рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Измерительные информационные системы

Измерительные информационные системы - раздел Спорт, Учебное пособие подготовлено старшим преподавателем отделения: Эксплуатации систем трубопроводного транспорта и автоматизации технологических процессов 2.5.1 Информация. Форма Существования Информации В Памяти Эвм 2.5.1....

2.5.1 Информация. Форма существования информации в памяти ЭВМ

2.5.1.1 Информация. Термин «информация» происходит от латинского слова «informatio», что означает сведения, разъяснения, изложение.

Слово «информация» большинству интуитивно понятно. В обиходе информацией называют любые данные или сведения, которые кого-либо интересуют. Например, сообщение о каких-либо событиях, о чьей-либо деятельности. «Информировать» в этом смысле слова означает «сообщить нечто, неизвестное ранее».

Определение термина «информация» зависит от контекста, в котором он употребляется. Когда понятию невозможно дать однозначное определение, то оно становится почти философским, и каждый автор может претендовать на собственное определение. Отсюда следует факт, что информация – это фундаментальное научное понятие, наряду с веществом и энергией.

В определенных науках Вселенную рассматривают с точки зрения потоков вещества и энергии. Однако на мир можно посмотреть с точки зрения потоков информации. Например, все человечество в его эволюции занимается получением, накоплением, обработкой и созданием новой информации, а современные техника и технологии позволяют быстро обрабатывать информацию и обмениваться ей.

Можно дать определение термину «информация» в широком смысле – это отражение реального мира, а в узком смысле – любые сведения, являющимися объектом хранения, передачи и преобразования.

Таким образом, информация – сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состояниях, которые воспринимают информационные

 

системы (живые организмы, управляющие машины и т.п.) в процессе жизнедеятельности и работы.

 

Информация есть характеристика не сообщения, а соотношения между сообщением и его потребителем. Без наличия потребителя, хотя бы потенциального, говорить об информации бессмысленно.

В случае, когда говорят об автоматизированной работе с информацией посредством каких-либо технических средств, обычно в первую очередь интересуются не содержанием сообщения, а тем, сколько символов это сообщение содержит.

Применительно к компьютерной обработке данных под информацией понимают некоторую последовательность символических обозначений (букв, цифр, закодированных графических образов и звуков и т.п.), несущую смысловую нагрузку и представленную в понятном компьютеру виде. Каждый новый символ в такой последовательности символов увеличивает информационный объем сообщения.

2.5.1.2 Термины и определения.

Информационные технологии – это машинизированные (инженерные) способы обработки информации, которые реализуются посредством автоматизированных информационных систем.

Содержание информационных технологий. Понятие технологии включает комплекс научных и инженерных знаний, воплощенных в приемах труда, наборах материальных, технических, энергетических, трудовых факторов производства, способов их соединения для создания производства и услуги.

Термин «технология» с компьютеризацией и машинизацией всех сфер приобретает статус термина «информационные технологии».

Информационные технологии содержат:

- определенные наборы материальных средств (носители информации, средства оценки ее состояния, обработки, передачи и т.д.);

- способы взаимодействия материальных средств;

- совокупность определенных методов организации работы специалистов.

Информационные технологии решения большого числа разных задач включают процедуры, которые могут быть сгруппированы по функциональным и временным стадиям:

- сбор и регистрация информации;

- передача информации к месту обработки;

- машинное кодирование данных;

- хранение данных;

- поиск данных;

- вычислительная обработка данных;

- тиражирование информации;

- использование информации, т.е. принятие решений.

Как правило, информация подвергается всем процедурам преобразования, но в ряде случаев некоторые процедуры могут отсутствовать. Последовательность выполнения процедур также бывает различной, а некоторые из них могут повторяться.

Данные – любая информация, понятная для человеческого мозга или вычислительного устройства, благодаря упорядоченному представлению, т.е. это краткая информация, пригодная для дальнейшей обработки.

Передачей информации называется процесс её пространственного переноса от источника к получателю (адресату).

Хранение и накопление информации – это ее запись во вспомогательные запоминающие устройства на различных носителях для последующего использования.

Поиск данных – это выборка нужных данных из хранимой информации, включая поиск информации, подлежащей корректировке или замене.

Обработка информации – получение одних информационных объектов из других информационных объектов путем выполнения некоторых алгоритмов.

Канал связи (англ. channel, data line) — система технических средств и среда распространения сигналов для односторонней передачи данных от источника к получателю.

Источник информации – тот элемент окружающего мира (объект, процесс, явление, событие), сведения о котором являются объектом преобразования.

Потребитель информации – элемент окружающего мира, который использует информацию (для выработки поведения, для принятия решения, для управления или для обучения).

Сигнал – материальный носитель, который фиксирует информацию для переноса ее от источника к потребителю.

Модель – это описание системы, отображающее определенную группу ее свойств. Создание модели системы позволяет предсказывать ее поведение в определенном диапазоне условий.

2.5.1.3 Форма существования информации в памяти ЭВМ. Чтобы с информацией можно было работать, обрабатывать и преобразовывать, необходимо представить ее в виде какой-либо структуре.

Достаточно часто информацию представляют в виде одномерной последовательности символов.

Под многомерным представлением информации понимают расположение ее элементов на двумерной плоскости или в трехмерном пространстве в виде рисунков, схем, объемных макетов. При этом появляется множество характеристик информации (цвет, размер, положение, состав, структура).

 

Создание того или иного представления информации называется кодированием. Кодирование можно представить как перевод информации из ее естественной формы существования в форму, удобную для хранения, передачи и обработки.

Возврат информации в исходную форму называется декодированием.

При кодировании добиваются следующих целей:

- информация становится удобной для физического воспроизведения;

- информацию можно с высокой скоростью передавать и обрабатывать;

- уменьшается избыточность сообщений;

- появляются надежность, как защита от случайных искажений, и сохранность, как удобство для хранения и защита от преднамеренных повреждений.

В ЭВМ для хранения информации существуют различные запоминающие устройства. Информация хранится в форме двоичного цифрового кода. Это связано с тем, что технически реализовать такую память проще. Электронные элементы, из которых состоит память, могут находиться только в одном из двух устойчивых состояний. Эти состояния сравнивают с нулем «0» или единицей «1».

В одном элементе памяти можно хранить минимальное количество информации. Это минимальное количество информации называют битом. Слово «бит» является сокращением от двух английских слов: Binary (двойной) + digit (цифра) = BIT.

Последовательное объединение битов формирует более крупную единицу информации – ячейку. Ячейка, состоящая из восьми битов, называется байтом.

Аппаратная часть компьютеров оперирует машинными словами, которые представляют собой определенное количество последовательных бит, воспринимаемых как единое целое. Длина машинного слова зависит от конкретного ЭВМ.

2.5.2 Количество информации

2.5.2.1 Измерение количества информации. Допустим, нам что-либо требуется найти или определить в той или иной системе. Есть такой способ поиска как «деление пополам». Например, кто-то загадывает конкретное число из множества от 1 до 100, а другой должен его отгадать, получая лишь ответы «да» или «нет». Задается вопрос: число меньше? Ответ и «да» или «нет» сократит область поиска вдвое. Далее по той же схеме диапазон снова делится пополам. В конечном итоге число будет найдено.

Подсчитаем сколько вопросов надо задать, чтобы найти задуманное число. Допустим загаданное число равно 27.

Вопрос 1. Больше 50? Ответ – нет.

Вопрос 2. Больше 25? Ответ – да.

Вопрос 3. Больше 38? Ответ – нет.

Вопрос 4. Меньше 32? Ответ – да.

Вопрос 5. Меньше 29? Ответ – да.

Вопрос 6. Больше 27? Ответ – нет.

Вопрос 6.Это число 26? Ответ – нет.

 

Если это число не 26 и не больше 27, то это число явно 27. Чтобы угадать методом деления пополам число из множества чисел от 1 до 100 потребовалось всего 7 вопросов.

Возникает законный вопрос: а почему именно так надо задавать вопросы? Ведь, например, можно просто спрашивать: это число 1? Это число 2? И так далее. Но тогда потребуется задавать много больше вопросов.

«Деление пополам» самый короткий и рациональный способ найти число.

Объем информации, содержащийся в ответе «да» или «нет» равен 1 бит. Итак для угадывания числа из множества чисел от 1 до 100 потребовалось 7 бит (семь ответов «да» - «нет»).

где N – количество значений;

k – количество бит.

Такой формулой можно представить, сколько вопросов (бит информации) потребуется, чтобы определить одно из возможных значений.

Формула Хартли

где N – общее количество элементов;

I – количество информации (для приведенного примера I = k, т.е. количество информации, необходимой для определения конкретного элемента из множества N).

Формула Хартли определяет количество необходимой информации для выявления определенного элемента из множества при условии, что все элементы равновероятны.

В случае, когда вероятность элементов неодинакова, для определения количества информации, достаточной для выявления элемента, используют формулу Шеннона

где Pi – вероятность того, что именно i сообщение выделено из множества N сообщений.

Если вероятности P1,…, PN равны, то каждая из них равна 1/N, и формула Шеннона превращается в формулу Хартли.

Чем больше I, тем больше информации содержится в системе. Максимальное значение I имеет лишь тогда, когда все исходы равновероятны.

В мире компьютеров количество информации определяется с помощью битов, байтов, килобайтов, мегабайтов, гигабайтов ит.д.

В одном бите можно зафиксировать лишь два состояния. В двух битах – четыре состояния. В трех – восемь, и т.д. В компьютерной технике 8 бит называются байтом. Почему именно восемь бит в байте? Отчасти из-за того, что 256 состояний достаточно, чтобы закодировать алфавит того или иного языка мира. Т.е. на каждую букву отводится 1 байт, который может быть в соответствующем букве состоянии.

 

 

2.5.3 Процесс передачи информации. Универсальная схема передачи информации показана на рисунке 141.

Рисунок 141 – Универсальная схема передачи информации

 

Информация передается в виде сообщений от некоторого источника информации к ее приемнику посредством канала связи между ними. Источник посылает передаваемое сообщение, которое кодируется в передаваемый сигнал. Этот сигнал посылается по каналу связи. В результате в приемнике появляется принимаемый сигнал, который декодируется и становится принимаемым сообщением.

Передача информации по каналам связи часто сопровождается воздействием помех, вызывающих искажение и потерю информации.

Сообщение от источника к приемнику передается в материально-энергетической форме (электрический, световой, звуковой сигналы и т.д.). Человек воспринимает сообщения с помощью органов чувств. Приемники информации в технике воспринимают сообщения с помощью различной измерительной и регистрирующей аппаратуры. В обоих случаях с приемником информации связано изменение во времени какой-либо величины, характеризующей состояние приемника.

В этом смысле информационное сообщение можно представить функцией x(t), характеризующей изменение во времени материально-энергетических параметров физической среды, в которой осуществляются информационные процессы.

Функция x(t) принимает любые вещественные значения в диапазоне изменения времени t.

Если функция x(t) непрерывна, то имеет место непрерывная (или аналоговая) информация, источником которой обычно являются различные природные объекты (температура, давление, влажность и др.).

Если функция x(t) дискретна, то информационное сообщение явно разделяется на отдельные элементы (например, как слова в тексте).

Информация существует не только в виде данных, но и в виде знаний. Здесь знания – это совокупность объективных факторов, способов и технологий, систематизированных и дающих реальное представление о предметах, процессах и явлениях, т.е. специальным образом структурированная информация.

 

2.5.4 Назначение измерительных информационных систем (ИИС) и обеспечение системной, информационной и конструктивной совместимости

2.5.4.1 Назначение ИИС. Развитие научных исследований (исследования океана, исследование вещества, исследование недр Земли), рост выпуска промышленной продукции и связанная с этим автоматизация технологических процессов и контроля качества продукции, централизованное управление крупными энергетическими системами, системами газоснабжения и другими системами привела к необходимости измерять и контролировать десятки, сотни , а иногда тысячи физических величин (ФВ), характеризующих тот или иной процесс.

Такие массовые измерения возможны только при автоматизации измерений.

Эти задачи решают измерительные информационные системы (ИИС), определение и классификация которых рассмотрены в п. 2.1.4 настоящего пособия.

2.5.4.2 Разнообразие требований, предъявляемых к ИИС и условий их работы привели к необходимости иметь различные ИИС по назначению и характеристикам. Однако разрабатывать различные ИИС для каждого конкретного случая нерационально. Поэтому наиболее перспективным методом проектирования ИИС в настоящее время стал принцип агрегатно-модульного построения различных систем из сравнительно ограниченного набора выпускаемых промышленностью унифицированных блоков и модулей.

Унифицированные блоки и модули, предназначенные для построения ИИС, входят в агрегатные комплексы государственной системы приборов (ГСП), и они имеют определенные нормированные метрологические, информационные, конструктивные и эксплуатационные характеристики, т.е. имеют метрологическую, информационную, конструктивную и эксплуатационную совместимость (системную совместимость).

Информационная и конструктивная совместимость обеспечивается стандартными интерфейсами, под которыми понимаются как средства сопряжения отдельных модулей и блоков, так и правила обмена информацией между блоками, перечень команд, виды и параметры сигналов, несущих как служебную, так и измерительную информацию.

2.5.5 Основные элементы измерительных информационных систем (ИИС)

2.5.5.1 Унифицированные преобразователи. Датчики, применяемые в ИИС, могут различаться по своему принципу действия и, следовательно, иметь различные по характеру и диапазону изменения выходные сигналы.

Для возможности многократного использования устройств в различных каналах измерения (или контроля) сигналы, несущие информацию о значениях измеряемых величин, должны быть унифицированы. Эта операция выполняется унифицированными преобразователями (УП).

Помимо образования унифицированного сигнала, УП при необходимости выполняют дополнительные функции:

- обеспечивают изменение унифицированного сигнала от нуля до

 

установленного наибольшего значения при изменении измеряемой величины в пределах от х1 до х2 (х1 х2);

- выполняют нелинейное преобразование выходного сигнала датчика с целью получения линейной зависимости значений унифицированного сигнала от измеряемой величины.

Стандарты ГСП нормируют значения выходных сигналов УП. Так, например, нормированное значение постоянного тока от 0 до 5; от 0 до 10; от4 до 20 мА, напряжения постоянного тока от 0 до 10 В и др.

2.5.5.2 Коммутаторы применяются в ИИС для временного разделения измерительных каналов, т.е. поочередного подключения датчиков или УП к блокам передачи, преобразования и воспроизведения измерительной информации.

К коммутаторам ИИС предъявляется ряд требований, вытекающих из условий их работы, и требований, предъявляемых к ИИС.

Наиболее характерные требования к коммутаторам:

- недопустимость внесения заметной погрешности в измерения. Погрешность, вносимая коммутатором, может быть определена как погрешность коэффициента передачи коммутатора

где Авых – сигнал на выходе коммутатора;

Авх - сигнал на входе коммутатора;

βк – коэффициент передачи коммутатора.

- обеспечение требуемой частоты переключения измерительных каналов. Быстродействие коммутатора обычно выражается числом переключений в единицу времени.

Коммутаторы с нормированной погрешностью называются измерительными.

Наибольшее распространение получили электронные коммутаторы с применением интегральных схем.

По принципу построения коммутаторы могут быть:

- с отключением невыбранных каналов;

- с закорачиванием невыбранных каналов;

- комбинированные;

- одноступенчатые;

- многоступенчатые.

На рисунке 142 показана одна из возможных структурных схем одноступенчатого коммутатора. Генератор тактовых импульсов ГТИ с заданной частотой выдает импульсы на распределитель импульсов РИ, который своими сигналами поочередно при помощи ключей К1 – Кn подключают измерительные преобразователи к нагрузке Zн.

На рисунке 143 показан двухступенчатый коммутатор. Измерительные преобразователи (ИП) разбиваются на m групп с равным числом n преобразователей в каждой группе.

В цепи каждого ИП имеется ключ (ключи K1, K2, …, Kn). Каждая группа ИП имеет групповой ключ (ключи ).

 

Рисунок 142 – Коммутатор одноступенчатый

 

Схема управления ключами имеет два распределителя импульсов РИ1 и РИ2, работающих от генератора ГТИ.

Алгоритм работы распределителей импульсов следующий. В исходном состоянии распределитель РИ2 находится в первом положении, при этом ключом К1ʹ включаются на нагрузку Zн ключи первой группы. Распределитель РИ1 поочередно замыкает цепи всех ИП и на выходе получаются сигналы только от первой группы преобразователей.

После опроса всех ИП первой группы распределитель РИ2 переходит во второе положение и происходит процесс опроса всех ИП второй группы. Цикл завершается подключением сигналов ИП группы m.

Очевидно, что общее число каналов в данном случае Достоинствами двухступенчатого коммутатора является сокращение элементов схемы управления приблизительно в раз и пониженная частота работы групповых ключей, что позволяет в некоторых случаях применять ключи с механическими контактами (например, электромагнитные реле) обеспечивающее лучшие метрологические характеристики коммутатора вследствие идеальности ключей.

Рисунок 143 – Коммутатор двухступенчатый

 

2.5.5.3 Уставки и устройства сравнения. В подсистемах автоматического контроля ИИС регистрируются или сигнализируются отклонения контролируемых величин от установленных параметров контроля. Для этой цели в ИИС применяются уставки и устройства сравнения. Эти устройства делают общими для всех контролируемых величин, но автоматически перестраиваемыми одновременно с переключением каналов для контроля изменений физических величин в каждом канале.

Уставки задают номинальные значения измеряемых величин либо в аналоговой форме, либо в цифровой.

Простейшими аналоговыми уставками являются уставки, задающие номинальные значения контролируемых величин и их допустимые отклонения от номинальных значений в виде напряжения постоянного тока.

Известны различные схемы и конструкции уставок, зависящие от предъявляемых требований к ним (число контролируемых параметров, требования к точности, быстродействию).

На рисунке 144 показан пример упрощенной схемы уставки с выдачей номинального значения контролируемой величины (например, температуры объекта) в виде напряжения постоянного тока.

Уставка состоит из двух мостов Уитстона М1 и М2, питаемых от вспомогательных стабилизированных источников питания U1всп и U2всп. Два плеча каждого моста (1r1, 1r2, 2r1 b 2r2) выполнены из постоянных резисторов, два других плеча выполнены из набора резисторов (1R1, 1R2,…,1RN и 2R1, 2R2,…,2RN).

С моста М1 может быть снято напряжение U1, соответствующее десяткам градусов контролируемых точек.

С моста М2 снимается напряжение U2, соответствующее единицам градусов.

 

Суммарное напряжение Uном задает температуру в каждом канале контроля ИИС.

Необходимые наборы резисторов 1R1 - 2RN осуществляются переключающим устройством В, работающим синхронно и синфазно с переключателем каналов.

2.5.5.4 Устройства сравнения служат для сравнения параметров установок контроля с соответствующими параметрами контролируемого объекта с целью выработки соответствующих логических сигналов, например, «соответствует» или «не соответствует».

Схема рисунка 145 иллюстрирует идею устройства сравнения. При включении i-го канала напряжение измерительного преобразователя включается встречно с напряжением Ui ном уставки Уст, управляемым устройством управления УУ.

 

Рисунок 144 – Схема аналоговой уставки

 

Разность напряжений Ui - Ui ном подается на усилитель постоянного тока УПТ, на выходе которого включены реле (электромагнитные или электронные)

Если значение разности напряжений на входе УПТ не вызывает срабатывания реле, то, следовательно, подается сигнал номинального значения измеряемой величины. При достижении разности напряжений значения, достаточного для срабатывания реле, включается соответствующий сигнал для сигнализации отклонения измеряемой величины от номинальной.

Основным недостатком аналоговых уставок и устройств сравнения является их сравнительно низкая точность и применимость лишь для унифицированного сигнала в виде постоянного тока. Более совершенными являются уставки номинальных значений и отклонений в цифровой форме, которые используются на выходе АЦП, кодирующего унифицированный сигнал измерительных преобразователей.

Рисунок 145 – Схема устройства сравнения

 

Для пояснения принципа построения цифровых устройств сравнения на рисунке 146 приведена схема сравнения двух одноразрядных двоичных чисел А (измеряемая величина) и В (уставка).

Рисунок 146 – Схема сравнения двух кодов

 

Если А = В, то сигнал «1» появится на выходе f1, так как при этом совпадение сигналов «1» будет либо на схеме И1 (при А = 1 и В = 1), либо на схеме И2

Если А > В (при А = 1 и В = 0), то сигнал «1» появится на выходе f2.

Если А < В (при А = 0 и В = 1), то сигнал «1» будет на выходе f3.

Уставки в цифровой форме могут применяться для различных кодов и обеспечивают высокую точность сравнения.

2.5.5.5 Устройства отображения и регистрации измерительной информации. Измерительная информация, получаемая ИИС, может быть представлена оператору в следующих видах:

- в виде показаний группы аналоговых приборов, число которых равно числу измерительных каналов;

- в виде цифровых отсчетных устройств, расположенных в определенном порядке на специальных табло;

- в виде кривых, получаемых с помощью аналоговых самопишущих приборов;

- в виде таблиц цифр, получаемых при помощи многоканальной цифровой печатающей машинки;

- в виде графиков для каждого канала в отдельности, получаемых специальными печатающими машинками;

- в виде световых и акустических сигналов при достижении предельных допустимых значений контролируемыми величинами.

Представление измерительной информации группой аналоговых приборов возможно только при небольшом числе каналов (практически до двух десятков), так как при большом числе приборов оператор не в состоянии следить за изменениями измеряемых величин и быстро принимать решения в зависимости от показаний приборов.

В ИИС с большой информативностью применяется сигнализация о достижении предельных допустимых значений контролируемых величин и регистрация измерительной информации быстропечатающими средствами.

Выбор того или иного способа представления информации ИИС зависит от ее назначения, числа измерительных каналов, использования получаемой информации и других причин.

2.5.5.6 Измерительные системы. По принципу действия измерительные системы могут быть разделены на три группы:

- системы с коммутатором;

- системы с равертывающим уравновешиванием;

- сканирующие системы.

Системы с коммутатором. Обобщенная структурная схема показана на рисунке 147.

Схема представлена в предположении однородности измеряемых величин (х1, х2,..., хn) и одинаковости пределов измерения во всех каналах.

Унифицированные сигналы через коммутатор поступают в блок преобразования информации, выдающий сигналы в форме, удобной для представления и регистрации измерительной информации. Например, в качестве блока преобразования сигналов может быть применен АЦП, дающий возможность представления информации в цифровой форме. В этом случае устройство представления информации может быть выполнено в виде цифрового табло, представляющего собой ряд цифровых указателей, переключающихся синхронно с измерительными каналами. Регистрация информации может производиться принтером. Режим работы измерительной системой (например, частота переключения каналов) и управление остальными блоками производится устройством управления в соответствии с установленной оператором программой.

 

Рисунок 147 – Структурная схема измерительной системы ИИС

 

Измерительная система значительно усложняется, если пределы измерения величин различные. В этом случае возможны различные пути решения задачи.

Наиболее простой путь заключается в том, что измерительные преобразователи регулируют так, чтобы численные значения их чувствительностей были одинаковы. Например, если в качестве унифицированного сигнала принять напряжения постоянного тока с пределами 0 - Um, а пределы измерения каждой величины равны 0 – x1m, 0 – x2m,…, 0 – xnm (xnm > x(n-1)m>…>x1m), то должно быть соблюдено условие

где U1, U2,…, Un – предельные значения унифицированного сигнала преобразователей.

Недостаток этого способа – увеличение погрешности дискретности для всех каналов, имеющих напряжение, меньшее установленного максимального значения.

Этот способ практически приемлем при незначительной разнице пределов измерения в каждом канале.

Системы измерения с развертывающим уравновешиванием, или, как их часто называют, мультиплицированные системы, основаны на принципе динамической компенсации, который был предложен и разработан Ф.Е. Темниковым.

Принцип динамической компенсации показан на рисунке 148.

Величина ZK, которой может быть напряжение постоянного тока, сопротивление резистора или другая величина, изменяется во времени линейно с постоянным периодом повторения Т.

Измеренная величина должна быть преобразована в величину Z, однородную с линейно изменяющейся величиной ZK.

 

Если составить схему таким образом, чтобы фиксировались моменты перехода ZK через нуль и моменты равенства величин Z и ZK (точки а1, а2, а3, ...), то могут быть сформированы интервалы времени ∆t1, ∆t2, ∆t3, ..., пропорциональные значениям Z, в моменты равенства Z и ZK. На этом принципе могут быть построены многоканальные ИИС.

На рисунке 149 приведена упрощенная схема многоканальной ИИС с применением первичных измерительных преобразователей с унифицированным сигналом в виде напряжения постоянного тока.

 

Рисунок 148 – Принцип динамической компенсации

 

 

Рисунок 149 – Упрощенная схема многоканальной ИИС с унифицированным сигналом на входах

В качестве развертывающего устройства применен генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Амплитуда Um генератора (рисунок 149) разбивается на ряд одинаковых участков, по числу n измерительных каналов. Подбором постоянных по значению напряжений Uс1, Uс2,..., Uс(n-1) достигается расположение каждого напряжения Ui в отведенном ему участке.

Сравнивающие устройства СУ0, СУ2,..., СУn-1 выдают сигналы на формирующее устройство ФУ в моменты времени равенства напряжения ГЛИН и нижнего уровня измерительного канала (точки б1, б2,... на рисунке 150).

Сравнивающие устройства СУ1, СУ3,..., СУn выдают сигналы в моменты времени равенства напряжения ГЛИН и Ui (точки а1, а1,... на рисунке 150). В эти моменты времени заканчивается формирование формирователем ФУ прямоугольных импульсов (рисунок 148), длительность которых ∆t1, ∆t2,…, ∆tn пропорциональны напряжениям U1, U2,…, Un (рисунок 149).

Рисунок 150 – График напряжений многоканальной ИИС с унифицированным сигналом на входах

 

Регистрирующее устройство РУ фиксирует в той или иной форме импульсы, длительность которых зависят от значений измеряемых величин.

Отличительной особенностью таких систем является отсутствие коммутатора.

Системы удобны для измерения однородных величин с одинаковыми пределами измерений. В противном случае существенно затрудняется расшифровка зарегистрированных сигналов.

Сканирующие измерительные системы – это системы, принцип действия которых основан на сканировании (просматривании) полей каких-либо объектов и выдачи измерительной информации о состоянии этих полей. Примером может служить системы для измерения температуры поверхности нагретого объекта.

 

Следует различать информационные сканирующие системы и измерительные сканирующие системы.

В информационных сканирующих системах дается информация о каких-либо явлениях, например наличия дефектов в изделии.

В измерительных сканирующих системах результаты выдаются в численных значениях принятых единиц измерения.

В измерительных сканирующих системах имеется устройство, служащее для создания развертывающего движения. Такие устройства могут быть механическими, оптикомеханическими, фотоэлектронными.

В зависимости от того, какое движение осуществляет сканирующее устройство, получается та или иная развертка исследуемого поля. На рисунке 169 показан пример механического развертывающего устройства, предназначенного для измерения температурного поля объекта 1. Фотоэлектрический пирометр 2 установлен на качающейся платформе 3, которая совершает движения таким образом, что фотоэлектрический пирометр «просматривает» последовательно температуру объекта, как показано на рисунке 170. Такие сканирующие системы предназначены для измерения сравнительно высоких температур (порядка от 500 до 2000 °С). Объектов с медленно изменяющейся температурой. Погрешность измерения составляет не более ±4 %. Известны и другие варианты сканирующих систем, предназначенных для измерения различных физических величин.

1 – измеряемый объект; 2 – пирометр; 3 – качающаяся платформа.

Рисунок 151 – Механическое развертывающее устройство.

 

 

2.5.6 Метрологические характеристики измерительных информационных систем (ИИС)

2.5.6.1 Метрологические характеристики, перечисленные в п.2.1.8 настоящего пособия справедливы и для ИИС.

Дополнительными метрологическими характеристиками являются:

 

- погрешность от взаимного влияния измерительных каналов;

- погрешность аппроксимации, обусловленная неточным восстановлением непрерывного значения измеряемой величины по дискретным значениям при последовательной передаче измерительной информации;

- погрешность, обусловленная непостоянством параметров канала связи и помехами в канале связи (для телеизмерительных систем и систем телеконтроля).

2.5.6.2 Погрешность ИИС должна нормироваться по ГОСТ 8.009 – 84. Обычно значения допустимых погрешностей ИИС устанавливаются в технических требованиях для конкретного ИИС.

2.5.6.3 Для ИИС, как средствам измерения, можно указать дополнительно следующие свойства:

- число измерительных каналов;

- передача измерительной информации без задержки (в натуральном масштабе времени) или с задержкой по времени.

2.5.6.4 ИИС делятся на ИИС с последовательной передачей измерительной информации (с временным разделением измерительных каналов) и ИИС с параллельной (одновременной) передачей измерительной информации.

Системы с временным разделением каналов получили наибольшее распространение из-за возможности иметь большое число измерительных каналов.

Системы с параллельной передачей измерительной информации применяются в телеизмерительных системах (частотное разделение каналов).

2.5.7 Измерительные сигналы в измерительных информационных системах (ИИС)

2.5.7.1 Измерительные сигналы. Измеряемые или контролируемые физические величины (ФВ) разнообразны. Для передачи и обработки измерительной информации необходимо измеряемые и контролируемые величины представить унифицированными (однородными) электрическими сигналами, параметры которых пропорциональны измеряемым величинам. Это достигается применением унифицированных измерительных преобразователей.

Систематизировать сигналы можно по различным классификационным признакам.

В настоящем пособии рассматривается классификация детерминированных сигналов, т.е. сигналов, поведение которых в любой момент времени известно.

2.5.7.2 Эпюры сигналов по форме и информативным параметрам показаны на рисунках 152.

Непрерывные сигналы:

- постоянные и переменные токи и напряжения, пропорциональные измеряемым величинам;

- переменный ток, частота которого пропорциональна измеряемой величине;

 

Рисунок 152 – Форма унифицированных сигналов: а – постоянный ток или напряжение постоянного тока; б – переменный ток с изменяющейся частотой; в – переменные токи с изменяющимся углом сдвига фаз; г – импульсы постоянного тока с изменяющейся амплитудой импульсов; д – импульсы постоянного тока с изменяющейся частотой повторения; е - импульсы постоянного тока с изменяющейся длительностью; ж – кодо-импульсные сигналы

 

- переменные токи, угол сдвига фаз между которыми пропорционален измеряемой величине.

Импульсные сигналы:

- импульсы постоянного тока, амплитуда которых пропорциональна измеряемой величине;

- импульсы постоянного тока, частота следования которых пропорциональна измеряемой величине;

- импульсы постоянного тока, длительность которых или длительность интервала между которыми пропорциональны измеряемой величине.

Кодово-импульсные сигналы:

- равномерные коды (единично-десятичный, двоичный, двоично-десятичный);

- другие виды кодов (помехозащищенные, оптимальные коды и др.).

Применение тех или иных унифицированных сигналов зависит от требуемых характеристик ИИС, наличия канала связи, т.е. совокупность всех устройств, обеспечивающих передачу сигналов (например, проводные линии, радиоканалы), формы представления измерительной информации (аналоговая или цифровая) и других обстоятельств.

2.5.7.3 Эпюры сигналов по уровню (величине) и степени дискретизации показаны на рисунке 153. Эти сигналы могут быть аналоговыми и квантованными.

Аналоговый сигнал в любой момент времени характеризуется каким-то численным значением и может быть представлен большим количеством значений по уровню.

Квантованный сигнал, наоборот, представляется конечным числом значений по уровню. Области значений, в которых определен квантованный сигнал, называются интервалами (шагами, уровнями) квантования.

Квантование по уровню должно быть очень точным, однако число возможных квантованных значений (уровней квантования) конечно.

Числа уровней кодируют – такие сигналы называют цифровыми.

Деление сигналов на аналоговые и цифровые, с точки зрения их уровней, не надо путать с непрерывными и прерывистыми (дискретизированными) сигналами.

Аналоговые сигналы характеризуются объемом значений, а цифровые различаются характером изменения во времени и продолжительностью воздействия, т.е. кодами.

Непрерывный сигнал все время изменяется. Он действует и имеет определенное значение в любой произвольный момент времени.

Дискретный сигнал изменяется только в интервалах времени, называемых интервалами (шагами) дискретизации.

На рисунке 154 показан участок записи дискретизированного сигнала ха = f(t), полученная на точном самописце. Сигнал по уровню является аналоговым. Его уровни ха могут быть представлены бесконечно большим числом значений. Однако во времени он

Рисунок 153 – Виды детерминированных сигналов: а – аналоговый непрерывный; б – аналоговый дискретизованный; в – двухуровневый непрерывный; г – двухуровневый дискретизованный; д – трехуровневый дискретизованный; е – многоуровневый непрерывный; ж – многоуровневый дискретизованный; з – цифровой дискретизованный

 

прерывист, т.е.представлен отдельными дискретными значениями, измеренными через равные интервалы дискретизации во времени. Эти интервалы в некоторых случаях могут быть неодинаковы.

Квантованные по уровню сигналы подразделяют на двухуровневые и многоуровневые (двухзначные и многозначные).

Двухуровневые сигналы называются двоичными сигналами. Они принимают два значения: 0 или 1.

Рисунок 154 – Пример поточечной регистрации измеряемой величины на бумаге

 

 

В некоторых случаях им приписывают значения минус 1 и плюс 1, хотя такие сигналы относятся к трехуровневым, так как включают в себя и нулевое значение (рисунок 153д).

Обычно эти сигналы называют цифровыми и представляют в виде совокупности импульсов, причем информативным параметром такой последовательности импульсов может быть не только амплитуда, но и частота следования этих импульсов, и временное расстояние между ними (рисунок 153вд).

В случае, показанном на рисунке 153з, нулевым значениям информативного сигнала, т. е. времени, является отсутствие импульса в такте, а количество таких значений (0 и 1) в такте представляет собой код.

Цифровые сигналы являются дискретными. Их можно передавать последовательно (по одному каналу) или параллельно, одновременно по группе параллельных каналов в виде параллельных слов.

При последовательной передаче требуется также передавать символ – признак временного такта.

2.5.8 Телеизмерительные системы (ТИС)

2.5.8.1 Телеизмерительные системы. На объектах, значительно удаленных от места нахождения оператора, передача измерительной информации производится по каналам связи.

Канал связи – это совокупность технических средств, предназначенных для передачи сигналов.

Применяемые канал связи разделяются на проводные линии связи (воздушные и кабельные) и радиоканалы (радиолинии). Канал связи характеризуется определенной полосой пропускания частот, зависящий от вида канала связи и наличия помех.

ИИС, в которых передача измерительной информации производится по каналам связи, называют телеизмерительными системами (ТИС). Наличие канала связи существенно влияет на структуру ТИС.

2.5.8.2 Для телеизмерений на небольших расстояниях (до 10 км) применяют ТИС с передачей измерительной информации постоянным током по проводным линиям связи.

Принцип построения таких ТИС показан на рисунке 155.

Контролируемые величины x1(t) - xn(t) поступают в унифицированные преобразователи УП1 – УПn, на выходе которых получаются унифицированные сигналы в виде постоянного тока, пропорциональные входным сигналам. С выходов УП1 – УПn унифицированные сигналы в виде постоянного тока через переключающее устройство П1 поступают в линию связи ЛС2.

Рисунок 155 – Структурная схема токовой ТИС

 

На приемной стороне этот ток измеряется миллиамперметром, шкала которого отградуирована в единицах измеряемой величины.

Принцип работы ТИС. Оператор посредством устройства управления УУ подает команду на включение необходимого канала (команда на передающую сторону передается по линии связи ЛС1). Включения производятся переключающими устройствами П1 и П2, которые замыкают цепь соответствующего УПi на предающей стороне и включают соответствующий прибор мАi.

Такие телеизмерения называются телеизмерениями по вызову (или спорадическими). Система может работать и с автоматическим переключением каналов по заданной программе (циклические телеизмерения).

Дальность действия подобных систем ограничивается погрешностью, вносимой непостоянством линии связи. Практически по воздушным линиям связи дальность действия таких систем до 10 км, по кабельным линиям связи до 20 км.

2.5.8.3 При необходимости производить телеизмерения (или телеконтроль) на больших расстояниях по проводным линиям связи или радиоканалам применяются ТИС с

унифицированным сигналом, в меньшей степени зависящим от непостоянства параметров канала связи. Примером таких систем могут быть:

- частотные ТИС (измерительная информация передается частотой переменного тока или импульсов постоянного тока);

- время – импульсные системы (измерительная информация передается длительностью импульсов постоянного тока или интервалами между импульсами);

- цифровые или, другое название, кодоимпульсные ТИС (измерительная информация передается цифровым кодом).

Цифровые ТИС обладают рядом достоинств, из которых наиболее существенными являются:

- хорошие метрологические характеристики, возможность работы по различным каналам связи;

- высокая помехоустойчивость;

- возможность ввода измерительной информации в электронные вычислительные машины для ее обработки.

2.5.9 Системы автоматического контроля (САК)

2.5.9.1 Системы автоматического контроля (САК) весьма разнообразны как по своему назначению, так и по принципу действия.

САК могут быть разделены на две группы:

- системы для контроля параметров изделий, практически не изменяющихся во времени, например электрических сопротивлений резисторов;

- системы для контроля изменяющихся во времени физических величин (ФВ), например контроль температуры различных точек объекта.

Сравнение параметров контролируемого объекта и уставки может быть одновременным и разновременным.

2.5.9.2 На рисунке 156 показана структурная схема системы для контроля параметров однородных изделий с одновременным сравнением контролируемого параметра и уставки УСТ. Контролируемые изделия поочередно поступают в устройство сравнения УС. Результат сравнения контролируемого параметра и уставки выдается в той или иной форме устройством выдачи результата УВР. При необходимости результаты сравнения поступают в блок вспомогательных математических операций, например для вычисления среднего значения отклонений параметра от нормы или других характеристик.

2.5.9.3 На рисунке 157 приведена структурная схема, поясняющая разновременный контроль параметра х и уставки xn.

Переключатель П устройством управления УУ подключает уставку к измерительному преобразователю ИП, на выходе которого получается сигнал, пропорциональный xn, регистрируемый устройством регистрации УР. Далее переключатель П включает контролируемый параметр х и на выходе ИП получается сигнал, пропорциональный х.

Устройство регистрации образует разность этих сигналов, пропорциональную отклонению параметра х от xn.

 

Рисунок 156 – Структурная схема системы контроля параметров однородных изделий с одновременным сравнением контролируемого параметра и уставки

 

 

Рисунок 157 – Структурная схема системы для разновременного контроля параметра и уставки

 

2.5.9.4 На рисунке 158 приведена упрощенная схема САК изменяющихся во времени параметров объекта или технологического процесса. Контролируемые величины x1(t) - xn(t) поступают в унифицированные преобразователи УП1 – УПn, на выходе которых получаются унифицированные сигналы, пропорциональные входным сигналам.

Эти сигналы в устройстве сравнения УС сравниваются с уставками для каждого сигнала, формируемого блоком уставок БУ. Сигналы от УС поступают в устройство представления информации УПИ («норма», «меньше», «больше»). Управление САК производится от устройства управления УУ. Кроме того, при регистрации отклонения параметров от уставок регистрируется время блоком времени БВ.

Выбор отдельных блоков САК и режим ее работы определяются требованиями, предъявляемыми к САК.

 

Рисунок 158 – Упрощенная схема системы автоматического контроля изменяющихся во времени параметров объектов

 

 

2.5.9.5 Некоторые САК являются измерительными, т.е. наряду с контролем параметров позволяют проводить измерения. Измерение отдельных величин производится по команде оператора.

2.5.10 Метрологическое обеспечение (МО) измерительных информационных систем (ИИС)

Метрологическое обеспечение измерительных систем подразумевает:

- определение и нормирование метрологических характеристик для измерительных каналов;

- проверку технической документации на соответствие метрологическим характеристикам;

- проведение испытаний измерительных систем для установления типа, к которому они принадлежат;

- проведение испытаний для определения соответствия измерительной системы установленному типу;

- проведение сертификации измерительных систем;

- проведение калибровки (поверки) измерительных систем;

- обеспечение метрологического контроля над производством и использованием измерительных систем.

 

2.5.11 Графическое изображение передачи сигналов

Основные символьно-графические обозначения передачи сигналов, используемые для построения функциональных блок-схем, отображающих прохождение сигналов в различных электрических и электронных устройствах, включая и средства измерения, приведены в таблице 19.

Сигналы обозначают буквенными символами, а направления их передачи указывают стрелками. Следует обратить внимание на то, что линейными являются линейное

 

передаточное и суммирующие звенья, а множительное и делительное звенья являются нелинейными элементами.

Необходимые для понимания функционирования измерительных устройств энергетические воздействия обозначают сдвоенной стрелкой , которая свидетельствует о том, что данный сигнал разрешает подвод энергии или данный сигнал включает источник, формирующий последующий сигнал.

Примеры составления блок схем показаны на рисунка 159 и 160.

Рисунок 159 – Пружинные весы (а) и соответствующая блок-схема сигналов (б)

 

На рисунке 159а схематично изображены пружинные весы, выходной величины ха которых является отклонение стрелки на шкале, равное s. При линейной характеристике растяжения пружину, когда усилие FF = DFs (DF – пружинная константа). Приложенная масса m груза оказывается пропорциональной удлинению s пружины (отклонению стрелки). Этот процесс взвешивания отображен соответствующей блок-схемой сигналов на рисунке 174б (здесь g – ускорение свободного падения, а Кх – передаточный коэффициент весов). На массу m действует сила тяжести , которая является выходным сигналом передаточного звена с постоянным коэффициентом пропорциональности (передачи) g. Сила тяжести Fm вызывает удлинение s пружины до тех пор, пока эта сила не уравновесится противоположным ей усилием FF пружины, т.е. пока их разность ∆F не станет равной нулю. При этом m ~ s (собственная масса весов не принимается во внимание).

На рисунке 160а изображена U – образная манометрическая трубка, заполненная ртутью. Измеряемое избыточное давление ри уравновешивается усилием FG, создаваемое столбиком ртути высотой h, что отображается суммирующим узлом блок-схемы сигналов на рисунке 160б. Столбик ртути поднимается на высоту h до тех пор, пока объем столбика и, следовательно, его масса (ρ – плотность ртути) и соответствующая

сила тжести не уравновесят силу Fp, создаваемую измеряемым давлением.

 

Таблица 19 – Основные элементы передачи и преобразования сигналов

Название звена Символическое изображение Выполняемая функция Примечание
  Линейное передаточное звено xe xa Kp     Внутри графического символа может быть характеристика звена (передаточная функция, переходная функция и т.п.). Kp – передаточный коэффициент
Нелинейное передаточное звено xe xa       То же
  Узел разветвления     x2 x1 x3 x4   x1 = x2 = x3 = x4 Число входящих сигналов не может превышать трех на один узел
  Узел суммирования x2 x1 x3 x4 -   х3 = x1 + x2 x4 Знак указывается рядом со стрелкой
  Множительный узел x2
π
x1 x3

  x1 x2 = x3 При числе сомножителей более двух используют дополнительные звенья
Делительный узел х1 х3
           
   
 
   

 


х2

 

x1/ x2 = x3   -

 

Преобразование сигнала h в сигнал FG может осуществляться и общим передаточным звеном с коэффициентом Apg (рисунок 160в). Работу трубки можно представить и как уравновешивание измеряемого давления ри компенсирующим давлением pHg столбика ртути противоположного знака (рисунок 160г).

 

Рисунок 160 – U – образная манометрическая трубка (а) и соответствующие блок-схемы сигналов (бг)

 

Из анализа рассмотренных примеров можно сделать следующие выводы:

- передаточные звенья на блок-схемах сигналов являются условными и необязательно соответствуют определенным техническим средствам. Так, на рисунке 159 сигнал сила тяжести FG формируется из сигнала-массы m;

- блок-схемы одинаковых приборов могут немного отличаться в зависимости от цели анализа и принципов разработки блок-схемы (например, при желании минимизировать количество узлов пересечений сигналов). Независимо от этого блок-схемы отражают один и тот же результат действия прибора (если нет ошибок), что видно из рассмотрения блок-схем, представленных на рисунке 160.

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Учебное пособие подготовлено старшим преподавателем отделения: Эксплуатации систем трубопроводного транспорта и автоматизации технологических процессов

метрология и измерительная техника.. Для студентов специальности.. Автоматизация технологических процессов Квалификация степень бакалавр..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Измерительные информационные системы

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Обеспечение единства измерений
1.4.1 Правовые основы обеспечения единства измерений   1.4.1.1 Нормативно – правовая база метрологии: - конституционная норма по вопросам метрологии;

Измерение электрических величин
2.2.1 Измерение токов и напряжений в цепях постоянного и переменного тока 2.2.1.1 Общие сведения об измерительных механизмах и устройствах. Измерительный механизм имеет подвижную ча

Измерение магнитных величин
2.3.1 Средства измерений магнитных величин 2.3.1.1 Задачи магнитных измерений. Область электроизмерительной техники, которая занимается измерениями магнитных величин

Измерение неэлектрических величин
2.4.1 Структурные схемы измерительных преобразователей для измерения неэлектрических величин 2.4.1.1 Разновидностей электрических приборов для измерения неэлектрических величин значительно

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги