информационные системы должны воспринимать изучаемые величины непосредственно от объекта, а на их выходе должна получатся количественная информация (и только информация) об исследуемом объекте;

3.) Классификация входных величин ИИС:


1. По энергетике:

- активные

- пассивные

2. По способу измерения:

- постоянные

- импульсные

- непостоянные

- быстро осциллирующие

- периодические

- непериодические

Все средства связи, которые на сегодняшний день используются в мире, основаны на передаче электрического тока из одной точки в другую. Как работа в сети Internet, так и разговор с другом по телефону обеспечиваются за счет постоянного протекания тока по оборудованию телекоммуникационной инфраструктуры. По каналам связи могут передаваться различные типы сигналов.

Аналоговые и цифровые сигналы коренным образом отличаются друг от друга. Условно можно сказать, что они находятся на разных концах одного и того же спектра. Из-за таких существенных различий между двумя типами сигналов для организации "моста" между ними приходится использовать промежуточные устройства, наподобие цифро-аналоговых преобразователей (они рассматриваются ниже в текущей главе).

Основное различие между аналоговыми и цифровыми сигналами заключается в самой структуре сигнального потока. Аналоговые сигналы представляют собой непрерывный поток, характеризующийся изменениями частоты и амплитуды. Это означает, что форма аналогового сигнала обычно похожа на синусоиду (т.е. гармоническую волну), представленную на рис. 1.2. Зачастую на иллюстрациях, изображающих гармоническую волну, весь сигнал характеризуется одним и тем же соотношением частоты и амплитуды, однако при графическом представлении сложной волны видно, что такое соотношение изменяется в зависимости от частоты.



Цифровым сигналам соответствуют дискретные электрические значения, которые передаются индивидуально по некоторой физической передающей среде. В отличие от аналоговых сигналов, в которых количество возможных значений амплитуды почти бесконечно, для цифровых сигналов она может принимать одно из двух (или четырех) различных значений — как положительных, так и отрицательных. Цифровые сигналы передаются в виде единиц и нулей, которые обычно называют двоичными. Более подробно потоки цифровых сигналов рассматриваются в главе 3, "Аналого-цифровое преобразование".

Как и в любой другой технологии, для описания аналоговых сигналов используются базовые концепции и собственная терминология. Непрерывные аналоговые сигналы имеют три основные характеристики:

•    амплитуду;

•    длину волны;

•    частоту.

Аналоговый сигналсигнал, значения которого существуют и определяются в области непрерывного пространства, то есть в пространстве, которое не является дискретным.

Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом. Аналоговым сигналам противопоставляются дискретные (квантованные, цифровые). При этом имеется в виду не восстановленные дискретные сигналы в аналоговый сигнал электронными системами квантования и дискретно-аналогового восстановления

Дискретный сигнал - информационный сигнал, который представляется в виде отдельных отсчетов, взятых по времени (как правило, согласно теореме Котельникова), но, в отличие от цифрового сигнала, не обязательно квантованных по уровню. Сигнал называется дискретным, если он может принимать лишь конечное число значений.
4) Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасам Зеебеком в 1822 г. (Если гомогенный материал, обладающий свободными зарядами, имеет разную температуру на измерительных контактах, то между контактами возникает разность потенциалов). Для нас более привычно обычно приводимое в литературе несколько другое определение эффекта Зеебека – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями. Второе определение, очевидно, следует из первого и дает объяснение принципу работы и устройству термопары.

Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01°С. Они вырабатывают на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.

      Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

   Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.

   Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов, либо в разрыв одного из них .


Схемы включения термопары в измерительную цепь: а — измерительный прибор 1 подключен соединительными проводами 2 к концам термоэлектродов 3 и 4; б — в разрыв термоэлектрода 4; T1, Т2 — температура «горячего» и «холодного» контактов (спаев) термопары.

   В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения

   Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной( температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары ). Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая.

   При выборе термопары для производства замеров температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона. В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д.

3. Термопары типа ТХА, ТХК, ТПП.

Термопара (термоэлектрический преобразователь) типа ТХА, ТХК, ТПП и пр. состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов, обладающих разными термоэлектрическими свойствами. Спаянный конец, называемый «рабочим спаем», погружается в измеряемую среду, а свободные концы («холодный спай») термопары подключаются ко входу измерителей-регуляторов. Если температуры «рабочего» и «холодного спаев» различны, то термопара вырабатывает термоЭДС. которая и подается на прибор

Поскольку термоЭДС зависит от разности температур двух спаев термопары, то для получения корректных показаний необходимо знать температуру «холодного спая», чтобы скомпенсировать эту разницу в дальнейших вычислениях. В модификациях входов, предназначенных для работы с термопарами, предусмотрена схема автоматической компенсации температуры свободных концов термопары. Датчиком температуры «холодного спая» служит полупроводниковый диод, установленный рядом с присоединительным клеммником. Подключение термопар к прибору должно производиться с помощью специальных компенсационных (термоэлектродных) проводов, изготовленных из тех же материалов, что и термопара. Допускается использовать провода из металлов с термоэлектрическими характеристиками, аналогичными характеристикам материалов электродов термопары в диапазоне температур 0...100 °С. При соединении компенсационных проводов с термопарой и прибором необходимо соблюдать полярность. Во избежание влияния помех на измерительную часть прибора линию связи прибора с датчиком рекомендуется экранировать. В качестве экрана может быть использована заземленная стальная труба. При нарушении указанных условий могут иметь место значительные погрешности при измерении

Преимущества и недостатки термопар.

Главные преимущества термопар:
- широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков.
- спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом.
- простота изготовления, надежность и прочность конструкции.
Недостатки термопар:
- необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
- возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.
- материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.
- на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.
- зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
- когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.
5)























Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации