УНИФИЦИРУЮЩИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
В современных ИИС используется большое количество разнообразных первичных измерительных преобразователей, которые различаются как по физическим принципам работы, видам естественных выходных сигналов, так и по их динамическим диапазонам и мощности.
Для согласования первичного преобразователя с устройствами системы его выходной сигнал должен быть унифицирован, т. е. отвечать некоторым требованиям по уровню, мощности, виду носителя информации и т.д., которые определяются соответствующими ГОСТ. Так, в соответствии с ГОСТ 9895—78 в качественосителя информации приняты электрические сигналы - постоянного и переменноготоков.
Уровни постоянного тока в системе должны изменяться в следующих пределах: 0—5 мА; —0,5—0—5 мА; 0—20 мА; —20—0—20 мА; 4—20 мА; —100—0—100 мА.
В информационно-измерительных системах дальнего действия рекомендуется использовать следующие сигналы: 0—5 мА; 0—20 мА; 4—20 мА.
Уровни напряжения постоянного тока должны соответствовать следующим значениям: 0—10 мВ; —10—0—10 ,мВ; 0—20 мВ; 0—50 мВ; 0—100 мВ; —100—0—200 мВ; 0—1 В; —1—0—1 В; 0—5 В; —5—0—5 В; 1—5 В; 0—10 В; —10—0—10 В.
Для проведения дистанционных измерений рекомендуются сигналы 0—1 В; 0—5 В; 1—5 В.
При этом лимитируются следующие нагрузочные сопротивления: 2,5 кОм для сигналов 0—5 мА; —5—0—5 мА;
1 кОм для сигналов 0—20 мА; —20—0—20 мА; 4—20 мА;
250 Ом для сигналов —100 ÷ + 100 мА.
Унифицирующие измерительные преобразователи с токовым выходом, как правило, используются в ИИС дальнего действия, где требуется передача сигналов на сравнительно большие расстояния с невысокой погрешностью и без особых требований к линии связи; УИП с токовым выходом должен иметь высокое выходное сопротивление (RвыхI → ∞).
|
|
|
Сигнал 0—10 В применяется в ИИСкак основной сигнал связи внутри системы, так как между отдельными блоками и узлами систем практически нет длинных линий связи, и эти блоки являются преобразователями напряжения. Использование уровня напряжения в качестве унифицированного сигнала требует низкого выходного сопротивления УИП (RвыхU → 0), большого входного сопротивления следующих за УИП устройств и предъявляет повышенные требования к стабильности параметров линии связи.
Применение сигналов с так называемым подавленным нулем, т. е. 1,0—5 В; 4,0—20,0 мА, имеет ряд положительных качеств:
1) возможность контроля исправности первичного преобразователя и ИИСв целом при начальном уровне входного сигнала x = 0;
2) возможность применения одной двухпроводной линии связи для передачи входного сигнала и осуществления питания и т. д.
Широкое использование средств микроэлектроники в современныхИИС потребовало введения в ряд унифицированных сигналов напряжения постоянного тока 0—5 В.Целесообразность его введения заключается в том, что:
|
|
|
1) переход на сигнал 5 В (1 мА) не повлечет за собой ухудшения метрологических характеристик системы;
2) существенно облегчается производство микросхем частного применения, поскольку для обеспечения выхода 5 В (1 мА) достаточно иметь бескорпусные транзисторы с предельным напряжением коллектор— эмиттер 15—20 В и допустимой мощностью рассеяния 30-— 50 мВт;
3) повышается надежность;
4) снижается потребляемая мощность.
Напеременном токе в качестве унифицированных должны применяться сигналы переменного напряжения следующего уровня: —1,0—0—1,0 В; 0—2,0В. При этом частота сигнала должна соответствовать 50 или 400 Гц. Кроме сигналов напряжения переменного тока, ГОСТ 14853—76 разрешается применение в ИИС частотных сигналов 2—4 кГц; 4—8 кГц при амплитудах 60—160 мВ; 160—600 мВ; 0,6— 2,4 В; 2,4—12,0 В.
Сигналы переменного напряжения применяются вИИС в значительно меньшей степени, чем унифицированные сигналы постоянного тока и напряжения. Они применяются в основном при использовании преобразователей ферродинамической системы.
|
|
|
Частотные сигналы используются для дистанционной передачи информации, а также в условиях сильных промышленных помех.
Для преобразования выходных сигналовПП в унифицированные применяется ряд нормирующих преобразователей, выпускаемых как самостоятельные технические средства. На вход нормирующих преобразователей могут подаваться естественные сигналы первичных преобразователей различных физических величин (ЭДС, сопротивление, частота, перемещение, усилие и т.д.), а на выходе формируются соответствующие унифицированные сигналы.
Группа средств, обеспечивающих унификацию сигнала между его источником или выходом первичного преобразователя и входом вторичного устройства, относится к классу унифицирующих измерительных преобразователей (УИП). Другими словами, унифицирующий измерительный преобразователь — это вторичный измерительный преобразователь с унифицированным выходом.
Различают индивидуальные, групповые и многоканальные УИП. Индивидуальные УИПобслуживают один первичный преобразователь и включаются между первичным преобразователем и коммутатором или последующим измерительным преобразователем.
Они используются для унификации сигналов при сравнительно небольшом количестве измеряемых параметров и при ограниченном времени измерения, не позволяющем использовать групповые УИП.
|
|
|
ИндивидуальныеУИП позволяют производить также преобразование одного унифицированного сигнала в другой, гальваническую развязку входных цепей, размножение входного сигнала по нескольким выходам,
Однако применение в каждом ИК ИИСсвоего УИП, представляющего собой сложное техническое средство и располагаемого вместе сПП непосредственно на объекте исследования, не только усложняет систему, но и значительно снижает ее надежность и экономическую эффективность.
С этой точки зрения более эффективными являются групповыеУИП, обслуживающие определенную группу первичных преобразователей, выходные сигналы которых представляют собой однородные физические величины. Они располагаются в ИИС после коммутатора и управляются совместно с последним блоком управления. При подключении очередногоПП характеристики групповогоУИП перестраиваются в соответствии с параметрами выходного сигнала ПП. При этом важной характеристикой УИП является скорость перестройки его характеристик, так как она определяет быстродействие ИИСв целом.
Обычно при построении многоканальныхИИС разнородных физических величин последние группируются по роду физической величины и каждая группа подключается к соответствующему групповому УИП.
Если измеряемые физические величины в основном разнородные, то в измерительных системах могут применяться многоканальные УИП, которые представляют собой объединенные в одном корпусе или одной плате несколько индивидуальных УИП. Преобразование информации осуществляется по п входам и п выходам. Основной конструктивной особенностью многоканального УИП является использование общих источника питания и системы контроля для всех индивидуальныхУИП. МногоканальныеУИП найдут широкое применение в ИИС четвертого поколения (многопроцессорных ИИС) для одновременного и непрерывного преобразования информации по всем ИК ИИС.
КУИП предъявляются те же требования, что и к любому измерительному преобразователю. Это обеспечение высокой точности, помехоустойчивости, метрологической и эксплуатационной надежности. Повышение метрологических характеристик УИП, с одной стороны, может быть решено конструктивным путем — использованием современных микроэлектронных компонентов. Использование операционных усилителей в интегральном исполнении дает возможность строить УИП, отличающиеся от своих предшественников более высокими метрологическими характеристиками при равной стоимости и надежности.
Другой путь совершенствования УИП заключается в применении алгоритмических методов измерения, обладающих повышенной точностью. Уже созданы групповые УИП, имеющие основную погрешность 0,1 %, время установления 30—50 мс, диапазон 0—10 мВ.
Недостатками выпускаемых промышленностью групповыхУИП являются значительные габаритные размеры и масса источников питания, включающих в себя силовые трансформаторы, электролитические конденсаторы и пр. В настоящее время ведутся работы по использованию пьезокерамических преобразователей напряжения, обладающих высоким КПД и позволяющих преобразовывать напряжение частоты 50 Гц в высокочастотное напряжение, при фильтрации которого могут быть использованы конденсаторы малой емкости.
Перспективным направлением улучшения параметров УИПявляется использование оптоэлектронных схем гальванического разделения цепей. Уже выпускаются усилители с разделением цепей на основе светодиодов и фототранзисторов, обладающие высокими метрологическими характеристиками.
Серьезной проблемой является обеспечение помехоустойчивости УИП. В групповых УИП решение этой задачи вступает в противоречие с требованиями повышения быстродействия. Проблему помехоустойчивости нужно рассматривать комплексно для всего измерительного канала. Подавление помехи может быть достигнуто использованием экранировки измерительного канала, использованием эффективных фильтров на входеИИСи т. д. Представляет интерес использование в УИП принципов подавления, применяемых при построении цифровых измерительных устройств.
Значительное подавление помех может быть достигнуто при обработке измерительной информации по специальному алгоритму, так как возможности подавления помехи непосредственно в УИП ограничены.
Основные функции, выполняемые УИП, сводятся к линейным (масштабирование, установление нуля, температурная компенсация) и нелинейным (линеаризация) преобразованиям выходных сигналов ПП.
При линейной характеристике первичного преобразователяУИП выполняет линейные операции, которые называются масштабированием. Задача, решаемая при этом унифицирующими элементами, заключается в следующем. Если выходной сигнал ПП меняется от у1 до y2, а динамический диапазон выходного сигнала УИП должен лежать в пределах от 0 до z (z > y2 — z1), то для совмещения начала динамических диапазоновУИП и первичного преобразователя к сигналу ППдолжен быть добавлен сигнал—y1 а затем суммарный сигнал должен быть усилен в
k = z/(y2 — y1) раз.
Возможен также вариант, при котором выходной сигнал ПП сначала усиливается, а потом совмещаются начала динамических диапазонов.
Если смещение динамических диапазонов ПП и УИП велико, то в случае, когда сначала производится масштабирование (усиление), а затем совмещение начала динамических диапазонов, нужно обеспечить существенное превышение динамического диапазона УИП над динамическим диапазоном выходного сигнала ПП.
Первый вариант приведения выходного сигнала ПП к унифицированному виду обычно используется в индивидуальных УИП, а второй в групповых.
Следует иметь в виду, что масштабирование сигналов связано с введением дополнительных погрешностей в конечный результат измерения.
Довольно часто на практике, особенно при измерении температуры, встречается случай, когда y1 ≠ 0. Это объясняется наличием начального сопротивления резистивного термопреобразователя и соединительных линий между ним и его измерительной схемой, наличием термо-ЭДС холодного спая термопар и т. д. В этом случае необходимо применять компенсацию у1. Так, для компенсации температуры холодного спая при применении термопар можно использовать неуравновешенный мост с выходным делителем напряжения на резисторах, позволяющим получать смещение напряжения y1 для различных типов термопар с учетом температуры окружающей среды. Унифицирующий измерительный преобразователь включается в измерительную цепь после ПП. Так как связь между выходным сигналом у ПП и измеряемым параметром к чаще всего нелинейная (например, у термопар, платиновых термопреобразователей сопротивления и т.д.), кроме линейной операции z = z0 + ky, УИП должен выполнять операцию линеаризации. Эта операция нужна для того, чтобы выходной сигналУИП zвых линейно зависел от измеряемого параметра, т.е. zвых=z0+kУИП х, где kУИП— коэффициент преобразования УИП.
Обычно z и zвых совпадают в начале и конце динамического диапазона. Тогда линеаризация заключается в спрямлении функции преобразования ПП. В этом случае линеаризующая функция должна иметь вид обратной функции преобразования ПП.
Для линеаризации функции преобразования в УИП используются специальные нелинейные звенья. Они могут включаться до линейного унифицирующего преобразователя, после него или в цепь обратной связи усилителя, используемого для изменения масштаба измеряемой величины. При этом для получения линейной зависимости выходного сигнала УИП от измеряемого параметра функция преобразования цепи обратной связи должна иметь такой же вид, как и функция преобразования ПП. Чаще всего линеаризация достигается кусочно-линейной аппроксимацией и выполняется, как правило, с помощью цепочки последовательно соединенных резисторов, шунтированных стабилитронами или диодами Д1 — Д3(рис. 10.5).
Рис. 10.5. Структурная схема УИП
С ростом Uвыхувеличивается ток делителя и падение напряжения на каждом из резисторов R1 — R5. Как только падение напряжения на каком-либо из резисторов достигает напряжения пробоя соответствующего стабилитрона, стабилитрон начинает шунтировать этот резистор. Сопротивления резисторов подбираются таким образом, чтобы получать требуемую зависимость напряжения обратной связи Uo.cинвертирующего усилителяУ, снимаемого с резистора R5, от выходного напряжения усилителя Uвых.
Число участков аппроксимации и размер каждого из них определяются заданной погрешностью аппроксимации. Типовой аналоговый УИП содержит в своем составе выходной усилитель, устройство гальванической развязки, функциональный преобразователь, линеаризующий сигнал первичного преобразователя, выходной усилитель, стабилизированный источник питания.
В настоящее время промышленностью серийно выпускаются индивидуальные УИП для преобразования сигналов широкого круга преобразователей [тензорезисторных (ПА-1), термоэлектрических (Ш72, ПТ-ТП-68), термопреобразователей сопротивления (ШЭ1, ПТ-ТС-68) и др.] в унифицированный электрический сигнал.
Некоторые первичные преобразователи в качестве выходного имеют сигнал переменного тока. Такой сигнал модулируется либо по амплитуде, либо по частоте.
Амплитудно-модулированный сигнал характерен для дифференциально-трансформа-торных, ферродинамических, а также резистивных преобразователей.
Рассмотрим структурную схему УИП типа НП-ПЗ, предназначенного для преобразования переменного напряжения датчиков давления, перепада давления, расхода, уровня, паросодержания в унифицированный сигнал постоянного тока 0—5 мА (рис. 10.6).
Переменное напряжение с дифференциально-трансформаторного ПП демодулятором ДМ преобразуется в пропорциональное напряжение постоянного тока, которое усиливается магнитным МУ и электронным У усилителями постоянного тока, охваченными глубокой отрицательной обратной связью через устройство обратной связи ОС, позволяющее при необходимости линеаризовать характеристику первичного преобразователя.
Рис. 10.6. Структурная схема УИП типа НП – П3
Частотный ПП в общем случае представляет собой генератор, в частотно-зависимую цепь которого включен чувствительный элемент. Вследствие этого в частотныхПП при равенстве нулю измеряемого параметра выходная частота отличается от нуля. У большинства генераторов функция преобразования нелинейна. Поэтому унифицирующие измерительные преобразователи, работающие с частотными ПП, должны выполнять те же функции, что и УИП амплитудных ПП.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОММУТАТОРЫ
СовременныеИИС осуществляют, как правило, измерение большого числа физических величин. Отбор информации при этом осуществляется периодическим подключением на определенное время датчиков измерительной информации ко входу АЦП или канала связи. Устройство, которое преобразует пространственно-разделенные аналоговые сигналы в сигналы, разделенные во времени, и наоборот, называется коммутатором сигналов.
Кроме временного разделения каналов, коммутаторы используются в ИИСдля подключения выходных сигналов в определенной последовательности к устройствам представления информации, для распределения сигналов, несущих служебную информацию, для формирования сложных сигналов специальной формы и т. д.
Так как коммутатор, являясь элементом измерительной системы, представляет собой измерительный преобразователь, параметры которого определяют параметры всей системы в целом, то метрологические характеристики коммутаторов, применяемых в информационно-измерительной технике, нормируются. Коммутаторы с нормируемыми метрологическими характеристиками, получили название измерительных коммутаторов.
В общем случае измерительный коммутатор представляет собой совокупность ключевых элементов различной конструкции и принципа действия, управляемых разнообразными устройствами управления. Коммутаторы различаются по точности, быстродействию, уровню коммутируемых сигналов, числу каналов и т. д.
По точности измерительные коммутаторы подразделяются на низкоточные (с погрешностью γ ≥ 1,0%), средней точности (γ =1,0÷0,05%) и высокоточные (γ <0,05).
Аналогично по быстродействию коммутаторы выполняются с низким быстродействием (время переключения Тп > 0,1 мс), со средним быстродействием (0,1 мс > Тп >1,0 мкс) и быстродействующими (Тп<1,0 мкс).
Рис. 10.7. Эквивалентная схема ключевого элемента
По числу коммутируемых каналов т измерительные коммутаторы подразделяются на малоканальные (т<10), среднеканальные (100>т>10) и многоканальные (т>100).
Погрешность измерительного коммутатора является важным метрологическим параметром, определяющим не только пригодность коммутатора для преобразования сигналов различных уровней, но и сложность его изготовления. Результирующая погрешность коммутатора определяется погрешностью каждого ключевого элемента, а также влиянием их друг на друга.
Ключевой элемент измерительного коммутатора представляет собой контактное или бесконтактное реле (ключ), включенное в ту или иную электрическую цепь, образующую электрический четырехполюсник.
Существуют два способа включения ключа в цепь четырехполюсника: последовательный, когда ключ подключается последовательно к источнику коммутируемого напряжения, и параллельный, когда ключ подключается параллельно источнику напряжения, шунтируя его в замкнутом состоянии.
Параллельное подключение ключа по сравнению с последовательным используется значительно реже. Поэтому анализ погрешности измерительного коммутатора проведем для последовательного подключения ключа.
На рис. 10.7приведена эквивалентная схема ключевого элемента измерительного коммутатора.
Положение 1 условного переключателя П соответствует открытому состоянию ключа, а положение 2 — закрытому.
Основными параметрами, характеризующими работу ключевого элемента в открытом состоянии, являются сопротивление Ro и напряжение Uо, действующее на выходе ключевого элемента при Uвх = 0.
В закрытом состоянии основными параметрами ключевого элемента являются сопротивлениеRз и ток I0, генерируемый ключом.
В идеальном случае (идеальный ключевой элемент) Rобр = 0, U0 = 0, I0 = 0, R3 = ∞. Однако в реальных ключевых элементах значения указанных параметров отличаются от идеальных. В результате возникает погрешность, зависящая не только от конструкции и принципа действия используемого ключа, но и от параметров коммутируемого сигнала, температуры окружающей среды, числа каналов и ряда других факторов.
В общем виде связь между входным Uвхi и выходным Uвыхi напряжениями i-го ключевого элемента т-канального измерительного коммутатора описывается сложным уравнением. Это объясняется взаимным влиянием ключевых элементов коммутатора, находящихся в закрытом состоянии.
Однако если предположить, что все ключевые элементы в закрытом состоянии имеют одинаковые параметры: Rзi = Rз и I0i = I0 и на их входах действуют максимальные и равные уровни коммутируемых напряжений Uвхi = Uвхmax, то с учетом того, что в реальных условиях эксплуатации практически всегда Ri » Ro и Rн « (Ri + Rз), где Ri—внутреннее сопротивление источника коммутируемого напряжения, a Rн — сопротивление нагрузки, получим:
Uвыхi = Uвхi + U0i + (m - 1) (Ro Uвхmax/Rз + I0 Ro).
Второе слагаемое правой части приведенного соотношения определяется значением напряжения U0i i-го ключевого элемента, которое возникает за счет термо-ЭДС, контактной разности потенциалов или остаточных напряжений в полупроводниковых элементах.
Третье слагаемое характеризует влияние m—1 закрытых каналов и определяет возможность использования ключевых элементов при построении многоканальных измерительных коммутаторов.
Приведенная погрешность у коммутатора определяется формулой
Для реальных схем среднеканальных измерительных коммутаторов (m ≤ 100U0i » 100 (RoUвхmax /Rз+I0Ro), поэтому при их построении необходимо выбирать ключи с малым уровнем напряжения U0. К таким элементам относятся полевые транзисторы, у которых U0 = 0.
Коэффициент преобразования kкл таких ключевых элементов kкл = Uвых/Uвх ≈ 1.
По виду коммутирующих элементов коммутаторы делят на две группы: контактные (механические, электромеханические) и бесконтактные (электронные).
В контактных коммутаторах коммутация сигналов осуществляется замыканием и размыканием механических контактов. Механические коммутаторы управляются от специального привода и имеют различные типы контактов (контакты скольжения, контакты качения, разрывные контакты и т. д.). Такие коммутаторы позволяют производить опрос 50—60 измерительных каналов со скоростью опроса, достигающей 500 каналов/с.
Механические коммутаторы отличаются низким переходным сопротивлением контактов в замкнутом состоянии (0,02—0,2 Ом) и высоким сопротивлением, определяемым сопротивлением изоляционного материала, в разомкнутом. Однако их применение позволяет осуществлять только последовательный опрос каналов и не дает возможности менять программу опроса в ходе измерений.
Более гибкими в функциональном отношении являются электромеханические коммутаторы, которые выполняются на электромеханических реле, управляемых электронными схемами. Наибольшее распространение в качестве ключей электромеханических коммутаторов получили магнитоуправляемые контакты — герконы (от слов «герметизированный контакт»). Конструктивно геркон представляет собой баллон, диаметр которого не превышает 6,25 мм и длина 50 мм, в котором создается вакуум или газовая среда (аргон, азот, водород) различного давления.
В баллон консольно впаяны пружинные контакты из ферромагнитного материала. При определенной напряженности магнитного поля внешнего электромагнита или постоянного магнита свободные концы пружины, находящиеся на расстоянии нескольких десятых и даже сотых долей миллиметра друг от друга, притягиваются, замыкая контакт. При уменьшении напряженности магнитного поля пружины возвращаются в исходное состояние, и контакт размыкается. По характеристикам герконы приближаются к идеальным переключателям. Они имеют малое и стабильное контактное сопротивление в замкнутом состоянии (0,02—0,2 Ом), большое сопротивление в разомкнутом состоянии (109—1015 Ом), но обладаютнизким быстродействием (0,5—2 мс), которое ограничивается временем переброса подвижного контакта и «дребезгом» контактов при замыкании. Кроме того, герконы подвержены воздействию внешних магнитных полей и имеют высокий уровень наводимых помех. При использовании рассматриваемых контактных ключей для коммутации цепей с низким уровнем измеряемого напряжения следует учитывать возможность появления термо-ЭДС между точками подключения геркона, значение которой достигает нескольких микровольт,
В бесконтактных измерительных коммутаторах подключение того или иного источника измерительной информации осуществляется изменением электрической проводимости управляемых электронных элементов (транзисторов, диодов и т. п.).
В каждом конкретном случае может применяться любой из рассмотренных типов коммутаторов. Однако наибольшее практическое применение в многоканальных ИИС получили так называемые системные измерительные коммутаторы.
Основную роль в работе системного коммутатора играет блок управления, который состоит, как правило, из генератора тактовых импульсов и распределителя импульсов, выходы которого связаны с ключевыми элементами. В качестве генератора тактовых импульсов используются генератор синусоидальных колебаний с формирователем, генератор релаксационных колебаний и т. д. В качестве распределителя импульсов может быть использована любая электронная схема, обеспечивающая либо последовательное переключение ключей коммутатора, либо переключение их по программе. Часто распределитель импульсов выполняется в виде сдвигающего регистра. В младший разряд регистра записывается 1, которая с каждым тактом последовательно сдвигается в сторону старших разрядов, вызывая срабатывание соответствующих ключей. Распределители импульсов разработаны и в интегральном исполнении (К564ИЕ9).
Частота, последовательность и продолжительность времени подключения датчиков, т. е. программа опроса каналов, зависят от многих факторов. Обычно эти характеристики программы опроса каналов находятся на основании предварительного изучения коммутируемых сигналов. Признаками, по которым определяются необходимость и продолжительность подключения каждого датчика, могут быть уровень или знак сигнала, скорость его изменения или приоритет.
Простейший режим коммутации — это такой режим, когда число измерительных каналов m равно числу входов коммутатора mк (m = mк) и канальные интервалы Тк (интервал времени, в течение которого выходной сигнал датчика подключен к системе) равны между собой. В этом случае периоды Tопр опроса всех датчиков тоже равны между собой, т. е. Tопр1 = Tопр2 = ...= Топр = mТк. При этом равны будут и частоты опроса датчиков:
Fопр1 = Fопр2 = ...= Fопр = 1/Топр
Отсюда следует, что
Tк = l/mFoпp,
т. е. рост числа измерительных цепей или частоты их опроса влечет за собой уменьшение длительности канальных интервалов.
Разные сигналы требуют разных частот опроса. Ориентация на максимальную частоту опроса Fопрmах приводит к тому, что для тех сигналов, где можно допустить Fопрi < Foпpmax, сигналы передаются с большой избыточностью. Вследствие этого простейший режим работы коммутатора (с одинаковой частотой опроса всех датчиков) приемлем не всегда и часто используется лишь при исследовании простых объектов с небольшим числом контролируемых параметров.
Режим коммутации с разной частотой опроса датчиков достигается группированием коммутируемых цепей или изменением графика их работы.
Если цикличность опроса группы, состоящей из m датчиков, определяется периодом подключения датчика с наименьшей требуемой частотой опроса Тц = l/Fmin, то за время цикла измерений Tц должны быть опрошены все m датчиков и каждый из них нужное число раз, т. е. за интервал времени Тц необходимо произвести 
измерений, где Fi — частота опроса i-го датчика. В этом случае на одно измерение приходится интервал времени
откуда
,
или
Знак равенства в полученном соотношении соответствует использованию всех коммутируемых цепей. Это условие означает, что при установке различных режимов коммутации общее число выборок, формируемых в единицу времени для такой цепи, должно оставаться неизменным.
Рассматриваемое соотношение позволяет:
1) определить наименьшее число коммутируемых цепей, достаточное для осуществления опроса с заданными частотами требуемого числа датчиков; при этом установка режима коммутации с различными частотами опроса каналов достигается параллельным включением коммутируемых цепей (рис. 6.8);
| Рис. 10.8. Структурная схема коммутатора Рис. 10.9. Граф частот опроса ИК Рис. 6.9. Граф частот опроса ИК |
2) при m = mк определить минимальное число сигналов управления ключами, поступающих с распределителя импульсов и необходимых для опроса всех датчиков нужное число раз.
Нетрудно заметить, что группированием коммутируемых цепей можно получить не любые, а лишь определенные частоты опроса.
Кроме того, выполнение приведенного выше соотношения для получения регулярного опроса недостаточно. Чтобы опрос был регулярным, т. е. интервал времени между соседними опросами был одинаковым и равным T0i = l/F0i, необходимо, чтобы число коммутируемых цепей mк в первом случае (т. е. при m ≠ mк) или число тактовых импульсов во втором (при m = mк), деленное на Ni = Fi / Fmin, было целым, а множества запараллеленных ключей не пересекались.
Коммутаторы с переменным (программируемым) опросом отличаются от коммутаторов с регулярным (последовательным) опросом аппаратурной реализацией переключения коммутируемых цепей.
Максимально достижимую информационную гибкость позволяют получить так называемые адресные распределители. Такой распределитель импульсов содержит дешифратор, управление которым идет от регистра памяти, в который поступает соответствующий код номера канала.
В общем случае распределение частот опроса различных ИК удобно изображать в виде древовидного графа (рис. 10.9).
Рис. 10.10. Структурная схема 25-канадьного коммутатора
В узле А формируется частота опроса Fт всех ИК, которая обычно называется тактовой частотой
Частота каждого узла делится на его степень, т. е. на число линий, исходящих из узла. Например, в узлах Б1—Б3 действует частота опроса FБ=Fт/3, в узлах В1—В2 частота опроса равна FБ/2 = Fт/6, в узлах В3—B5 FБ / 3 = Fт/9.
Увеличивая или уменьшая дерево графа, можно получить различные программы опроса датчиков.
Одной из эффективных структур построения среднеканальных коммутаторов (т<100) является многоступенчатая.
На рис. 10.10 приведен пример двухступенчатой структуры 25-канального измерительного коммутатора.
Пятиканальный центральный коммутатор Кмцн, расположенный на втором уровне, управляет работой пятиканальных коммутаторов Км1—Км5 нижнего уровня.
При программном управлении Кмцн осуществляет адресный выбор одного из коммутаторов KMI и устанавливает его в положение, при котором ко входу ИИС подключается требуемый датчик из группы датчиков, обслуживаемых данным коммутатором Кмi.
Рис. 10.11. Структурная схема матричного коммутатора
В некоторых измерительных коммутаторах Кмцн осуществляет циклический опрос коммутаторов нижнего уровня. В этом случае управление опросом датчиков берут на себя коммутаторы нижнего уровня.
Если в качестве пятиканального коммутатора любого уровня использовать интегральную микросхему 1КТ901, то абсолютная погрешность, вызванная неидеальностью параметров разомкнутых ключей, для рассмотренной структуры коммутатора составит 8 мВ. В аналогичном коммутаторе, выполненном по одноуровневой структуре, та же погрешность составит 24 мВ.
Недостатком многоступенчатой структуры является сложность устройства программного управления, особенно при числе каналов коммутатора т > 50.
При коммутации большого числа каналов (т > 100) наиболее удобными оказываются коммутаторы, выполненные по структурам матричного типа. Принцип действия матричного коммутатора поясняется на рис. 6.11.
Рис. 10.12. Структурная схема пирамидального коммутатора
Для срабатывания какого-либо реле, например Р2 3, находящегося в узле матрицы, необходимо одновременно на две соответствующие шины 21 и 32 подать питающее напряжение Е путем замыкания ключей Кл21 и Кл32. Реле Р2 3 срабатывает, вызывая замыкание соответствующих контактов коммутатора.
Матричная схема может быть использована непосредственно для коммутации измеряемых сигналов. Однако это целесообразно только при коммутации сигналов сравнительно высокого уровня (Uвх > 1В).
При коммутации малых напряжений (менее 1В) из-за значительной аддитивной погрешности матричного коммутатора существенно увеличивается относительная погрешность преобразования. Поэтому чаще всего матричная схема применяется в качестве распределителя управляющих импульсов, подаваемых на канальные ключевые элементы.
При создании схемы измерительного коммутатора с минимальным объемом устройств управления и произвольным числом ключей целесообразно использовать многоканальную пирамидальную структуру коммутатора (рис. 10.12).
Число ступеней в таких коммутаторах равно числу двоичных разрядов, содержащихся в общем числе коммутируемых сигналов. Общее число ключей N = 2 (т—1), где т — общее число коммутируемых цепей. Если сравнить пирамидальную двоичную и матричную схемы управления по числу используемых в них элементов управления (например, реле), то их отношение равно 
. Например, при переходе от матричной схемы к пирамидальной при m = 64 число элементов управления уменьшится почти в 3 раза, но при этом число ключений возрастет вдвое.
В настоящее время разработан ряд структур многоканальных измерительных коммутаторов (например, дифференциальные коммутаторы), однако они пока мало изучены и в измерительной технике не используются.
СКАНИРУЮЩИЕ ИИС
Как было сказано ранее, при исследовании однородных информационных полей применяются одноканальные ИИС, датчики которых перемещаются в пространстве и дают возможность получать информацию из различных точек исследуемого информационного поля. Такие измерительные системы получили название сканирующих.
Применение сканирующих ИИС дает возможность определять значение параметров в любой точке информационного поля; координаты точки с заданным значением параметра; значения, расположение и форму экстремумов параметра информационного поля; линий и площадей с одинаковым значением параметров; расстояний до любой точки информационного поля.
Перечисленные функциональные возможности обусловили широкое использование сканирующихИИС во многих сферах деятельности человека. В настоящее время это один из самых обширных классов ИИС, который по разнообразию конструкций превосходит любой другой.
Основным элементом, определяющим конструктивную особенность системы, является сканирующий датчик, в котором реализуется один из многих способов сканирования.
Способы сканирования имеют ряд признаков, которые позволяют в общем, случае классифицировать измерительные системы и оценить их возможности.
По виду взаимодействия сканирующего датчика с информационным полем существуют контактные и бесконтактные способы сканирования. Контактные способы сканирования предусматривают соприкосновение датчика с объектом в процессе сканирования. Например, измерение шероховатости поверхности при помощи алмазных игл, связанных с преобразователем перемещения; определение состава океанской воды, поверхностных токов утечки диэлектриков и т. д. Эти способы обладают высокой точностью, простотой реализации, но имеют невысокую надежность и, кроме того, не всегда физически реализуемы.
Бесконтактные способы сканирования позволяют получить информацию без механического соприкосновения датчика с объектом. Этот вид сканирования наиболее широко применяется вИИС, и трудно представить себе область применения, где он не составил бы конкуренцию контактному. Исключение составляют внутриобъемные исследования некоторых объектов (глубинные исследования свойств океанской и морской воды; определение температуры и влажности внутри объема сыпучих материалов и т. д.).
В зависимости от вида обмена энергией между объектом иИИС способы сканирования делятся на активные и пассивные. Активные способы предусматривают некоторое воздействие (вносимую энергию) на объект. О состоянии объекта судят по его реакции на это воздействие. Например, активные способы применяются при радиолокационных измерениях, измерении параметров объекта при помощи вих-ретоковых преобразователей, лазерных измерениях и т.д.
Пассивные способы сканирования основаны на использовании энергии объекта. К ним относятся некоторые виды измерения температуры нагретых тел, определение поверхностных и объемных зарядов, поиски полезных ископаемых, основанные на использовании магнитного поля Земли. К этому же способу сканирования относят способ, основанный на использовании энергии, не создаваемой ни объектом, ни ИИС (отраженный солнечный свет).
Пассивные способы сканирования значительно проще в реализации, так как при их использовании необходимо осуществлять сканирование лишь приемника информации — датчика. При активном сканировании в большинстве случаев следует сканировать не только датчик, но и источник вспомогательной энергии. Однако активные способы сканирования позволяют получить при измерениях более высокую точность и чувствительность. При организации сканирующего привода возможны два способа его реализации: электромеханический и электронный. При электромеханическом сканировании используются электромеханические элементы—линейные и угловые электродвигатели, управляемые электрическими сигналами, которые при помощи редукторов, червячных механизмов и кулис приводят в движение (электромеханическая развертка) соответствующий узел сканирующей ИИС. Примером такой ИИС является радиолокатор с механическим приводом антенны.
При электронном сканировании чисто электронными средствами осуществляется перемещение (электронная развертка) электронных, световых и электромагнитных пучков энергии в пространстве (электронно-лучевые трубки, лазерные измерители).
В ряде случаев (расшифровка графических и фотографических изображений) вместо датчика сканирующие движения осуществляет информационное поле объекта. Это объясняется тем, что значительно проще и надежнее peaлизация линейных перемещений, чем угловых. Кроме того, расстояние от датчика до любой точки информационного поля при линейном перемещении последнего остается постоянным, что снижает погрешности, связанные с изменением чувствительности и рассеяния энергии.
К приводу сканирующих ИИС, так же как и ко всем элементам системы, предъявляются жесткие требования по обеспечению минимальной погрешности, отсутствию механического гистерезиса и повторяемости характеристик.
Основное достоинство электромеханической развертки — высокая точность сканирования. Недостаток — малое быстродействие вследствие механической инерции движущихся частей сканирующей системы. Основное достоинство электронной развертки — высокое быстродействие и простота управления. При равной стоимости приводов системы электронной развертки по точности и стабильности уступают электромеханическим. В зависимости от траектории движения сканирующие системы можно разделить на две труппы: программные и адаптивные.
В первой группе траектория развертки жестко запрограммирована и не меняется при изменении рельефа параметров информационного поля. Выбор вида траектории при отсутствии априорной информации о состоянии объекта определяется простотой аппаратурной реализации сканирующего устройства. Существуют различные траектории развертки на плоскости, однако наибольшее распространение получило движение по принципу строчной развертки, причем число строк равно отношению скоростей горизонтальной и вертикальной разверток. Программное сканирование осуществляется при измерении и передаче параметров информационного поля, определении координат точек, соответствующих тому или иному значению параметра, определении (в некоторых случаях) расстояния до каждой точки информационного поля.
Примером применения ИИС с программной траекторией сканирования может служить определение картины температурного поля объекта, расшифровка и передача фотоизображений при астрономических и физических экспериментах и т. д.
Адаптивное сканирование используется при поиске экстремумов параметров информационного поля, нахождении точки, линии или площади с заданным значением параметров, а также при слежении за положением на информационном поле группы параметров с заданными значениями.
Адаптивное сканирование широко применяется для считывания графиков при вводе их в ЭВМ, при обнаружении и слежении за положением объекта в пространстве, для нахождения формы участков с экстремальными значениями параметров при дефектоскопии и т. д.
При адаптивном способе сканирования в блоке управления сканирующим устройством непрерывно изучаются текущие значения измеренных параметров с целью определения скорости и направления их изменения, а затем соответственно изменяется траектория развертки.
Применение адаптивного сканирования позволяет значительно уменьшить протяженность траектории развертки по сравнению с длиной траектории при программном сканировании, тем самым повысив быстродействие сканирующей ИИС.
Сканирующие ИИС могут быть выполнены точечными или матричными. В первом случае они содержат датчик, измеряющий аналоговый сигнал в пределах одной элементарной площадки и перемещающийся по полю, сканируя его площадка за площадкой. Во втором случае имеется несколько датчиков, расположенных в виде прямоугольной матрицы, которые дают одновременно группу отсчетов. В связи с тем, что технологически трудно изготовить большую матрицу параллельных датчиков, обычно сочетают параллельное измерение на небольшой площади и сканирование всей матрицей. Матричные сканирующие ИИС обладают в принципе большим быстродействием, но требуют параллельной обработки информации либо коммутационных элементов для последовательного опроса.
Матричные датчики обычно используются совместно с точечными и служат для наиболее быстрого обнаружения экстремальных значений параметров информационного поля. Для этой цели все датчики матрицы параллельно подключаются ко входу измерительного канала, и начинается сканирование матрицей. Измерительный канал настраивается на некоторый заданный уровень измеряемых параметров. В момент попадания точки или группы точек информационного поля, значения параметров которых превышают заданный уровень, в зону действия матричного датчика последний прекращает свою работу, а зону обнаружения начинает обследовать точечный датчик.
В заключение следует отметить, что перечисленные признаки не являются единственными, но наиболее характерны для сканирующих ИИС и позволяют достаточно четко провести границу между сканирующими ИИС различного типа.
Содержание
1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
1.1 Основные понятия. 3
1.2 Характеристики измерительных приборов. 7
2 АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
2.1 Общие сведения 9
2.2 Магнитоэлектрические измерительные приборы.. 14
2.3 Комбинированные аналоговые измерительные приборы 19
2.4 Электродинамические измерительные приборы 24
2.5 Электромагнитные измерительные приборы 26
2.6 Электростатические измерительные приборы.. 29
2.7 Логометры 31
3 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ
3.1 Общие сведения 33
3.2 Низкочастотные измерительные генераторы синусоидальных колебаний 34
3.3 Импульсные генераторы 40
4 ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
4.1 Электронные осциллографы общего назначения 43
4.2 Основные узлы электронных осциллографов. 48
4.3 Классификация электронных осциллографов 57
4.4 Стробоскопические электронные осциллографы 59
4.5 Универсальные электронные осциллографы 63
4.6 Запоминающие электронные осциллографы 67
4.7 Анализаторы спектра частот 68
4.8 Измерители нелинейных искажений 71
5 АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ
5.1 Общие сведения 73
5.2 Основные узлы аналоговых электронных вольтметров 75
5.3 Свойства аналоговых электронных вольтметров и особенности их включения 80
5.4 Влияние формы кривой измеряемого напряжения на показания аналоговых электронных вольтметров 82
6 ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ
6.1 Общие сведения 84
6.2 Цифровые вольтметры постоянного тока с поразрядным кодированием (взвешиванием) 88
6.3 Цифровые вольтметры постоянного тока с время - импульсным преобразованием 90
6.4 Цифровые вольтметры постоянного тока с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующие) 93
6.5 Цифровые волтметры постоянного тока с двойным интегрированием 95
6.6 Цифровые вольтметры постоянного тока с комбинированным преобразованием 98
6.7 Цифровые вольтметры переменного тока 99
7 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА
7.1 Общие сведения 101
7.2 Измерение напряжения в цепях постоянного тока. 101
7.3 Измерение постоянного тока 109
7.4 Измерение напряжения и тока на низких и высоких частотах 115
7.5 Измерение импульсных напряжений 118
8 СЧЕТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (Вариант 1)
8.1 Общие сведения 126
8.2 Электродинамические счетчики. 126
8.3 Индукционные счетчики 132
9 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (Вариант 2)
9.1 Измерение энергии однофазного переменного тока 142
9.2 Измерение активной мощности и энергии в трехфазных цепях 148
10 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
10.1 Общие сведения 153
10.2 Измерительные системы 156
10.3 Телеизмерительные системы 160
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 2342; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!