Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ПРЕДИСЛОВИЕ
Конец XX и начало XXI века сопровождается количественным и качественным развитием измерительных информационных систем (ИИС) во всем мире. С ИИС связывают создание информационных технологий и «информационного» общества.
Для студентов, в том числе и для специалистов, эта область является новой, и, чтобы завершить обучение по специальности «Информационно-измерительная техника и технологии» и успешно работать, необходимо получить представление об основах построения измерительных информационных систем.
Данный учебник представляет лишь краткое изложение основных понятий об ИИС, их значениях, функциях, стадиях создания (проектирования), анализа функционирования и эффективности.
Учебник отличается от других учебников и пособий тем, что является более полным отражением вопросов ИИС, позволяющим самостоятельно оценивать уровень знаний, на основе конкретных задач.
Учебник соответствует Государственному общеобразовательному стандарту подготовки дипломированного специалиста по направлению «Приборостроение», специальности «Информационно-измерительная техника и технологии» и «Авиационные приборы и вычислительные комплексы»
Дисциплина «Измерительные информационные системы» - включает роль множественных измерений в производстве и научном эксперименте, виды и структуры измерительных информационных систем (ИИС), измерительные системы, системы автоматического контроля, системы технической диагностики, телеизмерительные системы, принципы разделения измерительных каналов, обеспечение точности, быстродействия и помехоустойчивости ИИС, особенности проектирования ИИС, метрологический анализ, ИИС на основе процессорных средств, интерфейсы ИИС.
В результате изучения материала учебника специалисты в области информационно-измерительной техники измерительных технологий, а также авиационных приборов и вычислительных комплексов должны приобрести знания
основных структур, характеристик и разновидностей измерительных информационных систем и их частей. Объем этих знаний достаточен для оценки метрологических характеристик, выбора и организации функциональных блоков и измерительно-вычислительных комплексов в системах конкретного применения.
С учетом того, что реализация измерительных информационных систем весьма быстро устаревает, количество конкретных описаний систем в учебнике ограничено.
Материал учебника основан на курсе лекций более 25 лет читаемом в Московском государственном открытом университете.
Для более глубокого изучения курса «Измерительные информационные системы» студенту следует обратиться к источником, приведенным в библиографическом списке.
Автор благодарен своим коллегам по работе в НПО «Союзцветметавтоматика» и на кафедре ИСИТ в Московском государственном открытом университете за помощь и полезные советы в написании данного учебника, без которых не мог быть создан курс в предлагаемом объеме.
Искренне признателен доктору технических наук, профессору В.Л. Шкуратнику и доктору технических наук, профессору В.К. Батоврину за оказанную помощь по рецензированию и советы при написании данного учебника.
ГЛАВА 1
РОЛЬ МНОЖЕСТВА ИЗМЕРЕНИЙ В ПРОИЗВОДСТВЕ И НАУЧНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
Система – множество взаимосвязанных элементов, каждый из которых связан прямо или косвенно с каждым другим элементом, а два любых подмножества не могут быть независимыми не нарушая целостность, единство системы.
Информация (в широком смысле) – сведения об объекте, которые получены в результате взаимодействия с ним. Информация передается при помощи сигналов, отображающих характеристики объекта.
Информационная среда – системно организованная совокупность средств передачи данных, информационных ресурсов, протоколов взаимодействия, аппаратно-программного и организационно-методического обеспечения, ориентированная на удовлетворение потребностей пользователей в информационных услугах и ресурсах.
Измерительная информационная система (ИИС) – совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, её преобразования, обработки с целью представления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде либо автоматического осуществления логических функций измерения, контроля, диагностирования, идентификация (распознавание образцов).
Вход – часть ИИС или входящего в него устройства, блока, звена, на которую непосредственно подается воздействие извне (по отношению к данному устройству, блоку, звену).
Выход – часть ИИС или входящего в него устройства, блока, звена, которая в соответствии с алгоритмом функционирования непосредственно воздействует вовне.
Сигнал – обусловленное (заранее договоренное) состояние или изменение состояния представляющего параметра, отображающее информацию, которая содержится в воздействии.
Примечание: обычно сигнал выражается некоторой математической функцией, однозначно отображающей изменения во времени представляющего параметр.
Непрерывный сигнал – сигнал, описываемый непрерывной функцией времени.
Дискретный сигнал – сигнал, описываемый дискретной функцией времени.
Комплекс технических средств – совокупность вычислительных и управляющих устройств, средств преобразования, отображения и регистрации сигналов, устройств передачи и обработки сигналов и данных, исполнительных устройств, достаточная для выполнения всех функций измерительной информационной системы.
Техническое обеспечение – комплекс технических средств, предназначенных для обеспечения работы измерительной информационной системы.
Информационное обеспечение – совокупность системы классификации и кодирование технологической и технико-экономической информации, сигналов, характеризующих состояние объекта, массивов данных и документов, необходимых для выполнения всех функций измерительной информационной системы.
Математическое обеспечение – совокупность методов, математических моделей и алгоритмов, необходимых для выполнения функций ИИС, представляемых в заданной форме.
Программное обеспечение – совокупность программ, обеспечивающая реализацию функций системы измерений и контроля процессом или измерительным экспериментом, заданное функционирование комплекса технических средств ИИС и предлагаемое развитие системы.
Общее программное обеспечение – часть программного обеспечения ИИС технологического процесса, представляющая собой совокупность программ, поставляемая в комплекте со средствами вычислительной техники.
Примечание: к общему программному обеспечению относятся программы для автоматизации разработки программ, компоновки программного обеспечения, организация функционирования вычислительного комплекса и другие служебные и стандартные программы.
Специальное программное обеспечение – часть программного обеспечения, представляющая собой совокупность программ, разрабатываемая при создании системы и включающая программы реализации её функций.
Примечание: специальное программное обеспечение ИИС разрабатывается на базе и с использованием программ общего программного обеспечения.
Организационное обеспечение – совокупность описаний функциональной, технической и организационной структур, инструкций и регламентов для оперативного персонала, обеспечивающая заданное функционирование
Оперативный персонал – операторы осуществляющие управление измерительным экспериментом в составе ИИС, и эксплуатационный персонал.
Примечание: к эксплуатационному персоналу относятся инженеры, сменные дежурные операторы и др., обеспечивающие правильность функционирования комплекса технических средств. Ремонтный персонал ИИС в оперативный персонал не входит.
Совместимость ИИС – возможность взаимосвязанного функционирования ИИС разных уровней и различного функционального назначения.
Надежность ИИС – способность системы выполнять функции, сохраняя эксплуатационные показатели в установленных пределах в течение заданного интервала времени при заданных условиях эксплуатации.
Примечание: надежность ИИС характеризуется показателями безотказности, ремонтопригодности и долговечности.
Устройство связи с объектом – совокупность устройств получения и преобразования сигналов измерения и контроля, коммутации каналов передачи сигналов и исполнительных устройств.
Измерительная система - ИИС предназначенная для функций измерения и хранение информации. Измерительная система устанавливает соответствие между измеряемой величиной и мерой. Под мерой понимают средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, мерой является резистор, воспроизводящий сопротивление определенного размера с известной погрешностью.
Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Измерение физической величины (краткие формы: измерения величины, измерение) – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или не явном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.
Физическая величина (кратко – величина) – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, и в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
Мера – размер единицы (меры), воспроизводимой первичным эталоном и хранимый рабочими средствами измерений.
Система автоматического контроля – система устанавливающая соответствие между состоянием объекта контроля и заданными нормами.
Норма – установленные пределы допустимого изменения параметра. Обычно заданные с помощью аналоговых или цифровых уставок – нижний предел (НП) и верхней предел (ВП) – 220 В.
Система технической диагностики – системы автоконтроля, в которых устанавливается не только факт работоспособности, но и определяется место нахождения отказа и осуществляется локализация неисправностей. Это достигается специальными методами и способами поиска неисправностей, реализующимися алгоритмами диагностики.
Алгоритм диагностики – совокупность предписаний, ведущих к правильному выполнению технического процесса в каком-либо устройстве или совокупности устройств (системе).
Система распознавания образов – система для автоматического распознавания печатных, рукописных и фотографированных знаков, текстов, рисунков и схем, для распознавания звуков и речи, команд передаваемых голосом, для выявления некоторых ситуаций в сложных технических комплексах, таких, как критическое или аварийное состояние и т.д.
Система телеизмерения – совокупность технических средств на приемных и передающих сторонах и каналах связи для автоматического измерения одного или ряда параметров на расстоянии.
Канал связи – совокупность линий связи и технических устройств на передающей и приемной частях системы.
Виртуальный информационно-измерительный прибор или система – это компьютер, оснащенный набором аппаратных и программных средств, выполняющий функции информационно-измерительного прибора или системы максимально приближенный к решению задачи.
Примечание: в научных исследования, диагностических, статистических, интеллектуальных системах, компьютеры используются для решения задач управления измерительными экспериментами, сбора, регистрации, обработки и систематизации данных, представления и хранения результатов наблюдений. При этом часть функций и операций осуществляется не аппаратно, а программно с помощью персонального компьютера. Аппаратная информационно-измерительная часть приборов и систем реализуется в конструктиве стандартной платы и автономного модуля компьютера.
Интеллектуальные измерительные системы – системы выполняющие функции измерения и контроля в реальном масштабе времени одновременно множества экспериментальных величин.
Примечание: модульная конструкция позволяет осуществлять относительное расширение существующей системы путем введения дополнительных модулей, и, наконец, превращение её в систему средств супервизорного или цифрового управления измерительным экспериментом путем включения в неё ПЭВМ.
Математическое ожидание – среднее арифметическое наблюдаемых значений случайной величины.
Дисперсия – характеризует степень рассеивания случайных точек вокруг математического ожидания.
Средним квадратическим отклонением (стандартом) – называют корень квадратный из дисперсии.
Корреляционная функция случайной функции – неслучайная функция двух независимых аргументов и , значение которой при каждой паре фиксированных значений аргументов равно корреляционному моменту сочетаний, соответствующих этим же фиксированным значениям аргументам.
Спектральная плотность – описывает распределение дисперсии стационарной случайной функции по непрерывно изменяющейся частоте.
Примечание: спектральной плотностью стационарного процесса называют функцию , которая связана с корреляционной функцией взаимно обратным преобразованием Фурье.
Стадии проектирования ИИС:
предпроектные: технико-экономическое обоснование (ТЭО), техническое задание (ТЗ);
проектные: технический предложение (ТП), эскизный проект (ЭП), технический проект (ТП), рабочая документация, стадии реализации: ввод в действие, анализ функционирования, внедрение.
Метрологическое обеспечение – комплекс технических средств и программного обеспечения установления и применения научных основ, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.
ГОСТ 8.437-81. Системы информационно – измерительные. Метрологичес кое обеспечение. Основные положения
ГОСТ 8.438-81. Системы информационно-измерительные. Поверка. Об щие положения
ГОСТ 8.401-80. Классы точности средств измерений. Общие тре бования
ГОСТ 8.417-81. Единицы физических величин
ГОСТ 22487-77. Проектирование автоматизированное. Термины и оп ределения
ГОСТ 23501.5-80. Эскизный проект
ГОСТ 23501.6-80. Технический проект
ГОСТ 23501.7-80. Рабочий проект
ГОСТ 23501.9-80. Общие требования к автоматизированным банкам
данных
ГОСТ 3501.13-81. Мониторная система. Общие требования
ГОСТ 23501.12-81. Организация создания и развития
ГОСТ 23501.14-8. Изготовление. Отладка и испытания
ГОСТ 23501.15-8. Ввод в действие
ГОСТ 23501.17-82. Общие требования к техническому обеспечению
ГОСТ 18.145-81. Цепи на стыке С2 аппаратуры передачи данных с оконечным оборудованием при последовательном вводе-выводе данных. Номенклатура и технические требования.
ГОСТ 22261-82. Единая система стандартов приборостроения. Средства измерения электри ческих и магнитных величин. Общие техниче ские условия.
ГОСТ 26.003-80. Система интерфейса для измерительных устройств с байт-последовательным, бит-параллельным обменом информацией.
ГОСТ 26.016-81. Единая система стандартов приборостроения. Интерфейсы. Признаки классификации и общие требования.
ГОСТ 26139-84. Интерфейс для автоматизи рованных систем управления рассредоточенными объектами.
ГОСТ 27080-86. Система КАМАК. Крейт и сменные блоки. Требования к конструкции и ин терфейсу.
ГОСТ 34.003-90. Автоматизированные системы. Термины я определения.
ГОСТ 24.101-80. Виды и комплектность документов АСУ
ГОСТ 24.201-79. Требования к содержанию документа "Техническое задание АСУ"
ГОСТ 24.202-80. Требования к содержанию документа "Технико-экономическое обоснование создания АСУ"
ГОСТ 24.204-80. Требования к содержанию документа "Описание постановки задачи"
ГОСТ 24.205-80. Требования к содержанию документов по информа ционному обеспечению
ГОСТ 24.206-80. Требования к содержанию документов по техническому обеспечению
ГОСТ 24.207-80. Требования к содержанию документов по программному обеспечению
ГОСТ 8.596-2002 ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения.
МИ 2439-97 ГСИ. Метрологические характеристики измерительных систем. Номенклатура. Принципы регламентации, определения и контроля.
МИ 2440-97 ГСИ. Методы экспериментального определения и контроля характеристик погрешности измерительных каналов измерительных систем и измерительных комплексов (взамен МИ 2313-94).
МИ 2441-97 ГСИ. Испытания для целей утверждения типа измерительных систем. Общие требования.
ПР 50.2.009-94 ГСИ. Порядок проведения испытаний и утверждения типа СИ.
ГОСТ РВ 8.560-95 ГСИ. Средства измерений военного назначения. Испытания и утверждение типа.
ГОСТ РВ 8.573-2000. ГСИ. Метрологическая экспертиза образцов ВВТ. Организация и порядок проведения.
ГОСТ Р 5.563-96 ГСИ. Методики выполнений измерений.
ГОСТ РВ 8.578-2000. ГСИ. Порядок проведений государственного метрологического надзора.
ПР 500.2.002-91 ГСИ. Порядок осуществления государственного метрологического надзора.
ПР 50.2.002-91 ГСИ. Порядок осуществления государственного метрологического надзора за выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами и соблюдением метрологических правил и норм.
МИ 2304-94 ГСИ. Метрологический контроль и надзор, осуществляемые метрологическими службами юридических лиц.
ГОСТ 27300-87. Информационно-измерительные системы. Общие требования, комплектность и правила составления эксплуатационной документации.
ГОСТ 34.201-89 ИТ КСАС. Виды, комплектность и обозначения документов при создании автоматизированных систем.
ГОСТ 34.601-90 ИТ КСАС. Автоматизированные системы. Стадии создания.
ГОСТ 34.602-89 ИТ КСАС. Технические задания на создание автоматизированных систем.
ГОСТ 8.009-84 ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.
МИ 2175-91 ГСИ. Градуировочные характеристики СИ. Методы построения, оценивание погрешностей.
МИ 222-80. Методика расчета метрологических характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем по метрологическим характеристикам компонентов.
МИ 2168-91 ГСИ ИИС. Методика расчета метрологических характеристик каналов по метрологическим характеристикам линейных аналоговых компонентов.
МИ 2232-200 ГСИ. Обеспечение эффективности измерений при управлении технологическими процессами. Оценивание погрешности измерений при ограниченной исходной информации.
РД 50-4532-84. Методические указания. Характеристики погрешности средств измерений в реальных условиях эксплуатации. Методы расчета.
МИ 2174-91 ГСИ. Аттестация алгоритмов и программ обработки данных при измерениях. Основные положения.
МИ 2267-2000. Государственная система обеспечения единства измерений. Обеспечение эффективности измерений при управлении технологическими процессами. Метрологическая экспертиза технической документации.
МИ 2277-93 ГСИ. Спецификация средств измерений. Основные положения и порядок проведения работ.
МИ 2278-93 ГСИ. Спецификация средств измерений. Органы по сертификации. Порядок аккредитации.
МИ 2279-93 ГСИ. Спецификация средств измерений. Порядок ведения реестра системы.
МИ 2146-98 ГСИ. Порядок разработки и требования к содержанию программ испытаний средств измерений для целей утверждения их типа.
МИ 2376-96 ГСИ. Порядок проведения, оформления, рассмотрения результатов испытаний и утверждения типа средств измерений военного назначения, не предназначенных для серийного выпуска или ввозимых из-за рубежа единичными экземплярами.
ПР 50.2.006-94. ГСИ. Проверка средств измерений. Организация и порядок проведения.
ПР 50.2.012-94 ГСИ. Порядок аттестации поверителей средств измерений.
ПР 50.2.014-94 ГСИ. Правила проведения аккредитации метрологических служб юридических лиц на право поверки средств измерений.
ГОСТ РВ 8.576-2000 ГСИ. Порядок проведении поверки средств измерений в сфере обороны и безопасности РФ.
РД 50-660-80. Инструкция. Документы на методики поверки средств измерений. М: Издательство стандартов, 1988.
ПР 50.2.016-95 ГСИ. Требования к выполнению калибровочных работ.
ГОСТ 24.207-80. Требования к содержанию документов по программному обеспечению
ГОСТ 24.301-80. Общие требования к выполнению текстовых документов
ГОСТ 24.302-80. Общие требования к выполнению схем
ГОСТ 24.303-80. Обозначения условные графические технических средств
ГСИ 8.011-72. Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений
ГСИ 8.042-72. Требования к построению, содержанию и изложению стандартных методов и средств поверки мер и измерительных приборов
ГСИ 8.061-80. Поверочные схемы. Содержание и построение
ГСИ 8.103-73. Организация и порядок проведения метрологической экспертизы конструкторской и технологической документации
ГСИ 8.157-75. Шкалы температурные практические
ГСИ 8.009-84. Обработка результатов экспериментальных исследований
ГСИ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями.
Методы обработки результатов наблюдения. Основные положения
ГСИ 8.256-77. Нормирование и определение динамических характе ристик аналоговых средств измерений. Основные положения
ГСИ 8.326-78. Метрологическое обеспечение разработки, изготовле ния и эксплуатации нестандартизованных средств измерений. Основные положения
РД34.4. 206-88. Обработка результатов экспериментальных исследований
РМГ 29-99 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.
РД 50-453-84. Методические указания. Характеристики погрешности СИ в реальных условиях эксплуатации. Методы расчета.
ГСИ 8.012-72. Методы и средства поверки милливольтметров пирометрических.
ГСИ 8.383-80. Государственные испытания СИ. Основные положения.
ГСИ 8.384-80. Организация и порядок проведения метрологической экспертизы технических заданий на разработку СИ.
ГСИ 8.002-86. Государственный надзор и ведомственный контроль за СИ.
ГСИ 8.008-72. Методы и средства проверки контроля пневматических показывающих и регистрирующих ГСП.
СБОРНИК. Нормирование и использование метрологических характеристик СИ.
ОСТ 9.1.1-97. Система разработки и постановки продукции на производство. Учебная техника для учебных заведений. Порядок разработки конструкторской документации, изготовления и испытания опытного образца и постановки на производство.
ОСТ 25 953-81. Приборы, средства автома тизации и вычислительной техники. Интерфейсы. Построение и содержание нормативно-технических документов.
Руководящий нормативный документ РД
ОСТ 40.5-86. Составление исходных педагогических и технических требований к заявке на разработку и постановку на производство учебного оборудования.
Стандарты на механическое и конструктивное исполнение:
Стандарты на организацию измерительно-управляющих устройств и систем:
Р 50779.77-99. Статистические методы. Планы и процедуры статистического приемочного контроля нештучной продукции.
Р 50948-96. Средства отображения информации индивидуального пользования. Общие эргономические требования и требования безопасности.
ОСТ ВШ 01.002-95. Информационные технологии в высшей школе. Термины и определения.
Р ИСО/МЭК 10740-1-2000; Р ИСО/МЭК 10740-2-2000. Информационные технология. Текстовые и учережденческие системы. Часть 1 и 2.
Р 50.1.031-2001; Р 50.1.030-2001. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Терминологический словарь. ПР 50.1.019-2000 Основные положения единой системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации и унифицированных систем документации в РФ.
ПР 50.1.020-2000. Порядок разработки общероссийских классификаторов.
ПР 50.1.021-2000. Положение о введении общероссийских классификаторов на базе информационно-вычислительной сети Госкомстата России.
Р 50.1.027-2000. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Автоматизированный обмен технической информацией. Основные положения и общие требования.
Р 50.1.028-2001. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Методология функционального моделирования.
Р 50.1.029-2001. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Интерактивные электронные технические руководства. Требования к логической структуре базы данных.
ИСО/МЭК 8825-2-98. Информационная технология. Правила кодирования АСН.1. Часть 2. Спецификация правил уплотнения кодирования.
ГСИ 8.019-85. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для СИ тангенса угла потерь.
ГСИ 8.021-84. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для СИ массы.
ГСИ 8.027-89. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для СИ электродвижущей силы и постоянного напряжения.
ГСИ 8.028-86. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для СИ электрического сопротивления.
ГСИ 8.029-80. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для СИ индуктивности.
ГСИ 8.051-81. Погрешности, допускаемые при измерении линейных размеров до 500мм.
ГСИ 8.057-80. Эталон единиц физических величин. Основные положения.
ГСИ 8.065-85. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для СИ силы».
ГСИ 8.097-73. Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для СИ.
ГСИ 8.001-80. Организация и порядок поведения государственных испытаний СИ.
ГСИ 8.383-80. Государственные испытания СИ. Основные положения.
ГСИ 8.384-80. Организация и порядок проведения метрологической экспертизы технических заданий на разработку СИ.
ГСИ 8.002-86. Государственный надзор и ведомственный контроль за СИ.
ГСИ 8.008-72. Методы и средства поверки приборов контроля пневматических показывающих и регистрирующих ГСП.
СБОРНИК. Государственные испытания CИ.
ГСИ 8.001 Организация и порядок проведения государственных испытаний СИ.
ИСО/МЭК 14362-96. Информационная технология. Методы проверки соответствия требованиям манипулирования абстрактными данными. Прикладной программный интерфейс, не зависящий от языка.
ИСО/МЭК 10746-1-98. Информационная технология. Взаимосвязь открытых систем. Открытая распределенная обработка. Базовая модель. Часть 1. Основные положения.
ИСО/МЭК 10746-4-98. Информационная технология. Взаимосвязь открытых систем. Открытая распределенная обработка. Базовая модель. Часть 4. Архитектурная семантика.
Р МЭК 60870-2-2-2001. Устройства и системы телемеханики.
Ниже, в табл. 1.1 приведены некоторые обозначения функциональных блоков, применяемые в измерительных информационных системах.
Таблица 1.1
|
Наименование блока |
Условное обозначение |
Наименование блока |
Условное обозначение |
|
Датчик |
Преобразователь кодов |
||
|
Аналоговый преобразователь |
Цифровой коммутатор, мультиплексор |
||
|
Нормирующий аналоговый преобразователь |
Цифровое ЗУ |
||
|
Аналоговый коммутатор |
Цифровое устройство сравнения |
||
|
Аналоговое ЗУ |
Цифровое вычислительное устройство |
||
|
Аналоговое устройство сравнения |
Мини- или микро-ЭВМ |
||
|
Аналоговое вычислительное устройство |
Цифровой канал связи |
||
|
Аналоговый канал связи |
Устройство управления |
||
|
Продолжение табл.1.1 |
|||
|
Регистрирующий прибор |
Исполнительное устройство |
||
|
Показывающий прибор |
Цифровое регистрирующее устройство |
||
|
Аналогово-цифровой преобразователь |
Дисплей (экранный пульт) |
||
|
Цифро-аналоговый преобразователь |
Цифровой индикатор |
||
|
Накопитель на магнитных дисках |
Индикатор результатов контроля |
||
|
Накопитель на магнитной ленте |
Таймер |
Современные задачи и условия проведения научных экспериментов при исследовании явлений, процессов и веществ, а также испытательных экспериментов, исследовании образцов различной промышленной продукции связаны с необходимостью выполнения больших объемов измерений разнообразных физических величин и технологических параметров. В промышленности это сотни и тысячи параметров.
Достижение новых существенных результатов исследований, повышение сложности испытываемых машин и оборудования предъявляют всё более жесткие требования к измерительной аппаратуре по точности, достоверности результатов измерения, скорости выполнения экспериментов. Усложняется обработка полученных результатов измерений, которая проводится в реальном масштабе времени алгоритмом, изменяющимся в ходе эксперимента в зависимости от получаемой измерительной информации. Это приводит к значительному росту трудоемкости и стоимости проведения измерительных процедур и эксперимента в целом и требует создания специальных измерительных информационных систем (ИИС), автоматизированных систем научных исследований (АСНИ). Построение таких систем невозможно без широкого использования современной вычислительной техники, в первую очередь ПЭВМ пятого поколения, оснащенных развитыми средствами связи с объектами исследования и управления.
По сравнению с производственно-технологическими процессами научно-технический эксперимент имеет ряд особенностей, учет которых необходим при проектировании ИИС и АСНИ: разнотипность научно-технических экспериментов в сочетании с массовым характером применения; относительная структурно-функциональная неустойчивость систем, необходимость обеспечения возможности сравнительно простой и быстрой перестройки конфигурации при изменение и усложнении методики исследования, наращивании функций; многочисленность датчиков и исполнительных органов, особенно в АСНИ лабораторного типа; широкий частотный спектр исследуемых сигналов, от единиц Герц до десятков и сотен мегаГерц. Характерны значительные объемы выборки измерительной информации; широкая кооперация проведения научных исследований, при решении крупных научных исследований, научно-технических проблем. При этом для обеспечения возможности объединения усилий многих разработчиков остро влияет проблема системной совместимости различных компонентов АСНИ и ИИС.
Информационным называют процесс, возникающий при установлении связи между источником информации и её приемником. Основные процессы при этом обнаружение и счет, измерение и контроль, сбор и распределение, распознавание и диагностика, передача и хранение, обобщение и отображение.
Роль информационных процессов в общественной жизни человека – это, во-первых, повышение эффек тивности как в материальном производстве так и в непроизводст венной сфере; во-вторых удовлетворение материальных и духовных потреб ностей людей и всестороннее развитие человека путём их использования как в быту, так и для улучшения условий труда, отдыха, укрепления здоровья, улучшения охраны природной среды; в-третьих, обогащение духовной жизни является средством материального обеспечения содержательного заполнения свобод ного времени.
Информатизация общества – это глобальный социальный процесс, особенность которого состоит в том, что доминирующим видом деятельности в сфере общественного производства является сбор, накопление, продуцирование, обработка, хранение, передача и использование информации, осуществляемые на основе современных средств микропроцессорной и вычислительной техники, а также на базе разнообразных средств информационного обмена. Информатизация общества обеспечивает:
Применение открытых информационных систем, рассчитанных на использование всего массива информации, доступной в данный момент обществу в определенной его сфере, позволяет усовершенствовать механизмы управления общественным устройством, способствует гуманизации и демократизации общества, повышает уровень благосостояния его членов. Процессы, происходящие в связи с информатизацией общества, способствуют не только ускорению научно-технического прогресса, интеллектуализации всех видов человеческой
деятельности, но и созданию качественно новой информационной среды социума, обеспечивающей развитие творческого потенциала индивида.
Одно из направлений процесса информатизации современного общества является информатизация образования – процесс обеспечения сферы образования методологией и практикой разработки и оптимального использования современных или, как их принято называть, новых информационных технологий, ориентированных на реализацию психолого-педагогических целей обучения и воспитания.
Процесс информатизации так же затронул и экономические отрасли. Их радикальное усовершенствование и приспособление к современным условиям стало возможным благодаря массовому использованию новейшей компьютерной, телекоммуникационной, информационно-измерительной техники, формирование на ее основе высокоэффективных измерительных управляющих технологий.
Новые информационные технологии значительно расширяют возможности использования информационных ресурсов в различных отраслях промышленности, а также в образовании.
Согласно определению, информационная технология – это комплекс взаимосвязанных научных, технологических, инженерных дисциплин, изучающих методы эффективной организации труда людей, занятых обработкой и хранением информации; вычислительную технику и методы организации и взаимодействия с людьми и производственным оборудованием, их практические приложения, а также связанные со всем этим социальные, экономические и культурные проблемы. Сами информационные технологии требуют сложной подготовки, больших первоначальных затрат и наукоемкой техники. Их введение должно начинаться с создания математического обеспечения, формирования информационных потоков в системах подготовки специалистов, производственных процессов и производств.
Существует несколько точек зрения на развитие информационных технологий и использованием компьютеров, которые определяются различными признаками деления.
Общим для всех изложенных ниже подходов является то, что с появлением персонального компьютера начался новый этап развития информационной технологии. Основной целью становится удовлетворение персональных информационных потребностей человека, как для профессиональной сферы, так и для бытовой.
Основные признаки деления информационных технологий:
1-й этап (60 – 70-е гг.) – обработка данных в вычислительных центрах в режиме коллективного пользования. Основным направлением развития информационной технологии являлась автоматизация рутинных действий человека.
2-й этап (с 80-х гг.) – создание информационных технологий, направленных на решение стратегических задач.
1-й этап (до конца 60-х гг.) – характеризуется проблемой обработки больших объемов данных в условиях ограниченных возможностей аппаратных средств.
2-й этап (до конца 70-х гг.) – связывается с распространением ЭВМ серии IBM/360. Проблема этого этапа – отставание программного обеспечения от уровня развития аппаратных средств.
3-й этап (с начала 80-х) – компьютер становится инструментом непрофессионального пользователя, а информационные системы – средством поддержки принятия его решений. Проблемы – максимальное удовлетворение потребностей пользователя и создание соответствующего интерфейса работы в компьютерной среде.
4-й этап (с начала 90-х гг.) – создание современной технологии меж организационных связей и информационных систем. Проблемы этого этапа весьма многочисленны. Наиболее существенными из них являются:
По преимуществу, которое приносит компьютерная технология:
1-й этап (с начала 60-х гг.) – характеризуется довольно эффективной обработкой информации при выполнении рутинных операций с ориентацией на централизованное коллективное использование ресурсов вычислительных центров. Основным критерием оценки эффективности создаваемых информационных систем была разница между затраченными на разработку и сэкономленными в результате внедрения средствами. Основная проблема на этом этапе была психологическая – плохое взаимодействие пользователей, для которых создавались информационные системы, и разработчиков из-за различия их взглядов и понимания решаемых проблем. Как следствие этой проблемы, создавались системы, которые пользователи плохо воспринимали и, несмотря на их достаточно большие возможности, не использовали в полной мере.
2-й этап (с середины 70-х гг.) – связан с появлением персональных компьютеров. Изменился подход к созданию информационных систем – ориентация смещается в сторону индивидуального пользователя для поддержки принимаемых им решений. Пользователь заинтересован в проводимой разработке, налаживается контакт с разработчиком, возникает взаимопонимание обеих групп специалистов. На этом этапе используется как централизованная обработка данных, характерная для первого этапа, так и децентрализованная, базирующаяся на решении локальных задач и работе с локальными базами данных на рабочем месте пользователя.
3-й этап (с начала 90-х гг.) – связан с понятием анализа стратегических преимуществ в производстве и бизнесе и основан на достижениях телекоммуникационной технологии распределенной обработки информации. Информационные системы имеют своей целью не просто увеличение эффективности обработки данных и помощь персоналу. Соответствующие информационные технологии должны помочь организации выстоять в конкурентной борьбе и получить преимущество.
Информатизация общества является одной из закономерностей современного социального прогресса. Этот термин все настойчивее вытесняет широко используемый до недавнего времени термин «компьютеризация общества». При внешней похожести этих понятии они имеют существенное различие.
При компьютеризации общества основное внимание уделяется развитию и внедрению технической базы компьютеров, обеспечивающих оперативное получение результатов переработки информации и ее накопление.
При информатизации общества основное внимание уделяется комплексу мер, направленных на обеспечение полного использования достоверного, исчерпывающего и своевременного знания во всех видах человеческой деятельности.
Таким образом, «информатизация общества» является более широким понятием, чем «компьютеризация общества», и направлена на скорейшее овладение информацией для удовлетворения своих потребностей. В понятии «информатизация общества» акцент надо делать не столько на технических средствах, сколько на сущности и цели социально-технического прогресса. Компьютеры являются базовой технической составляющей процесса информатизации общества.
Информатизация на базе внедрения компьютерных и телекоммуникационных технологий является реакцией общества на потребности в существенном увеличении производительности труда в информационном секторе общественного производства, где сосредоточено более половины трудоспособного населения. Так, например, в информационной сфере США занято более 60% трудоспособного населения, в СНГ – около 40%.
Информационные технологии прочно вошли в нашу жизнь. Применение ЭВМ стало обыденным делом, хотя совсем еще недавно рабочее место, оборудованное компьютером, было большой редкостью. Информационные технологии открыли новые возможности для работы и отдыха, позволили во многом облегчить труд человека.
Современное общество вряд ли можно представить без информационных технологий. Перспективы развития вычислительной техники сегодня сложно представить даже специалистам. Однако ясно, что в будущем нас ждет нечто грандиозное. И если темпы развития информационных технологий не сократятся (а в этом нет никаких сомнений), то это произойдет очень скоро.
С развитием информационных технологий растет прозрачность мира, скорость и объемы передачи информации между элементами мировой системы, появляется еще один интегрирующий мировой фактор. Это означает, что роль местных традиций, способствующий самодостаточному инерционному развитию отдельных элементов, слабеет. Одновременно усиливается реакция элементов на сигналы с положительной обратной связью. Интеграцию можно было бы только приветствовать, если бы ее следствием не становилось размывание региональных и культурно-исторических особенностей развития.
Информационные технологии вобрали в себя лавинообразные достижения электроники, а также математики, философии, психологии и экономики. Образовавшийся в результате жизнеспособный гибрид ознаменовал революционный скачок в истории информационных технологий, которая насчитывает сотни тысяч лет.
Современное общество наполнено и пронизано потоками информации, которые нуждаются в обработке. Поэтому без информационных технологий, равно как без энергетических, транспортных и химических технологий, оно нормально функционировать не может.
Социально-экономическое планирование и управление, производство и транспорт, банки и биржи, средства массовой информации и издательства, оборонные и производственные системы, социальные и правоохранительные базы данных, сервис и здравоохранение, учебные процессы, офисы для переработки научной и деловой информации, наконец, Интернет –информационные измерительные системы всюду.
Измерительные информационные системы (ИИС) – это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю, в том числе ввода в АСУТП, АСНИ и КИ в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций измерения, контроля, диагностики, идентификации и тому подобных.
Назначение измерительной информационной системы можно определить как целенаправленное оптимальное ведение измерительного процесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной количественной информацией. Исходя их этого основные функции измерительной информационной системы – получение измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, передача, представление информации оператору или/и ЭВМ, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий.
Назначение любой измерительной информационной системы, необходимые функциональные возможности, технические характеристики и другие в решающей степени определяются объектом исследования или управления, для которого данная система создается.
В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуется в виде:
В СТД, САК, СРО измерительная система входит как подсистема.
Измерительная и информационная система должна управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием
функционирования; выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью; обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, помехоустойчивости, быстродействия, надежности, пропускной способности, адаптивности, сложности и прочее; отвечать экономическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств; быть приспособленными к функционированию с измерительными информационными системами смежных уровней иерархии и другими ИИС, т.е. обладать свойствами технической, информационной и метрологической совместимости, а также допускать возможность дальнейшей модернизации и развития.
Процессом функционирования измерительной и информационной системы, как и любой другой технической системы, является целенаправленной преобразование входной информации в выходную. Это преобразование выполняется либо автоматически с помощью аппаратуры технического обеспечения, либо совместно – оперативным персоналом и аппаратурой технического обеспечения в сложных измерительных информационных системах (ИИС), информационно-вычислительных комплексах (ИВК), компьютерных измерительных системах.
Применение современных средств схемотехники (микросхем, микропроцессоров и т.д.) коренным образом меняет принципы построения ИИС. Кроме того, методы достаточно обоснованного определения информационных потоков дают возможность уменьшить их избыточность. Это позволяет ставить задачу о возможно максимальном переносе обработки измерительной информации к месту ее формирования, т.е. перейти к конвейерной обработке измерительной информации в распределенной ИИС. В целом такая система состоит из следующих основных частей: системы первичных преобразователей (датчиков), устройств сбора и первичной обработки информации, средств вторичной обработки информации, устройств управления и контроля, устройств связи с другими системами объекта, накопителей информации.
Современные ИИС строятся на основе программно-управляемой измерительно-вычислительной аппаратуры и средств вычислительной техники, используют локальные и глобальные телекоммуникационные сети, последние достижения информационных технологий и широкий набор специального и универсального инструментального и прикладного программного обеспечения. ИИС применяются для решения задач управления технологическими (АСУТП) и производственными процессами (АСУП), задач экспериментальных исследований, испытаний, мониторинга, диагностики (АСНИ и КИ) и тестирования аппаратных средств (агрегатов, самолетов, вертолетов) и т.п. В каждой из этих областей объектам и явлениям присущи некоторые отличительные особенности, которые предъявляют к системе измерения и тестирования свои характерные требования. Несмотря на имеющиеся различия, для всех ИИС характерны общие тенденции развития, принципы построения и подходы к проектированию.
Степень достижения функций принято характеризовать с помощью критериев измерения. Измерительные информационных системы оптимизируют по многим частичным критериям таким, как точность, помехоустойчивость, надежность, пропускная способность, адаптивность, сложность, экономичность и др.
Поскольку области применения ИИС весьма обширны – это промышленное и сельскохозяйственное производство, авиация и космос, медицина и химия, искусство и научный эксперимент, АСУ и АСУТП, связь и вычислительные системы, математические модели объектов столь же разнообразны. Однако методы математического моделирования позволяют одинаковыми выражениями представлять различные по своей природе объекты и использовать для исследования и решения задач оптимизации и синтеза ИИС электронно-вычислительные машины.
Математическая модель объекта исследования включает описание взаимодействия между переменными входа и выхода для установившегося и переходного состояния, т.е. модели статики и динамики объекта; граничные условия и допустимое изменение переменных процессов (10<х<3).
Если переменные объекта изменяются только во времени, то модели, описывающие свойства таких объектов, называются моделями со сосредоточенными параметрами (1.1):
(1.1)
x1(t), x2(t),...x(t) – контролируемые изменения ;
d1(t)...dS(t) – неконтролируемые изменения.
Модели объектов исследований, переменные которых изменяются как во времени, так и в пространстве, называются моделями с распределенными параметрами (1.2):
Форма записи математической модели может быть различна: алгебраические и трансцендентные уравнения, дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных. Могут использоваться переходные и передаточные функции, частотные и спектральные характеристики и др.
Различают три основных метода получения математических моделей объектов исследования:
В последние годы при создании ИИС широко используются математическое моделирование, реализующее цепочку: «объект – модель – вычислительный алгоритм – программа для ПЭВМ – расчет на ПЭВМ – анализ результатов расчета – управление объектом исследования».
Ядро вычислительного эксперимента: модель – алгоритм – программа калибрует и формирует оптимальную модель объекта исследования.
Алгоритм измерения может быть представлен словесно, аналитически, графически или сочетанием этих методов.
Последовательность действий не произвольна, а реализует тот или иной метод решения задачи. Во всех случаях она должна быть настолько точно сформулирована, чтобы не осталось места для различных толкований и двусмысленностей.
Так, Э.И. Цветков оценку измеряемой величины представляет выражением
, (1.3)
где Р = оператор, представляющий алгоритм измерений; Р(l) – сигнал, несущий информацию измеряемой величины о значении измеряемой величины; l0 - мера, образцовая величина, лежащая в основе операции сравнения.
Графически этот процесс представлен на рис. 1.1.
Тот же процесс М.П. Цапенко предлагает записать в форме содержательных логических схем алгоритмов (СЛСА), которая отражает работу измерительных каналов.
Наиболее простой и распространенной формой алгоритмической структуры является схема, приведенная на рис. 1.2.
Вопросы для самопроверки.
ГЛАВА 2
ВИДЫ И СТРУКТУРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Состав и структура конкретной ИИС определяется общими техническими требованиями, установлен ными ГОСТом и частными требованиями содержащими ся в техническом задании на её со здание.
Измерительная информационная система должна управлять изме рительном экспе риментом в соот ветствии с принятым алгоритмом функционирования; выполнять возложенные на неё функции в соот ветствии с назначением и целью; обладать требуемыми показателями и характери стиками: критерием точности, надеж ности и быстродействия; отвечать экономическим требованиям, предъяв ляемым к способам и форме представления инфор мации, размещению технических средств и т.д.; быть приспособленной к функционированию с ИИС смежных уровней иерархии и другими ИИС и ИВК, т.е. обладать свойствами программной, технической, ин формационной и метрологической совместимости; допускать возможность дальнейшей модернизации и развития и др.
Так как основное назначение учебника рассмотрение принципов построения информационных измерительных систем, в нем используются главным образом структурные схемы с условными графическими обозначениями или названиями функциональных блоков и элементов.
Структурная схема взаимодействия основных компонентов ИИС представлена на рис. 2.1.
Процессом функционирования ИИС (как и любой другой технической системы), является целенаправленное преобразование входной информации в выходную.
Это преобразование выполняется либо автоматически – комплексом технических средств (техническим обеспечением), либо совместно-оперативным персоналом и комплексом технических средств (КТС) в сложных ИИС, ИВК, ИИУС.
Технические средства ИИС состоят из:
I – множества первичных измерительных преобразователей (датчиков);
II– множества вторичных измерительных преобразователей;
III– множества элементов сравнения – мер;
IV– блока цифровых устройств;
V– множества элементов описания – норм;
VI – множества преобразователей сигнала, средств отображения, памяти и др.
При наличии в составе ИИС ЭВМ информация к ЭВМ может поступить непосредственно от устрой ств сбора, обработки (и) или хранения.
Чтобы люди и комплекс технических средств (КТС) могли функционировать оптимально, необходимы соответствующие инструкции и правила. Эту задачу выполняет организационное обеспечение.
Математическое программное и информационное обеспечение входит в состав только ИИС, ИВК и ИИУС с цифровым вычислительным комплексом.
Математическое обеспечение – это модели и вычислительные алгоритмы, которые рассмотрены в главе 1.
Программное обеспечение гарантирует конкретную реализацию вычислительных алгоритмов и алгоритмов функционирования системы и охватывает круг решений, связанных с разработкой и эксплуатацией программ.
Современное программное обеспечение, которое используется в ИИС, имеет многовариантную и многоуровневую архитектуру и включает взаимосвязанные средства программной поддержки функционирования системы в целом и ее отдаленных компонентов. Отличительной особенностью программного обеспечения ИИС является то, что кроме общеизвестных широко используемых ПО: DOS, Windows, Windows NT/95, Windows NT/95/3/1, HP-UX, X- Windows для OS-9, VxWorks, Sun OS, VADSWorks, OS-9, Windows-9, XD-Ada, Unix, Lynx OS и др. используются специальное ПО для:
Информационное обеспечение определяет способы и конк ретные формы информационного отображения состояния объекта исследования в виде документов, диаграмм, графиков, сигналов для их представления обслуживающему персоналу и ЭВМ для дальнейшего использования в управлении (рис. 2.1).
2.2. Основные структуры измерительных информационных систем.
В зависимости от способа организации сбора и передачи информации между функциональными блоками (ФБ) различают цепочечную, радиальную и магистральную структуры измерительных информационных систем (рис. 2.2): а – цепочечная структура, в которой управление работой последующего функционального блока (ФБ2) производится после окончания преобразования в предыдущем ФБ1; б – радиальная структура, в которой управление ведется централизованно от одного контроллера; в – магистральная структура, на которой выполняется четыре типа функций: служебные, передача данных, арбитраж, приоритетное прерывание, для этого выделено четыре группы шин: «Передача данных», «Арбитраж», «Прерывание», «Служебная».
Кроме того в настоящее время перспективными считаются магистрально-модульные системы (ММС). Их применяют в ИИС ориентированных на интерфейсы второго поколения, обеспечивающие способ организации каналов передачи между отдельными ФБ, регламент работы и обеспечение эффективности функционирования ИИС в целом.
При большом количестве ФБ организовывают объединенную работу нескольких одноступенчатых структур в двух- или многоступенчатую структуру с распределенными процессорными связями.
В развитии измерительных информационных систем можно отметить ряд поколений, которые определяли структуру ИИС.
Первое поколение – формирование концепции ИИС и системная организация совместной автоматической работы средств получения, обработки и передачи количественной информации. Системы первого поколения – это системы в основном централизованного циклического получения измерительной информации с элементами вычислительной техники на базе дискретной полупроводниковой техники. Этот этап (конец 1950-х - начало 1960-х годов) принято называть периодом детерминизма, так как для анализа в ИИС использовался хорошо разработанный аппарат аналитической математики.
Второе поколение (1970-е годы) – использование адресного сбора информации, обработка информации с помощью встроенных ЭВМ. Элементную базу здесь представляют микроэлектронные схемы малой и средней степени интеграции. Этот период характерен решением целого ряда вопросов теории систем в рамках теории случайных процессов и математической статистики, поэтому его принято называть периодом стохастичности.
Третье поколение характеризуется широким введением в ИИС больших интегральных схем (БИС), микропроцессоров и микропроцессорных наборов, микро-ЭВМ и промышленных функциональных блоков, совместимых между собой по информационным, метрологическим, энергетическим и конструктивным характеристикам, а также созданием распределенных ИИС. Этот период характерен тем, что появились адаптивные ИИС.
Четвертое поколение появилось с развитием системотехники и вычислительной техники – это гибкие перестраиваемые программируемые ИИС. В элементной базе резко возрастает доля интегральных схем большой и сверхбольшой степени интеграции.
Пятое поколение набирает силу и входит в жизнь народного хозяйства – это интеллектуальные и виртуальные измерительные информационные системы, построенные на базе современного математического, программного обеспечения и технического обеспечения и магистрально-модульной архитектуры систем (ММС), ориентированных на применения в ИИС технологией Plug&Play («включил и работай»).
В зависимости от способа организации передачи информации между функциональными блоками (узлами) (ФБ) различают цепочечную, радиальную и магистральную структуры ИИС в СТД, САК, СРО измерительная система входит как подсистема.
Любая измерительная информационная система с необходимыми функциональными возможностями, техническими и другими характеристиками в решающей степени определяется объектом, для которого данная система создается.
2.3. Классификация измерительных информационных систем.
В истории классификации измерительных информационных систем известно множество попыток создания единой системы классификации в США, Англии, Японии, Швейцарии, Австрии, Италии, Франции, России и др., однако до настоящего времени единой признанной всеми классификации не существует.
Это объясняется тем, что ИИС применяются для решения задач экспериментальных исследований, испытаний, мониторинга, диагностики, тестирования аппаратных средств, управления технологическими и аппаратными процессами и т.д. В каждой их этих областей есть специфические вопросы. Вместе с тем есть общие основополагающие требования и тенденции развития, которые позволяют представить классификатор следующим образом (рис. 2.3). Он включает следующие квалификационные признаки:
Рассмотрим подробно каждый из квалификационных признаков. Классификация ИИС по информационной мощности приведена в табл. 2.1.
Таблица 2.1.
|
№ п/п |
Количество измеряемых параметров |
Информационная мощность |
|
1 |
от 1 до 100 |
малая |
|
2 |
от 100 до 1000 |
средняя |
|
3 |
от 1000 до 10000 |
большая |
|
4 |
от 10000 и выше |
сверхбольшая |
Классификация ИИС по разновидности входных величин (сигналов) (классификация М.П. Цапенко) приведена в табл. 2.2.
Таблица 2.2.
|
Классификационный признак |
Классы |
|
|
Количество величин |
i =1 |
i≥2 |
|
Поведение во времени |
Сосредоточенное в точке |
Распределенное по пространству |
|
Характер величин |
Непрерывный |
Дискретный |
|
Энергетический признак |
Активные |
Пассивные |
|
Взаимосвязь помех с входными величинами |
Независимые помехи |
Помехи, связанные с входными величинами |
Классификация ИИС по выходной информации – измерительные (на выходе количественная измерительная информация), контрольные, диагностические, распознающие (на выходе количественного суждения о состоянии последующих объектов).
Классификация ИИС по принципам построения приведена в табл. 2.3 (классификация М.П. Цапенко)
Таблица 2.3.
|
Классификационный признак |
Классы |
|
|
Наличие специального канала связи |
Отсутствует |
Имеется |
|
Порядок выполнения операций получения информации |
Последовательный |
Параллельный |
|
Агрегатирование состава системы |
Агрегатированный |
Неагрегатированный |
|
Использование стандартного интерфейса |
Не используется |
Используется |
|
Наличие программно-управляемых вычислительных устройств (микропроцессоры, ПЭВМ и пр.) |
Отсутствуют |
Имеются |
|
Наличие контуров информационной обратной связи |
Разомкнутые |
Компенсационные (одно- и многоконтурные системы) |
|
Продолжение таблицы 2.3 |
||
|
Изменение скоростей получения и выдачи информации |
Без изменения (в реальном времени) |
С изменением скоростей |
|
Сигналы, используемые в ИИС |
Аналоговые |
Кодоимпульсные |
|
Структурная и информационная избыточность |
Безызбыточные системы |
Избыточные системы |
|
Адаптация к исследуемым величинам |
Неадаптивные системы |
Адаптивные системы |
По функциональной надежности ИИС разделяются на;
Низший, средний и высший уровень надежности. По новизне классифицируются на разрабатываемые впервые или повторного применения. По табл. 2.2. определяют класс, к которому принадлежит разрабатываемая ИИС и ее составной классификационный индекс, пользуясь классификационными фондами.
2.4. Системные технические и программные средства измерительных информационных систем.
Как указывалось выше измерительные информационные системы – многофункциональные, многоуровневые системы, каждые уровень в которой имеет свое функциональное назначение и соответственно техническое, алгоритмическое и программное обеспечение.
Задачи сбора информации и управления объектом решаются на первом уровне (рис. 2.4); программно-алгоритмическое управление ИИС на уровне управляющих контроллеров (компьютерное управление); задачи вторичной обработки, представления информации различным пользователям и т.д. производится на верхнем уровне.
Основополагающим стандартом, закрепившим структуру и основные принципы построения ИИС были изложены в ГОСТ 12997-76.ГСП «Общие технические требования», которым предусмотрена эксплуатационная, информационная, энергетическая, конструктивная и метрологическая совместимость.
Под информационной совместимостью понимают согласованность действий функциональных блоков в соответствии с условиями, определяющими структуру и состав унифицированного набора информационных шин, способ кодирования и форматы команд, данных, адресной информации и информации состояния, а также временные соотношения между управляющими сигналами и ограничения на их форму и взаимодействие. Электрическая совместимость обеспечивает согласованность статических и динамических параметров электрических сигналов в системе информационных шин и линий связи с учетом ограничений на пространственное размещение устройств ИИС и техническую реализацию приемопередающих элементов. Конструктивная совместимость определяет условия взаимного соответствия конструктивов ИИС для обеспечения механического контакта соединений и механической замены схемных модулей, блоков и устройтв. При этом основными видами совместимости элементов аппаратуры являются информационная и электрическая, без которых невозможно установить взаимодействие. Минимальные требования по конструктивной совместимости определяют параметры устройств для механических соединений – разъемов, в стандартах оговариваются размеры плат и конструктивных элементов.
После этого был издан целый ряд ГОСТов, уточняющих расширяющих систему стандартов на технические средства автоматизации, измерений, контроля и требования к ним.
Основное назначение ГСП – обеспечение рационального с экономической и технической точек зрения выпуска комплекса современных приборов и средств автоматизации. Из-за многообразия технических средств контроля и измерений применяемых в промышленности и сельском хозяйстве, их можно подразделить на общепромышленные, входящие в состав ГСП и применяемые в самых различных отраслях народного хозяйства и на специализированные, разработанные для специфичных процессов и условий измерений (главным образом датчики и устройства связи).
При построении ГСП применены следующие основные принципы, обеспечивающие техникоэкономическую эффективность ГСП:
По функциональным признакам средства ГСП можно разделить на ряд групп в соответствии с их назначением. Это разделение позволяет уменьшить номенклатуру и упростить выбор средств ГСП.
Группа 1 представляет устройства получения нормированной информации о состоянии объекта ис следования (датчики) и включает в себя первичные измерительные преобразователи; вторичные нормиру ющие преобразователи.
В группу 2 входят средства преобразования и передачи информации, имеющие:
Группа 3 содержит средства преобразования, хра нения информации и выработки команд управления, т.е. является наиболее сложной по выпол няемым функциям и, включает в себя:
В зависимости от уровня и объёма решаемых ими в ИИС задач все устройства центральной части можно подразделить на:
К группе 4 относятся средства преобразования и передачи команд управления, включающие в себя как и группа 2:
Группа 5 содержит средства воздействия на тех нологический процесс: усилители мощности сигналов управления; исполнительные механизмы (электродвигатели с редуктором, пневмо- и гидропоршни и т.п.); регулирующие органы (краны, задвижки, шибера и т.п.).
К группе 6 относятся нормированные источники энергии (питания) и специальные преобразова тели одного вида энергии в другой для связи между ветвями ГСП.
Устройства и средства групп 1 и 5 выполня ют более простые функции, чем средства группы 3, но они непосредственно взаимодействуют с управля емым объектом, поэтому более специфичны и менее поддаются унификации и стандартизации. Особенно это относится к первичным измерительным преобра зователям и регулирующим органам.
Унифицированные типовые конструкции ГСП преду сматривают конструктивное сопря жение устройств измерения на основе единых присоединительных и основных размеров, единой элементной базы, типо вых конструк тивов и унификации методов констру ирования.
В настоящее время разработан комплекс унифи цированных типовых конструкций (УТК) – плат, каркасов, шкафов для изделий центральной части ГСП и некоторых периферийных устройств.
Для приборов различного функционального наз начения УТК подразделяют на две части: общепро мышленную и приборную.
Первая часть УТК служит для компоновки аппа ратуры промышленной автоматики, перифе рийных средств управляющей вычислительной техники и других изделий, используемых в ИИС и АСУТП.
По защищенности от воздействий окружаю щей среды изделия ГСП подразделяют на следующие исполнения: обыкновенное, пылезащищенное, взрывозащищенное, герметическое, водозащищенное, защищенное от аг рессивной среды; по устойчивости к воздействию темпе ратуры и влажности окружающего воздуха (рис. 2.5). В зависимости от механических воздейст вий преду сматривается обыкновенное или вибро устойчивое исполнение.
В табл. 2.4 приведены стандартные сигналы.
Нормируются также метрологические харак терис тики изделий: виды погрешностей, методы норми рования погрешностей отдельных уст ройств, виды погрешностей совокупности звень ев и систем, классы точности и методы аттеста ции.
Однако развитие государственной системы приборов и средств автоматизации замедлилось в связи с распадом СССР и поэтому многие стандарты не были увязаны между собой, что не позволило интегрироваться в единые системы и комплексы. Поэтому на смену фирменных и узкоспециализированных решений пришли открытые международные стандарты, разрабатываемые в Европе, США и др.
Таблица 2.4
|
Вид представ ления информа ции |
Вид энергии носителя сигналов |
Вид тока, напряжения |
Параметр сигнала |
Установленное значение стандартных сигналов |
|
|
Аналоговый |
Электрический |
Непрерывно -меняющийся |
Постоянный |
U |
0-10 мВ, минус 10 -0- плюс 10 мВ 0-20 мВ, минус 20 -0- плюс 20 мВ 0-50 мВ, минус 50 -0- плюс 50 мВ 0-100 мВ, минус 100 -0- плюс 100 мВ
0-5 В, минус 5 -0- плюс 5 В 0-10 В, минус 10 -0- плюс 10 В |
I |
0-5 мА, минус 5 –0- плюс 5 мА 0-20 мА, минус 20 –0- плюс 20 мА 0-100 мА, минус 100 –0- плюс 100 мА (применять только по согласованию с заказчиком) |
||||
|
Переменный |
U~ |
0,25 –0-0, 25 В, 0-0-0, 5 В 1 – 0 – 1 В, 0-2 В |
|||
|
|
Продолжение табл. 2.4 |
||||
|
Частота ƒ |
ƒ= ƒ0 при Uвых = 1,0 – 1,6 В Uвых = 2,5 –1,0 мВ, 10-40 мВ 40-160 мВ, 160-600 мВ 0,6-2,4 В |
||||
|
Дискретный |
Электрический |
Дискретно - меняющийся |
Переменный |
ƒ фиксированные |
Диапазоны 0-50 Гц, 50-500 Гц 500 Гц-5 кГц, 5-50 кГц, 50-500 кГц Частота входных и выходных импульсов (тактовые частоты) 10,5; 2,5 МГц, 100, 500, 250 кГц 100, 500, (400), 250 Гц, 100, 50, 25 Гц |
|
Ам |
Номинальные значения амплитуд импульсов 0,6; 1,2; 3,6; 12, 14, 48, 60, 110, 220 В 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500 мА |
||||
|
ƒ фиксированные |
300, 320 340, 360, 385, 405, 435, 460, 490, 520, 555, 590, 625, 665, 705, 750, 795, 850, 900, 960, 1020, 1085, 1150, 1225, 1300, 1385, 1470, 1565, 1660, 1765, 1880, 2000, 2120, 2255, 2400, 2550, 2710, 2880, 3020, 3240 Гц. |
||||
|
фаза φ |
φ = k рад, где k= 4, 6, 10 = 0, 1, 2,…, -1 |
||||
|
τ |
(1, 1,25; 1,6; 2, 2,5; 3,15; 4, 5, 6,3; 8) 10nC, где С – любое целое число или 0 |
Среди лидирующих стандартов на элементы аппаратуры, обеспечивающих создание практически всего многообразия структур ИИС, выделяются следующие:
Вопросы для самопроверки
ГЛАВА 3
УСТРОЙСТВА СБОРА, ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛНОЙ ИНФОРМАЦИИ
3.1. Емкостные преобразователи
Емкостный преобразователь представляет собой конден сатор, ёмкость которого изменяется под действием измеряе мой неэлектрической величины.
Емкость плоского конденсатора можно выразить следую щей формулой:
(3.1)
где – диэлектрическая проницаемость среды между об кладками (для воздуха электрическая постоянная 0=8,8510-12 Ф/м);
S – площадь обкладки в м2, – расстояние между обкладками в м.
Из формулы видно, что емкость конденсатора зависит от трех величин (, S и ). Следовательно, измеряемая не электрическая величина может быть функционально связана либо с , либо с S, либо с , либо с диэлектрическими потеря ми конденсатора. Поэтому устройство емкостных преобразо вателей может быть самым различным. Рассмотрим примеры использования их для измерения различных неэлектрических величин.
Емкостный уровнемер.
Емкостный уровнемер, принципиальное устройство кото рого показано на
рис. 3.1, представляет собой коаксиальный конденсатор.
Его электроды 1 и 2 изолированы друг от друга. Емкость такого преобразователя С может быть определена как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых С1 образован частью электродов и диэлек триком – жидкостью, уровень которой измеряется, а другой С0 – остальной частью электродов и диэлектриком – воздухом:
(3.2)
где l0 – полная длина преобразователя в м; l – длина преобразователя, заполненного жидкостью в м; 0 – электрическая постоянная воздуха в ф/м; – диэлектрическая проницаемость жидкости; R1 и R2 – радиусы внешнего и внутреннего цилиндров в м.
Таким образом, по мере заполнения жидкостью преобра зователя, емкость его будет изменяться в функции от уровня.
Толщиномер.
На рис. 3.2 представлен принцип действия емкостного тол щиномера, измеряющего толщину ленты 1 из диэлектрика (например, резины).
Лента протягивается между обкладками 2 конденсатора и в зависимости от ее толщины изменяется диэлектрическая проницаемость межэлектродного простран ства. Если обозначить длину зазора между обкладками кон денсатора через , толщину ленты диэлектрика д, а диэлектрическую проницаемость ленты через Д, то емкость можно выразить как
.
Измерители силы и перемещений.
При измерении механической силы или перемещения используется зависимость емкости от расстояния между об кладками 1 (рис. 3.3).
Зазор изменяется в зависимости от величины измеряемого усилия Р или перемещения.
Часто емкостные преобразователи выполняют дифферен циальными, как показано на рис. 3.4.
Обкладка 3 закреплена на пружинах и перемещается параллельно самой себе под воздействием измеряемой силы Р. Обкладки 1 и 2 неподвиж ны. Емкость между обкладками 2 и 3 увеличивается, а между обкладками 1 и 3 уменьшается.
Такие преобразователи имеют большую чувствительность, а схемы с дифференциаль ным преобразователем обеспечивают большую точность.
Емкостные преобразователи для измерения малых пере мещений отличаются высокой чувствительностью, линейно стью, малыми погрешностями и одновременно простотой кон струкции и легкостью подвижной части, что в ряде случаев. делает их незаменимыми.
Измеритель угла поворота.
На рис. 3.5 изображен принцип устройства емкостного преобразователя для измерения угла поворота вала.
Подвиж ная обкладка измерителя 1, жестко скрепленная с валом 3, перемещается относительно неподвижной обкладки 2 так, что зазор между обкладками сохраняется неизменным, а изменя ется действующая площадь обкладок, а следовательно, и ем кость преобразователя. Рабочий зазор несоизмеримо мал по отношению к зазору 1.
Путем соответствующего выбора формы пластин можно получить любую функциональную зависимость между изме нением емкости и входным угловым перемещением. Подобного типа преобразователи применяются и для измерения ли нейных перемещений.
Очень часто емкостные преобразователи используются для измерения влажности различных веществ: пряжи, волок на, кожи и зерна и т. д.
На рис. 3.6 представлен внешний вид преобразователя для измерения влажности волокна или пряжи.
Цилиндрический конденсатор заполняется навеской пряжи или волокна и включается в одно из плеч измерительного моста.
Так как вода имеет очень высокую относительную диэлек трическую проницаемость по сравнению с для остальных веществ ( =1…6), то в зависимости от влажно сти испытуемого вещества диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и емкость преобразователя будут изменяться.
3.2 Индуктивные преобразователи
На рис. 3.7 изображен самый распространенный преобра зователь с малым воздушным зазором , длина которого из меняется под действием измеряемой величины Р (сосредото ченная сила, давление, линейное перемещение).
Вследствие изменения зазора изменяется магнитное сопротивление маг нитной цепи, а следовательно, и индуктивность катушки, на детой на сердечник, и включенной в цепь переменного тока. Индуктивность L этой обмотки равна
(3.3)
где RМ – полное сопротивление магнитной цепи; Rм.ст – магнитное сопротивление участков из стали; R – магнитное сопротивление воздушных за зоров; – величина воздушного зазора; S – площадь воздушного зазора; 0=1,2610-6 Гн/м – магнитная проницаемость воздушного зазора; w – число витков катушки.
Таким образом, у данного преобразователя естественной входной величиной является перемещение сердечника 1, а вы ходной – изменение индуктивности обмотки. Подобные пре образователи, преобразующие значение измеряемой (механи ческой) величины в значение индуктивности, называют индук тивными. Изменение индуктивного сопротивления катушки ведет к изменению ее полного сопротивления Z. Таким обра зом, возникает функциональная зависимость между измеряе мой механической величиной Р и электрическим сопротивле нием Z преобразователя
Индуктивные преобразователи нашли широкое применение в практике в основном для измерения линейных и угловых перемещений.
Индуктивный микрометр предназначен для измерения ли нейных размеров и для измерения отклонения от заданных размеров. Преобразователи индуктивных микрометров можно выполнить как с рычажной передачей от измерительного што ка к якорю, так и без нее.
Преобразователи безрычажной передачи конструктивно проще, но обладают малой относительной чувствительностью, а следовательно, большими погрешностями, так как здесь пе ремещение якоря равно измеряемому перемещению. В преоб разователе с рычажной передачей перемещение якоря в десят ки раз больше, чем измеряемое перемещение, что приводит к большим значениям относительной чувствительности и к ма лым погрешностям измерения. Наименьший предел измерения у подобных микрометров достигает 100 мкм, в то время как у безрычажных микрометров наименьший предел измерения составляет 300…400 мкм.
Индуктивный прибор для измерения толщины покрытий. На рис.3.8 представлена схема прибора для измерения толщи ны гальванических покрытий в диапазоне 2…60 мкм.
Преоб разователь представляет собой трансформатор Тр1 с разомкну той магнитной цепью, магнитный поток которого замыкается через испытуемую деталь 1. Величина магнитного потока трансформатора при заданной м.д.с. первичной обмотки за висит от толщины покрытия 2, следовательно, индуктирован ная во вторичной обмотке э.д.с. будет функцией толщины покрытия. Магнито-электрический измеритель включен через выпрямительный узел. Реостат позволяет регулировать равно весие цепи. Питание прибора осуществляется от сети перемен ного тока напряжением 220В через трансформаторы Тр2, Тр3 и бареттер Б.
Индуктивный манометр. Применяется для измерения малых давлений воздуха (от 15 Н/м2, т. е. 1,5 мм вод. ст.), изме няющихся с частотой до 800 Гц. Измеряемое давление воздей ствует через трубку 1 на тонкую гофрированную мембрану 2, припаянную к корпусу преобразователя 8. Магнитный поток, создаваемый катушками 4, замыкается через сердечник 5, стаканы 6 и мембрану 2. При воздействии измеряемого давле ния на мембрану с одной стороны мембрана прогибается, и магнитное сопротивление для потока одной катушки умень шается, а для потока другой катушки увеличивается.
Катушки преобразователя включаются в соседние плечи моста, благодаря чему устраняются погрешности, обусловлен ные влиянием изменения окружающей температуры.
Устройство индуктивного датчика манометра представлено на рис. 3.9.
Существуют индуктивные уровнемеры, виброметры, акселе рометры и др.
3.3 Индукционные преобразователи.
Преобразователи, в которых скорость изменения измеряе мой величины преобразуется в индуктированную э.д.с., назы ваются индукционными и являются разновидностью электро магнитных преобразователей.
В данных преобразователях естественной входной величи ной является скорость механического перемещения (и поэтому непосредственно они могут применяться только для измерения: скорости линейных и угловых перемещений), а выходной ве личиной является индуктированная э.д.с.
По принципу действия индукционные преобразователи можно разделить на 2 группы. В преобразователях первой группы индуктированная э.д.с. наводится в катушке благода ря линейным или угловым колебаниям катушки в зазоре маг нита (рис. 3.10, 3.11).
При своем перемещении витки катушки пересекают под прямым углом линии магнитного поля и в них индуктируется э. д. с. Если линейное перемещение l является некоторой функцией времени l = f (t), мгновенное значение э.д.с. равно
(3.4)
где – число витков катушки; 1a – активная длина витка, В – индукция в зазоре.
В преобразователях второй группы индуктированная э.д.с. наводится путем изменения магнитного потока вследст вие колебаний полного магнитного сопротивления магнитной цепи, создаваемых чаще всего изменением воздушного зазора в этой цепи (рис. 3.12).
На рис. 3.12 изображена схема устройства датчика с индук ционным преоб разователем для измерения скорости враще ния. На валу укреплен стальной зуб, который при вращении вала проходит мимо зазора неподвижно установленной маг нитной системы с постоянным магнитом, уменьшая магнитное сопротивление зазора этой системы согласно кривой Rм. В ка тушке, надетой на магнит, наво дятся импульсы, э. д. с., при мерная форма которых представлена кривой е Неза висимо от качества выполнения магнитной системы, старения магнита, расстоя ния между валом и магнитом, частота выходных импульсов в герцах всегда будет равна числу оборотов вала в се кунду. В ка честве индукционных преобразователей для изме рения скорости удобно приме нять синхронные генераторы с ротором в виде постоянного магнита. Если число пар полюсов ротора равно p, то частота выходного сигнала f равна
(3.5)
где – круговая скорость вращения в радианах в секунду; n – число оборо тов в минуту. Частота таких датчиков не превышает несколько сотен герц.
Для получения более высоких частот, при которых стано вится оправдан ным использование цифровых частотомеров, целесообразно строить датчик в виде реактивного генератора с зубчатым ротором. На рис. 3.13 представлен датчик в виде реактивного генератора. Магнитная цепь выполнена так, что когда под од ной катушкой статора находится зубец ротора, происходит перераспределение магнитного потока постоянно го магнита с частотой, определяемой скоростью вращения и числом зубцов: поток постоянного магнита остается неизмен ным и потери в нем отсутствуют.
Еще более высокочастотные индукционные преобразовате ли можно по строить, используя технику магнитной записи. Барабан с ферромагнитным по крытием, на который с по мощью магнитной головки записано синусоидальное колеба ние, эквивалентен ротору с числом зубцов, равным числу пе риодов запи санного колебания на окружности барабана.
Индукционный преобразователь данного типа состоит из магнитного ба рабана с нанесенной записью и считывающей магнитной головки. Магнитная за пись в зависимости от зазо ра между барабаном и головкой позволяет разместить на каждом сантиметре поверхности барабана 50…250 импульсов при частоте считывания 100…200 кГц (соответствующей ско рости вращения барабана 50–100 об/с), т.е. заменяет зуб чатый диск с 5…25 зубцами на мм. К недостаткам преобразо вателя этого типа относятся технологические трудности, свя занные с необходимостью выдерживать малый зазор между барабаном и считывающей го ловкой (до 30…50 мкН).
Выходное напряжение индукционного преобразователя пропорционально скорости перемещения подвижной части и это свойство широко используется для построения универсаль ных виброизмерительных устройств, в измерительной цепи ко торых значение виброперемещений и виброускорений получа ются путем интегрирования или дифференцирования выходно го сигнала датчика. На рис. 3.14 приведена структурная схема про мышленного универсального виброизмерительного устройства, позволяющая измерить перемещения, скорости и ускорения.
Сигнал сейсмического вибродатчика с индукционным преобра зователем поступает через интегрирующую ИЦ или дифферен цирующую ДЦ цепь, или непосредственно в усилитель УС, на выход которого подключен вибратор осциллографа. Выбор из меряемого параметра осуществляется при помощи переклю чателя П. Прибор имеет три канала, обеспечивающих работу в диапазоне частот 10…500 Гц при ко эффициенте преобразования 70 мА/В no сигналу, 2410-3 мА/В по интегралу вход ного сигнала и 17510-3 мА с/В – по производной вход ного сигнала при нагрузке на указа тель с сопротивлением 1 Ом.
Другим направлением построения широкодиапазонных виброизмеритель ных приборов является использование кор ректирующих цепей, позволяющих ис пользовать один и тот же датчик для измерения виброперемещений и виброускорений. Примером может служить широкодиапазонный прибор, кон струкция которого приведена на рис. 3.15.
В зазоре между полюсным наконечником 1, напрессованным на постоянный маг нит, и внешним магнитопроводом 2, помещена рабочая катуш ка 3 индукционного пре образователя, намотанная на дюр алюминиевый каркас 4. В качестве упругих эле ментов используются плоские П-образные пружины 5. Винтами 6 и 7 пру жины прикреп лены одним концом к рабочей катушке, а дру гим – к корректирующей катушке 8. Последняя служит для коррекции погрешностей, обусловленных внешними маг нитны ми полями и включается встречно с рабочей катушкой. Успо коение сис темы электромагнитное и осуществляется за счет взаимодействия токов, индук тированных в каркасе и рабочей катушке, с полем постоянного магнита. Датчик имеет чувстви тельность около 50 мВ/мм собственную резонансную ча стоту 18 Гц, степень успокоения = 0,3, массу – 300 г, диа метр 50 мм и длину 60 мм,
Рабочий диапазон прибора по ускорению 0,03…10 g и по смещению 0,03…10 мм. Погрешность измерения не более 10%.
Индукционные преобразователи могут быть использованы для измерения
постоянного ускорения и скорости.
На рис. 3.16 показано принципиальное устройство предло женного М.М.Фетисовым прибора с индукционным обрат ным преобразователем. Позже появи лось сообщение о том, что на таком же принципе основан акселерометр, уста новлен ный в системе американской ракеты «Минитмен».
Под действием ускорения Х маятник, образованный по стоянным магнитом 1, подвешенным на оси 2, отклоняется. Емкостный преобразователь недокомпен сации 3 выходит из равновесия, выходной сигнал усиливается усилителем и по сту пает на обмотку двигателя 4. Двигатель вращает диск 5, рас положенный ме жду полюсами постоянного магнита. Возни кающий момент уравновешивает мо мент маятника. Скорость вращения диска, т.е. частота пропорциональна уско рению и является выходной величиной прибора.
Широкое распространение для измерения скорости полу чили различного рода тахометры. Тахометры с амплитудной модуляцией обычно выполняются с индукционным преобразо вателем (генератором постоянного или переменного тока), вы ходной величиной которых является э.д.с. Для измерения скорости также используются частотные тахо метры (с частот ной модуляцией), которые являются наиболее простыми и точными. В качестве образцового отрезка пути в этих датчиках используется полный оборот 360o. Измерите лем в данном тахометре может служить герцметр. Индукционные преобразователи чаще всего используют ся в частотных датчиках тахометров. Они просты, надежны, дают большую выходную мощность. К недостаткам их отно сятся: необходимость непосредственного доступа к валу; зави симость амплитуды выходного сигнала от измеряемой скоро сти вращения, что затрудняет измерение малых скоростей, а также создаваемый им тормозной момент.
На рис. 3.17 показан принцип конструкции тахометра с ин дукционным преобразователем.
Магнит гибким валом связан с испытуемым объектом. В поле магнита, вращающегося со скоростью , расположен металлический диск 1, ук реплен ный на
валу 2. На этом же валу укреплены один конец пру жинки 3 из фос фористой бронзы и стрелка 4, угол поворота которой является выходной вели чиной прибора. При враще нии магнит увлекает за собой диск. Под действием вращаю щего момента пружина, имеющая удельный противодействую щий мо мент W, закручивается на угол, прямо пропорциональ ный измеряемой скорости.
Индукционные преобразователи используются также и для измерения объемного расхода жидкости или газа, протекаю щего по трубопроводу в еди ницу времени. На рис. 3.18 пред ставлена схема устройства турбинного крыльча того тахометрического датчика. Он представляет собой отрезок трубы, в кото ром установлена небольшая осевая турбинка.
Под действием потока жидкости в трубе ротор турбинки вращается со ско ростью, доходящей до 250 об/сек. Скорость вращения турбинки преобразуется в частоту электрических ко лебаний любым из описанных выше индукционным преобразо вателем. Погрешность датчиков такого типа можно довести до 0,35%. Погрешность целиком определяется погрешностью преобразования расхода в скорость вращения турбинки и за висит от сил сопротивления вращению ротора, возникающих от трения в подшипниках, вязкости жидкости и тормозного мо мента индукционного преобразователя.
Частотные датчики расходомеров могут работать как с аналоговым изме рительным устройством типа конденсаторно го частотомера, так и с цифровым частотомером. Результирующая погрешность в первом случае составляет 1…2%, во втором – может быть менее 0,5%.
В индукционном расходомере (рис. 3.19) используется эффект возникновения электрического тока в проводнике, перемещающемся в магнитном поле.
Протекающая жидкость отождествляется с проводником, т.е. она должна обладать определенной минимальной проводимостью. Согласно закону Фарадея, в обладающей электрической проводимостью жидкости Q, протекающей через магнитное поле, возникает электрическое поле. Контролируемый поток протекает по армированной изолятором трубе, в стенах которой перпендикулярно направлению магнитного поля и потока среды установлены два диаметрально расположенных электрода В, с которых снимается напряжение, пропорциональное средней скорости потока среды. Этот образованный высокоомным источником сигнал, величина которого имеет порядок нескольких милливольт, с помощью кабеля проводится к измерительному преобразователю, усиливающему его и осуществляющему дальнейшую обработку.
Индукционные преобразователи могут быть также исполь зованы для измерения крутящего момента – фазовые датчи ки торсиометров.
3.4 Термоэлектрические преобразователи.
Термоэлектрические преобразователи относятся к типу теп ловых преобразователей и основаны на явлении термоэлект ричества, открытого в начале прошлого века академиком Эпинусом. Явление термоэлектричества заключается в следую щем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой кон цами (рис. 3.20.а), причем температуру t1 одного места соединения сделать отличной от температуры t0 другого, то в цепи по явится э.д.с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.), и являющейся разностью функций температур мест соединения проводников.
(3.6)
Данная цепь называется термоэлектрическим преобразо вателем или термопарой; проводники, составляющие термопа ру – термоэлектродами, а места их соединения – спаями.
Термопара может быть использована для измерения темпе ратуры. Если один спай термопары (рабочий спай) поместить в среду с температурой t1, которую нужно измерить, а темпе ратуру другого (нерабочего) спая поддерживать постоянной и
Последнее выражение положено в основу измерения темпе ратур при помощи термопар.
Таким образом, входной величиной термопары является температура t1 рабочего спая, а выходной величиной – термо пары э.д.с., которую термопара развивает при строго по стоянной температуре t0 нерабочего спая.
Приборы, представляющие собой сочетание термопары и измерителя, используемые для измерения температуры, назы вают термоэлектрическими пирометрами.
Включить измеритель (указатель) в цепь термопары можно по двум схемам рис. 3.20.б и в), а для того, чтобы включение в цепь термопары указателя не изменило значения термо-э.д.с., места соединения указателя с термоэлектродами дол жны иметь одинаковую температуру.
Материалы, применяемые для термопар.
Для измерения температур до 1100° используют термопары и основном из неблагородных металлов, для измерения тем ператур свыше 1100o и до 1600° –термопары из благородных металлов платиновой группы, а для измерения температур бо лее 1600°С –термопары, изготовленные из жароупорных материалов (вольфрам молибден). Направление термо-э.д.с. зависит лишь от природы материалов, используемых в каче стве термоэлектродов. Положительным называют тот термоэлектрод, по направлению к которому ток идет через рабочий спай термопары.
В табл. 3.1 приведены термо-э.д.с., которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при темпе ратуре рабочего спая t1 = 100oС и температуре нерабочих спаев t0 = 0oC. При конструировании термопар стремятся со четать термоэлектроды, один из которых развивает с плати ной наиболее положительную, а другой – отрицательную термо-э.д.с. Необходимо также учитывать пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияния на термоэлектрод среды, температуры и т.д.).
|
Материал |
Термо-э.д..c. мВ |
Материал |
Термо-э.д.с., мВ |
|
Кремний |
+44,8 |
Свинец |
+0,41 |
|
Сурьма |
+4,7 |
Олово |
+0,42 |
|
Хромель |
+2.4 |
Магний |
+0,42' |
|
Нихром |
+2,2 |
Алюминий |
+0,40 |
|
Железо |
+1,8 |
Графит |
+0,32 |
|
Сплав 90% Pt + 10% Fe) |
+1,3 |
Ртуть |
0,00 |
|
Кадмий |
+0,9 |
Палладий |
-0,57 |
|
Вольфрам |
+0,8 |
Никель |
-1,5 |
|
Манганин |
+0,76 |
Алюмель |
-1,7 |
|
Медь |
+0,76 |
Сплав 60% Au +30 % Pd +10 % Pt) |
-2,31 |
|
Золото |
+0,75 |
Кфнстантан |
-3,4 |
|
Цинк |
+0.75 |
Копель |
-4,5 |
|
Серебро |
+0,72 |
Висмут I оси |
-5,2. |
|
Иридий |
+0,65 |
Висмут II оси |
-7,7 |
|
Родий |
+0,64 |
Пирит |
-12,1 |
|
Сплав (90% Pt+10%Rh) |
+0,64 |
Молибденит |
от -69 до -104 |
Наибольшее распространение в практике нашли термопа ры: платинородий-платина, хромель-алюмель, хромель-копель, вольфрам-молибден, борид-карбид циркония.
Из числа термопар из неблагородных металлов стандарт ными и наиболее распространенными являются четыре термо пары, основные характеристики которых указаны в табл. 3.2.
Таблица 3.2
|
Наименование термопары |
Термо-э.д.с. при t=100oС; t0=0°С, мВ |
Верхний предел измеряемой температуры, 0oС |
|
|
при длитель ном измерении |
при кратковре менном изме рении |
||
|
Медь-копель |
4,75 |
350 |
500 |
|
Железо-копель |
5.75 |
600 |
800 |
|
Хромель-копель |
6,90 |
600 |
800 |
|
Хромель-алюмель |
4,10 |
1100 |
1250 |
Конструктивное устройство термопары промышленного ти па, применяемое для измерения температур в печах, соляных ваннах, газоходах – рассмотрим на примере термопары, изображенной на рис. 3.21.
Эта термопара из неблагородных ме таллов, расположенная в составной защитной трубе, с по движным фланцем для ее крепления. Рабочий спай 1 термопары изолирован от трубы фарфоровым наконечником 2. Тер моэлектроды изолированы бусами 3. Защитная труба состоит из рабочего 4 и нерабочего 5 участков. Передвижной фланец 6 крепится к трубе винтом. Головка термопары имеет ли той корпус 7 с крышкой 8, закрепленной винтами 9. В голов ке винтами укреплены фарфоровые колодки 10, с незакреплен ными зажимами 12. Они позволяют термоэлектродам удли няться под воздействием температуры без возникновения ме ханических напряжений, ведущих к быстрому разрушению термоэлектродов.
Основным вопросом при конструировании термопар про мышленного типа является выбор материала защитной трубы (арматуры) и изоляции.
Защитная арматура термопары должна ограждать ее от воздействия горячих химически агрессивных газов, которые быстро разрушают термопару. Поэтому арматура должна быть газонепроницаемой, хорошо проводить тепло, быть ме ханически стойкой и жароупорной. При температурах до 600оС обычно применяют стальные трубы без шва, при температуре до 1100°С – защитные трубы из легированных сталей. Для термопар из благородных металлов часто применяют кварце вые, фарфоровые трубы. В качестве изоляции термоэлектро дов друг от друга применяют асбест – до 300°С; фарфоровые трубки или бусы – до 1300 – 1400оС, и кварцевые трубки или бусы до 2000 – 2500°С. В лабораторных условиях при измере нии низких температур применяют теплостойкую резину – до 150оС; шелк –до 100 – 120°С; эмаль – до 150 – 200°С.
Термоэлектроды термопары, помещаемые в защитную тру бу, обычно выполняют жесткими, а соединения их с другими элементами измерительной цепи осуществляется гибкими про водами. Соединительные провода, идущие от зажимов, в го ловке термопары до места нахождения нерабочего спая, назы ваются удлинительными электродами. Удлинительные элект роды в необходимом диапазоне температур должны иметь та кую же термо-э.д.с., как и электроды основной термопары, и место присоединения удлинительных термоэлектродов к основ ным термоэлектродам в головке термопары должны иметь оди наковую температуру. При невыполнении этих условий возни кает погрешность измерения. Удлинительные термоэлектроды для термопар из неблагородных металлов выполняют из тех же материалов, что и основные термоэлектроды.
Например, для термопары платинородий – платина приме няются удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующие термопару, термоидентичную термопаре платино родий – платина в пределах до 150°С.
Большое значение при измерении температуры с помощью термопар имеет их инерционность, определяемая как время, за которое показания термопары при переносе из среды с ком натной температурой (15…20°С), в среду с температурой 100оС достигают 97…98оС. Для уменьшения инерционности необходимо обеспечить хороший тепловой контакт между ра бочим спаем термопары и средой с измеряемой температурой.
Кроме погрешности от тепловых потерь, при монтаже и эксплуатации термопар могут возникнуть погрешности от па разитных термо-э.д.с. Паразитные термо-э.д.с. возникают из-за наличия неоднородностей в материалах, из которых со ставляется электрическая цепь пирометра, при наличии гра диентов температуры вдоль этой цепи.
Неоднородности в электродах термопары могут возникнуть как при изготовлении проволоки, так и при изготовлении тер мопары вследствие ее деформации. Паразитные термо-э.д.с., обусловленные неоднородностями, возникшими при изготов лении проволоки и термопары, учитываются при градуировке. Не однородности, возникшие в термопаре после градуировки (рис. 3.22), вызывают погрешности при измерении. Наиболее радикальным средством стабилизации температуры нерабочего спая является автоматическое термостатирование с электрическим подогревом. Если температура нерабочего спая известна, ввести соответствующую поправку к показаниям термоэлектрического термометра можно следующим образом. Пусть имеется градуировочная кривая термопары (рис. 3.22).
Градуировка термопары производилась при температуре t0=°C. Предположим, что термопарой нужно измерить температуру t при температуре нерабочих спаев t ¢0 большей, чем t0. ТермоЭДС Е(t, t ¢0) термопары в этом случае будет меньше термоЭДС Е(t, t 0), которая была бы при той же температуре t рабочего спая, но при температуре нерабочих спаев t0. ТермоЭДС термопары уменьшается на величину Е(t0, t ¢0) и окажется равной (см. рис. 3.22) термоЭДС Е(t0, t 0), которая была бы при температуре нерабочего спая, равной t ´, и температуре рабочего спая, равной t ¢0, т.е.
В результате по шкале будет отсчитано значение температуры t¢<t.
Если прибор имеет линейную шкалу или двойную шкалу и в градусах температуры, и в милливольтах, ввести поправку на температуру свободных концов согласно уравнению несложно. Труднее, когда прибор имеет нелинейную шкалу и только в градусах температуры. Из рис. 3.22 видно ,что
где М – масштабный коэффициент мВ/°C. Откуда поправка
При резко выраженной нелинейной шкале коэффициент k, называемый поправочным коэффициентом на температуру нерабочих спаев, является функцией t и, следовательно. Для каждого участка кривой будет различным. Практически в этом случае градуировочную шкалу делят на участки по 100°C и для каждого участка определяют k. Для грубых подсчетов можно принять k =0,8…1,0 для термопар из неблагородных металлов и k =0,5…0,6 для термопар из благородных металлов.
3.5 Термоэлектрические пирометры.
При измерении температуры нашли большое распростра нение пирометры, использующие лучистую энергию нагретых тел. К таким пирометрам относятся оптические, ра диационные и цветовые.
Радиационный пирометр изображен схематично на рис. 3.23.
Излучение исследуемого объекта концентрируется объекти вом 1 через диафрагму 2 на рабочих концах термобатареи S, припаянных к платиновому лепестку, покрытому платиновой чернью. Для наилучшего поглощения лучей практически мож но считать, что подобным лепестком поглощается 98 – 99% падающих на него лучей. Термобатарея с лепестком помещена в стеклянную коробочку. Экран 4 защищает термобатарею от механических повреждений и от рассеянных излучений со сто роны стенок телескопа, температура которых изменяется в зависимости или условий эксплуатации.
При измерении высоких температур, для защиты глаза при установке телескопа перед окуляром, в поле зрения устанавливают красное стекло 5. Наводка осуществляется таким об разом, что лепесток полностью перекрывается изображением объекта измерения, тогда в окуляре виден лепесток, окружен ный ярким сиянием раскаленной поверхности (рис.3.23.б). Для правильной установки отношение диаметра источника излучения к расстоянию от телескопа до излучателя должно быть равно примерно 1/15.
Максимальная температура нагрева лепестка должна быть равна 250oС, так как при более высоких температурах чернь коагулирует и становится серой. Предел измерения такого пирометра составляет 900…1800oС.
Радиационные пирометры обладают следующими погреш ностями:
а) погрешность от неполноты излучения, так как пиро метры обычно градуируются по излучению абсолютно черно го тела, и поэтому показания их всегда будут меньше, чем действительная температура объекта измерения.
Следовательно, применение радиационных пирометров возможно лишь в тех случаях, когда полная мощность излучения объекта измерения мало отличается от полной мощность излучения абсолютно черного тела при той же температуре Большинство закрытых печей и топок с небольшими отверстиями и окнами удовлетворяет этому условию;
б) погрешность, обусловленная поглощением в промежуточной среде между телескопом пирометра и излучателем Погрешность эта может достигать значительной величины, особенно если воздух в промежуточной среде загрязнен (пыль, дым, углекислый газ и т. д.). Погрешность расчету не поддается;
в) влияние расстояния между пирометром и излучателем. Если пирометр расположен слишком близко к источнику излучения, то сказывается нагрев диафрагмы и стенок телеско па, а также холодных концов термопары термобатареи, что уменьшает показания пирометра. При этом погрешность бу дет тем больше, чем больше диаметр изображения излучаю щей поверхности. Если же размеры излучающей поверхности малы или расстояние между телескопом и излучателем боль ше нормального, так что изображение излучателя не пере крывает лепесток, то показания пирометра также будут зани жены. Поэтому пирометр следует устанавливать на таком рас стоянии от излучающей поверхности, чтобы изображение по следней имело такой же диаметр, какой имела излучающая поверхность при градуировке пирометра.
Для компенсации влияния нагрева свободных концов тер мопар термобатарею шунтируют медным сопротивлением, ве личина которого возрастает с увеличением температуры. Сле довательно, при нагреве свободных концов одновременно с уменьшением термо-э.д.с. ток, через шунт, будет уменьшаться, а ток через измерительный прибор не изме нится.
Эти пирометры измеряют так называемую цветовую темпе ратуру. Раскаленное черное тело испускает лучи всех длин волн. При этом длина волны макс соответствующая макси мальному излучению при данной температуре, может быть найдена как макс Т = const = 0,2884 (см. град.).
Это выражение носит название закона смещения, который положен в основу измерения температуры цветовыми пиро метрами. Абсолютная температура тела Т определяется по длине волн, при которой имеет место максимум интенсивности излучения.
При промышленных измерениях температуры пирометра ми принято определять отношение интенсивности излучения данного тела в луче двух заранее выбранных длин волн. Это отношение для каждой температуры будет различным и впол не однозначным и может служить критерием абсолютной температуры тела.
где С2 – постоянная (С2 = 1,432 см.град); – длина волны, к которой относится интенсивность излучения (см); I – интенсивность излучения (кКал/см2смчас).
Пирометры, измеряющие цветовую температуру, приме няются, как правило, с фотоэлементами.
Рассмотрим принцип действия одного из таких пирометров (рис. 3.24).
Излучение от объекта измерения А фокусируется линзой 1 на обтюраторе 2, приводимом во вращение синхронным элек тродвигателем 3, и затем воспринимается фотоэлементом 4.
На диске обтюратора имеется ряд отверстий, половина которых закрыта красным светофильтром Сфк, а половина – синим Сфс. Таким образом, на фотоэлемент попадают то красные, то синие лучи. Благодаря наличию нескольких отверстий фототек оказывается промодулированным с несущей часто той, определяемой числом отверстий в обтюраторе и скоро стью его вращения.
Модулированный ток в нагрузке фотоэлемента усиливает ся усилителем 5, а затем выпрямляется фазочувствительным выпрямительным узлом 6, после чего с помощью коммутато ра 7 сигнал разделяется соответственно интенсивностей крас ных и синих лучей и воспринимается магнито-электрическим логометром 8. В качестве коммутатора используют обычно магнито-электрическое поляризованное реле, работающее син хронно с вращением диска обтюратора, т.е. таким образом, что переключение рамок логометра происходит одновременно со сменой светофильтра. Тогда в одной рамке логометра будет протекать ток, обусловленный интенсивностью красных лучей, а в другой – ток, обусловленный интенсивностью синих лучей в объекте излучения.
То обстоятельство, что цветовые пирометры измеряют функцию отношения интенсивностей излучения двух длин волн, имеет своим преимуществом уменьшение погрешности от неполноты излучения и независимость показаний от рас стояния до излучающей поверхности и размеров последней.
При надлежащем режиме работы фотоэлемента фотоэлект рические цветовые пирометры могут обеспечить измерение температуры порядка 2500оС с погрешностью не более ±1%.
Приборы, предназначенные для измерения температуры, и использующиеся в качестве преобразователя термосопротив ления, называются термометрами сопротивления.
Требованию возможно большего и стабильного темпера турного коэффициента удовлетворяют полупроводниковые термосопротивления. Однако их применение ограничено недо статками, указанными выше.
В преобразователях промышленных термометров сопро тивления применяются проводниковые термосопротивления: медь, платина, никель.
Рассмотрим устройство термометров сопротивления на примере проводникового (платинового) преобразователя (рис. 3.25).
Преобразователь представляет собой голую платиновую проволоку 2, намотанную на слюдяной каркас 1. Обмотка укладывается в зубчатую нарезку на краях каркаса.
К концам обмотки припаиваются выводы 3 из серебряной проволоки. В термометрах сопротивления, предназначенных для измерения температуры до 100°С, возможно применение выводов из меди. При более высокой температуре спай меди с платиной образует термопару и термо-э.д.с., развиваемая ею, будет служить источником погрешности.
Каркас зажимается между двумя более широкими пла стинами 4 из слюды, служащими для изоляции проволоки от арматуры.
Весь пакет из слюдяных пластинок перевязывается сереб ряной лентой 5 и вставляется в арматуру (защитные трубки). Медные преобразователи выполняются из изолированной медной проволоки, наматываемой на пластмассовый каркас.
Измерительные цепи.
Во всех термометрах сопротивления используется принцип измерения сопротивления, изменяюще го свою величину в зависимости от изменения окружающей температуры. Поэтому в термометрах сопротивления может быть использована любая цепь, предназначенная для измере ния сопротивления.
Наибольшее распространение получили неравновесные мостовые схемы измерения (рис. 3.26) с логометром в качестве измерителя.
На рисунке R1, R2, R3 – сопротивления плеч моста, выполненные из манганина;
R0`, R0`` – сопротивления рамок логометра; R5 – сопротивление, компенсирующее температурную погрешность логометра; R0 – сопротивление для подгонки нулевой точки шкалы; RД – сопротивление, дополняющее сопротивление проводов, соединяющих термометр с измерительной цепью до значения, принятого при градуировке термометра (обычно это значение равно 5 ом); RT – преобразователь термометра сопротивления.
Часто применяются также автоматически уравновешиваемые мосты, у которых при выходе из равновесия напряжение разбаланса U, усиленное усилителем У, приводит в движение якорь двигателя Д. Двигатель перемещает движок реохорда Rp до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие при новом значении измеряемой температуры. С реохордом связан указатель отсчетного устройства, отградуированного в t°С (рис. 3.27).
Погрешности термометров сопротивления и требования к измерительной цепи.
Наиболее существенной погрешностью термометров со противления является погрешность, обусловленная измене нием сопротивления линии вследствие колебания температу ры и окружающей среды.
При больших расстояниях между объектом измерения и измерительной схемой сопротивление линии может быть 5 Ом, тогда как начальное сопротивление термосопротивлений обычно составляет 46,53 или 100 Ом. Поэтому изменение со противления линии может внести существенную ошибку в из мерения.
Для уменьшения этой погрешности обычно применяют трехпроводные линии связи (рис. 3.28)
Здесь одна из вершин диагонали питания перенесена непосредственно к преобразователю. Благодаря этому сопротив ление провода 2 суммируется с сопротивлением плеча R1, а сопротивление провода 1 – с плечом преобразователя RТ. Одинаковое изменение сопротивления в соседних плечах поч ти не отразится на равновесии моста в случае его работы в равновесном режиме.
При работе в неравновесном режиме погрешность также будет значительно меньшей, чем в случае двухпроводной ли нии.
Нагрев преобразователя термометра протекающим по нему током также создает погрешность. Для уменьшения этой погрешности следовало бы снижать ток до минимальной ве личины. Однако это ведет к потере чувствительности мостовой цепи и нужно применять высокочувствительный индикатор.
Поэтому ток через термопреобразователь выбирают порядка 10-15 мА.
Погрешность измерения вызывается за счет потери тепла излучением и через теплопроводность защитной трубы преобра зователя, помещенного в исследуемую среду.
Потери через теплопроводность защитной трубы обычно невелики по сравнению с потерями на излучение и зависят от материала трубы.
Тепло Q1, получаемое трубой от испытуемой среды, выражается уравнением
, (3.7)
где – коэффициент теплоотдачи;
F – поверхность трубы, погруженной в исследуемую среду;
(t-tСР) – разность температур измеряемой и трубы.
, (3.8)
где С – коэффициент лучеиспускания поверхности трубы; ТТ и ТСТ –температуры трубы и стенок, ограничивающих объем испытуемой среды (рис. 3.29); F1 – поверхность излучения трубы.
Для уменьшения коэффициента с поверхность трубы делают полированной. Кроме того, значение этого коэффициента зависит также и от материала трубы.
Если пренебречь потерями через теплопроводность трубы, обычно гораздо меньшие, чем потери на лучеиспускание, то уравнение теплового баланса трубы со средой будет
,
откуда погрешность измерения, обусловленная лучистым теплообменом, равна
. (3.9)
Из этой формулы видно, что наибольшее влияние на величину погрешности оказывают коэффициент теплоотдачи , и разность температур трубы и стенок, поскольку они стоят в четвертой степени.
Для уменьшения погрешности можно увеличить путем увеличения скорости обтекания защитной трубы исследуемой средой, поскольку зависит от скорости среды.
Уменьшить же разность температур трубы и стенок можно применением тепловой изоляции стенок или путем экранирования защитной трубы цилиндрическим экраном с отверстиями для пропуска среды.
В случае экранирования труба оказывается в состоянии лучистого теплообмена лишь с экраном, температура которого значительно меньше отличается от температуры трубы, чем температура стенок.
Измерение нестационарных (меняющихся во времени) температур сопряжено с возникновением особого вида погрешностей измерения, называемых динамическими. Они проявляются в характерном запаздывании изменений показаний термоприемника относительно изменений измеряемой температуры объекта и обусловлены термической инерцией теплоприемника, необходимостью затраты времени на изменение его теплосодержания.
Характер динамических погрешностей измерения зависит от физических свойств теплоприемника и от характера изменения температуры объекта. Учет и исключение этого вида погрешности можно осуществить либо расчетным путем, либо с помощью соответствующих автоматических устройств.
Наличие термической инерции теплоприемников можно использовать для расширения диапазона измеряемых высоких температур. В этом случае теплоприемник периодически на короткое время опускается в исследуемую среду. Стационарная температура среды определяется по скорости изменения, сигнала теплоприемника в процессе его прогрева путем расчета по соответствующим весьма сложным формулам.
Измерители плотности газа (вакуумметры)
Измерение малых плотностей газа при помощи термосопротивлений основано на зависимости теплопроводности сильно разряженных газов от степени разрежения.
При плотностях газа, соответствующих области атмосферного давления, теплопроводность газа практически не зависит от плотности. Молекула газа, ударившись о нагретое термосопротивление, получает добавочную кинетическую энергию, определяемую температурой нагретого тела. Затем, по мере перемещения от нагретой поверхности к холодной, молекула сталкивается с целым рядом других молекул. Таким образом, в передаче тепла от нагретой поверхности к холодной участвуют много молекул, что статистически приводит к постоянству среднего по объему значения теплопроводности среды.
Однако при уменьшении концентрации, т. е. количества газа или воздуха в замкнутой камере, возрастает длина свободного пробега молекулы. Когда средняя длина свободного пробега молекулы становится величиной одного порядка с расстоянием между термосопротивлением и стенками камеры, теплопроводность газа определяется числом оставшихся молекул, т.е. плотностью (концентрацией) молекул в камере, практически независимо от температуры и давления газа.
Таким образом, естественной входной величиной таких преобразователей является концентрация, т.е. число молекул, находящихся в камере, а выходной величиной – температура (или сопротивление) термосопротивления.
Принципиальное устройство вакуумметра изображено на рис. 3.30.
Термосопротивлением является лента 1, нагреваемая постоянным током. Амперметр А и реостат Rp предназначены для установки и поддержания постоянным значения нагревающего тока, которое было принято при градуировке прибора.
Для измерения температуры термосопротивления применена термопара ТП, рабочий спай которой приварен к середине термосопротивления. Термо-э.д.с. измеряется милливольтметром mV.
3.8 Термосопротивления .
Термосопротивление представляет собой проводник или полупроводник с током, с большим температурным коэффи циентом, находящийся в теплообмене с окружающей средой.
Имеется несколько путей теплообмена:
Интенсивность теплообмена проводника с окружающей средой зависит от следующих факторов:
Эту зависимость температуры проводника, а следовательно, и его сопротивления от перечисленных факторов можно использовать для измерения различных неэлектрических ве личин, характеризующих газовую или жидкую среду: темпе ратуры, скорости, концентрации, плотности (вакуума).
Промышленность выпускает термосопротивления в разно образном конструктивном исполнении типов ММТ, КМТ-4, МКМТ.
Достоинством таких термосопротивлений является очень высокой (отрицательный) температурный коэффициент сопро тивления (2,5 – 4% на градус).
Недостатками полупроводниковых термосопротивлений является нелинейная зависимость их сопротивления от тем пературы (рис. 3.31) и большой разброс характеристик от об разца к образцу. Это затрудняет получение линейной шкалы прибора и замену вышедшего из строя полупроводника. Кро ме того, у них довольно мал температурный диапазон (-100…+120°).
Применяя преобразователи для измерения различных ве личин, нужно стремиться к тому, чтобы все факторы, кроме измеряемой величины, как можно меньше влияли на измене ние сопротивления термопреобразователя. Следовательно, требования к преобразователю, его погрешности и свойства будут определяться в зависимости от того, что измеряет при бор.
Поэтому целесообразно рассмотреть применение термосо противлений на конкретных примерах.
Термоанемометры (приборы для измерения скорости газового потока)
Принцип действия. Если нагреваемое током термосопро тивление погружено в жидкую или газовую среду, то его тем пература определяется режимом теплового равновесия меж ду количеством тепла, подводимого к проволоке и отдаваемого в окружающую среду.
Если среда движется, т. е. представляет собой поток жидкости или газа, то отдача тепла путем конвекции превос ходит все другие охлаждающие факторы и зависит от скоро сти потока.
Приборы, измеряющие скорость газового потока, назы ваются термоанемометрами. На рис. 3.32 представлено принци пиальное устройство термоанемометра.
Термочувствительным элементом служит платиновая проволочка 1, прикрепленная к манганиновым стерженькам 2, которые, в свою очередь, крепятся к ручке 3 из изолирующего материала. Для вклю чения преобразователя в измерительную цепь служат выво ды 4.
Работа основана на измерении сопротивления проволоки 1, изменяющегося в зависимости от скорости газового потока.
Потеря проволокой тепла путем конвекции выражается следующей формулой:
,
где – коэффициент теплоотдачи; F – поверхность проволоки в среде;
tпр и tср – соответственно температура проволоки и среды.
Здесь величина зависит не только от скорости движения среды, но и от вязкости, теплоемкости и теплопроводности среды и поэтому величину рассчитывают с помощью тео рии подобия.
Преобразователь термоанемометра включается обычно в мостовую цепь
(рис. 3.33).
Измерение можно производить, под держивая постоянным либо ток I в неразветвленной части моста, либо напряжение питания моста (при работе в нерав новесном режиме) или непрерывно поддерживая соответ ствующее равновесию моста значение соопротивления RПР термоанемометра путем изменения тока I (тогда мост будет находиться в режиме равновесия для каждого значения ско рости V).
Градуировочная кривая R = f(V) при I = const показана на рис. 3.34. Как видно из рисунка, шкала прибора получается нелинейной.
Иногда для получения более линейной шкалы измеряют не ток I, а падение напряжения на платиновой проволоке Rк. Так как значение Rk вследствие нагревания проволоки током увеличивается при возрастании I, то зависимость IRк=f(V) оказывается более линейной, чем зависимость I=f(V), но при этом увеличивается инерционность.
Температуру проволоки термоанемометра можно еще из мерить с помощью термопары (рис. 3.35).
Рабочий спай термопары приварен к середине нагревае мой проволоки RT и милливольтметр mV измеряет термо-э. д. с., развиваемую термопарой в зависимости от температу ры сопротивления RT, а, следовательно, от скорости потока V.
Приборы, предназначенные для определения процентного содержания компонента газовой смеси, называются газоана лизаторами. Принцип их действия основан на изменении со противления проводника в зависимости от теплопроводность смеси газов. Теплопроводность же газовых смесей, состоящих из газов, не вступающих в реакцию друг с другом, примерно равна среднему арифметическому теплопроводностей компо нент смеси.
Для смеси из двух газов
, (3.40)
где C12, C1, C2, – соответственно теплопроводности смеси и компонент;
а и b – процентное содержание компонент смеси.
Если необходимо определить процентное содержание га за, имеющего теплопроводность C1, в смеси с другим га зом, имеющим теплопроводность C2, то выражение для C12 можно написать
, (3.41)
т. е., измерив C12 смеси и зная табличные значения C1 в C2 газов, образующих смесь, можно определить а (процент ное содержание одного из газов).
Формула (3.40) дает лишь приближенную зависимость теплопроводности смеси от ее состава, поэтому на практике целесообразнее производить градуировку электрических газо анализаторов экспериментально, либо путем сравнения с образцовыми газоанализаторами, либо приготовляя в газголь дере смеси газов различных концентраций.
Формула (3.41) относится к измерению концентрации одного из компонентов двухкомпонентной смеси.
Измерение концентрации одного из компонентов более сложных смесей возможно лишь в том случае, когда все остальные компоненты газовой смеси имеют практически одинаковую теплопроводность, либо когда концентрация осталь ных компонентов постоянная.
На рис. 3.36 показано принципиальное устройство термоанемометра.
Проволока 1, закрепленная в камере 2, обтекается исследуемым газом, теплопроводность которого изменяется в зависимости от состава.
Материал проводника выбирается из тех же соображений, что и для термоанемометра.
Измерительные цепи также аналогичны цепям термоане мометра.
3.9 Реостатные преобразователи или датчики активного сопротивления.
В датчиках активного сопротивления с изменением изме ряемой величины изменяется их активное сопротивление. Следовательно, входной величиной реостатных преобразова телей является перемещение движка реостата, механически связанного с измеряемой неэлектрической величиной, а вы ходной величиной – активное сопротивление.
На рис. 3.37 показано устройство реостатного преобразова теля.
На каркас 1 из изоляционного материала намотана с рав номерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верх ней границе каркаса зачищается и по металлу скользит щет ка 3. Добавочная щетка 4 скользит по токосъемному кольцу 5. Обе щетки изолированы от приводного валика 6.
Реостатные преобразователи выполняются как с проводом, намотанным на каркас, так и реохордного типа. В качестве материала провода применяют нихром, манганин, константан и др. В ответственных случаях, когда требования к изно соустойчивости контактных поверхностей очень велики, или когда контактные давления очень малы, применяют сплавы платины с иридием, с палладием, рубидием, рутением, осми ем. Провод реостата должен быть покрыт либо эмалью, либо слоем окислов для изоляции соседних витков друг от друга. Движки бывают из двух-трех проволочек (платина с ириди ем) с контактным давлением 0,003…0,005 Н или пластинча тые (серебро, фосфористая бронза) с усилием 0,05…0,1 Н. Контактная поверхность намотанного провода полируется; ширина контактной поверхности равна 2…3 диаметрам про вода. Каркас реостатного преобразователя выполняется из текстолита, пластмассы или из алюминия, покрытого изоляционным лаком или оксидной пленкой. Формы каркасов са мые разнообразные. Реактивное сопротивление реостатных преобразователей очень мало и им обычно можно пренебречь при частотах звукового диапазона.
При использовании реостатных преобразователей для из мерения неэлектрических величин – часто ставится задача по лучить линейную зависимость угла отклонения указателя от измеряемой неэлектрической величины F, несмотря на то, что ряд звеньев прибора между преобразователем и указате лем, осуществляющих промежуточные преобразования, ха рактеризуются нелинейной функцией преобразования.
В подобных случаях применяются функциональные рео статные преобразователи с нелинейным распределением со противления вдоль каркаса. Нелинейного распределения со противления вдоль каркаса достигают, например, изменяя высоту каркаса, шунтируя части линейного реостата постоян ными сопротивлениями, применяя намотку с переменным ша гом, намотку отдельных участков каркаса проводами разного диаметра или с разными удельными сопротивлениями.
Ниже представлены схемы наиболее распространенных приборов с реостатными преобразователями. Для схемы (рис. 3.38.а) ток I можно выразить формулой
, (3.42)
где l – отклонение движка, соответствующее текущему значению из меряемой величины; lH – номинальное отклонение, при котором сопротивле ние линейного реостата RР=0.
Если отклонение движка угловое, то вместо l и lн следует поставить и H. Как видно из приведенной зависимости, связь тока с отклонением движка оказывается нелинейной и поэтому цепь, изображенную на рис. 3.38.а, применяют редко.
В цепи на рис. 3.38.б реостатный преобразователь включен делителем напряжения.
, (3.42)
Наличие в знаменателе члена приводит к нелинейной зависимости входного напряжения U от отклонения . Однако при очень большом значении сопротивления R0 (при использовании указателя, включенного через усили тель) – этот член оказывается равным 0, и связь между выходным напряжением Uk и углом становится линейной
, (3.43)
Цепи на рис. 3.38.в, г характеризуются нелинейностью, но позволяют при применении указателя с двухсторонней шка лой измерять отклонение измеряемой величины в обе стороны от нуля.
Нелинейность, обусловленная схемой на рис. 3.38.д очень невелика.
Показания прибора, изображенного на рис. 3.38.е, где в ка честве указателя использован логометр, не зависят в извест ной степени от постоянства напряжения источника питания, так как отклонение логометра является функцией отношения токов, а следовательно, перемещения движка l.
Зависимость токов I1 и I2 от перемещения l в этой цепи нелинейна. Но, изменяя форму полюсных наконечников или сердечника измерительного механизма логометра, можно по лучить нужный вид зависимости , а следовательно, и требуемый характер шкалы =f(l) измерительного устройства. Реостатные преобразователи используются, как реостатные уровнемеры. Наиболее широкое распростране ние получили реостатные преобразователи в приборах для из мерения уровня так называемые реостатные уровнемеры, используемые в самолетах, автомобилях и т.д. На рис. 3.39. представлена измерительная цепь бензиномера.
Измерителем здесь является магнито-электрический логометр, рамки кото рого включены последовательно с сопротивлениями R1 и R2 реостатного преобразователя. При изменении положения движка, связанного с поплавком, токи в обеих рамках изме няются с различными знаками, вследствие чего изменяется от ношение этих токов, а следовательно, и отклонение стрелки указателя. Сопротивления r1 и r2 служат для регулировки прибора на заданный предел измерения. Шкала указателя градуируется в литрах.
Пружинный акселерометр. На рис. 3.40. представлена прин ципиальная схема пружинного датчика ускорения с реостат ным преобразователем.
Масса m подвешена на пружинах С. При наличии вертикального ускорения под действием силы инерции F=mx движок Д, связанный с массой, перемещает ся по реостату R. Выходное напряжение пропорционально действующему ускорению. Предел измерения прибора опре деляется жесткостью пружин С и величиной массы.
Реостатные преобразователи могут быть использованы для измерения виброускорений и виброперемещений с огра ниченным частотным диапазоном.
3.10 Тензосопротивления (тензопреобразователи).
В основе работы тензосопротивлений (тензопреобразователей) лежит явление тензоэф фекта, заключающееся в измене нии активного сопротивления проводников при их механиче ской деформации. Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной чувствительности К, определяемый как отношение изменения сопротивления к из менению длины проводника
, где
где – относительное изменение сопротивления проволоки;
– относительное изменение длины проводника.
Поэтому основным требованием к материалу тензосопро тивлений является возможно большее значение коэффициента относительной чувствительности К. Это объясняется тем, что относительное изменение сопротивления R у большинства тензосопротивлений мало, не превышает (5 – 7)10-3. Нагрев преобразователя может вызвать изменение его сопротивления, соизмеримое с рабочим изменением. Поэтому не менее важ ным требованием к материалу тензопреобразователей явля ется возможно меньшая величина температурного коэффици ента сопротивления материала. Третье требование – это вы сокое удельное сопротивление материала, из которого изготавливается преобразователь, так как необходимо стремиться к возможно меньшей площади, занимаемой преобразовате лем.
Материалы, наиболее часто применяемые для изготовле ния тензосопротивлений: константан, нихром, манганин, ни кель, хромель, висмут, титаноалюминиевый сплав, полупро водниковые материалы (соединения германия, кремния и т.д.).
Наиболее широкое распространение в настоящее время на ходят проволочные, фольговые и пленочные тензосопротивления.
Проволочные тензопреобразователи в технике измерений используются по двум направлениям. Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в со стоянии объемного сжатия, когда естественной входной вели чиной преобразователя является давление газа или жидкости. Выходной величиной преобразователя является изменение активного сопротивления. На этом принципе строятся мано метры для измерения высоких и сверхвысоких давлений.
Второе направление – использование тензоэффекта растя гиваемой проволоки из тензочувствительного материала. При этом тензосопротивления применяются в виде «свободных» преобразователей и в виде наклеиваемых. «Свободные» тензопреобразователи выполняются в виде одной или группы проволок, закрепленных по концам между подвижной и не подвижной деталями, и, как правило, выполняющих одновре менно роль упругого элемента. Естественной входной величи ной является очень малое перемещение подвижной детали. Устройство наиболее распространенного типа, наклеиваемого проволочного тензосопротивления избражено на рис.3.41.
На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку 1 наклеивается уложенная зигзагообразно тонкая проволока 2 диаметром 0,02…0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (сваркой или пайкой) выводные медные проводники 4, служащие для включения преобразователя в измерительную цепь. Сверху преобразователь покрывается слоем лака или заклеивается бумагой 3 или фетром. Такой преобразователь приклеивается к испытуемой детали так, что проволока воспринимает дефор мацию поверхностного слоя испытуемой детали, вследствие
чего изменяется сопротивление проволоки. Таким образом, естественной входной
величиной является деформация поверх ностного слоя испытуемой детали, а выходной – изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой де формации. Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5…20 мм, обладающие со противлением 30…500 ом. Кроме петлевой конструкции, суще ствуют и другие. При необходимости уменьшения измеритель ной базы преобразователя (до 3…1 мм) его изготавливают витковым способом, который заключается в том, что на оправ ке круглого сечения на трубку из тонкой бумаги наматыва ется спираль из тензочувствительной проволоки. Затем эта трубка проклеивается, снимается с оправки, расплющивается и к концам проволоки прикрепляются выводы.
Когда надо получить от цепи с тензопреобразователем ток большой величины при работе на вибратор осциллографа, используют «мощные» проволочные преобразователи. Они состоят из большого числа (30…50) параллельно соединенных проволок, отличаются большими габаритами (длина базы 150…200 мм), но дают возможность увеличить пропускаемый через преобразователь ток.
Фольговые преобразователи представляют собой тонкую ленту из фольги толщиной 4…12 мкм, на которой часть ме талла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует решетку с выводами. При изготовлении таких преобразователей можно получить любой рисунок ре шетки, что является достоинством фольговых преобразовате лей. На рис. 3.42. представлены разновидности фольговых тензосопротивлений.
Большим преимуществом фольговых преоб разователей является возможность увеличивать сечение кон цов преобразователя, что позволяет осуществить надежное припаивание (приваривание) выводов, а также то, что фоль говые преобразователи можно изготовить большего сечения, чем проволочные, что позволяет пропускать через преобразователи большие токи, и, следовательно, делать приборы с тензопреобразователями более чувствительными.
При отношении ширины к толщине полоски, равном 10, допустимый ток в преобразова теле из фольги в 1,4 раза больше, чем в преобразователе из проволоки того же сечения.
Пленочные тензосопротивления изготавливаются методом вакуумной возгонки тензочувствительного материала и после дующей конденсации его на подложку
(рис. 3.43).
Действие датчика основано на изменении омического сопротивления тензочувствительной обмотки 1 при деформации упругого элемента 2 под воздействием изменяемой силы. Тензочувствительная обмотка включается в плечо мостовой схемы.
Чаще всего измерительной цепью является делитель на пряжения либо мостовая цепь (рис. 3.44).
Делитель напряже ния с питанием постоянным током (рис. 3.44.а) применяют лишь в том случае, когда интересуются только переменной составляющей измеряемой величины, при этом постоянная со ставляющая падения напряжения на сопротивлении RП тензопреобразователя, в сотни раз превышающая переменную со ставляющую, отфильтровывается разделительным конденса тором С. Во всех других случаях в качестве измерительной цепи используется цепь моста (рис. 3.44.б), питаемого постоянным или переменным током.
Чаще применяется неравновес ный режим мостовой цепи и при статических измерениях и особенно при динамических, когда другие виды работы мосто вой цепи не могут быть использованы. При динамических измерениях в качестве указателя применяют самописец или осциллограф. Однако мощность, развиваемая преобразователем, недостаточна для работы самопишущих приборов и пет левых вибраторов осциллографа и возникает необходимость использования усилителей.
Тензопреобразователи наиболее часто применяются для измерения деформаций и механических напряжений. Прово лочные тензометры на бумажной основе, а также фольговые и пленочные тензометры применяются для измерения относительных деформаций l от 0,005…0,02 до 1,5…2%. Свободные проволочные
тензометры могут быть использованы для изме рения деформаций до 6…10%.
Тензосопротивления практиче ски безынерционны и применяются в диапазоне частот от 0 до 100 кГц. Измерительные цепи тензометров весьма разнооб разны.
Для уменьшения температурной погрешности используют дифференциальную схему включения преобразователей – в соседнее плечо моста включают такой же преобразователь, наклеенный на тот же самый материал и помещенный в те же температурные условия.
Его можно разместить на детали и включить в соседние плечи моста два преобразователя, испытывающих равную деформацию разного знака (рис. 3.45). При этом одновременно достигается температурная коррекция и повышается вдвое чувствительность измерительной цепи.
На рис. 3.46 приведена типичная структурная схема одно го канала прибора для измерения деформации.
Измеритель ный мост М питается переменным напряжением от генератора Г несущей частоты. Модулированный сигнал несущей ча стоты с измерительной диагонали моста попадает на вход усилителя Ус. Усиленный сигнал демодулируется фазочувствительным демодулятором Д и через фильтр Ф поступает в указатель. Усилитель и генератор несущей частоты питаются от источника В, Для поверки чувствительности служит уст ройство П, которое в некоторых приборах выполняется авто матическим, а для предварительного уравновешивания мо ста – устройство Р. Для одновременного определения дефор мации во многих точках тензостанции выполняются многока нальными.
Для измерения давлений (от 100 Н/мм2 до 3 кН/мм2) используются манганиновые преобразователи сопротивления. При измерении давлений тензосопротивления могут быть установлены непосредственно на стенках сосуда, давление в котором измеряется, а для повышения чувствительности их можно разместить на мембранах, сильфонах и т.д.
В манометрах с тензосопротивлениями в качестве упруго го элемента используется металлический стакан с утолщен ным дном. На наружной поверхности стакана наклеиваются два рабочих преобразователя, а на донной поверхности – два для температурной коррекции. На рис. 3.47 приведена конструкция упругого элемента, поверхность которого изолирована и обмотана тензочувствительной проволокой: половина ее R1 является рабочей, а вторая половина – R2 служит для тем пературной коррекции.
Величина относительного удлинения проволоки при толщине стенки трубки и внутреннем радиусе r под действием давления Р равна
, (3.44)
где Е и – модуль упругости и коэффициент Пуассона.
Крутящий момент можно измерить путем измерения на пряжения в материале вала при помощи тензосопротивлений, наклеенных так, как показано на рис. 3.48.
Крутящий момент выражается через измеренное напряжение .
, (3.45)
где – полярный момент сопротивления сплошного круглого вала.
При включении преобразователей в два соседних плеча моста влияние деформаций изгиба вала на результат изме рения практически исключается, поскольку при изгибе дефор мации обоих преобразователей одинаковы по величине и по знаку.
Погрешность измерения тензометрами составляет 5…10%, но может быть снижена до 1…2% при непосредственной градуировке тензометра путем нагружения вала с накленными на него тензосопротивлениями.
3.11 Магнитоупругие преобразователи.
Магнитоупругие преобразователи являются разновидно стью электромагнитных преобразователей.
Магнитоупругие преобразователи основаны на явлении изменения магнитной проницаемости ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряже ний , обусловленных воздействием на ферромагнитные тела
механических сил Р (растягивающих, сжимающих, изгибаю щих, скручивающих). Изменение магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника вызывает изменение магнитного сопротивления RÌ для магнитного потока в сердечнике. Из менение же RÌ ведет к изменению полного электрического сопротивления катушки, находящейся на сердечнике. Таким образом, в магнитоупругом преобразователе мы имеем сле дующую цепь преобразований
Р RM Z
Существует и обратное явление: ферромагнитное тело, вне сенное в магнитное поле, изменяет свои размеры, иначе гово ря, внешнее магнитное поле вызывает механические деформа ции ферромагнитного тела. Явления, возникающие вследствие взаимной зависимости между механическими и магнитными состояниями ферромагнитных тел, называются магнитострикционными. Под численным значением магнитострикции пони мают относительное изменение l/l= длины l стержня, об условленное воздействием внешнего магнитного поля, а эффект изменения магнитных свойств под влиянием механических де формаций называют магнитоупругим эффектом.
Опыт показывает, что магнитострикционные и магнитоупругие явления не однозначны. Некоторые ферромагнитные тела имеют положительную магнитострикцию, т.е. увеличива ют размеры в направлении магнитного поля, у некоторых же она отрицательная, т.е. тела уменьшают свои размеры в на правлении магнитного поля. Величина магнитострикции и ее знак зависят от материала магнитной цепи, его термообработ ки, температуры и напряженности магнитного поля.
Характер зависимости магнитострикции =l/l от на пряженности Н намагничивающего поля для различных ферромагнитных материалов показан на рис. 3.49. Магнитоупругий эффект тоже не однозначен. Для одного и того же материала под воздействием механического напряжения магнитная про ницаемость в слабых полях может возрастать, в то время, как в сильных полях падать. Для иллюстрации на рис.3.50 приведены кривые изменения индукции В в функции механической нагрузки при различных значениях напряженности поля Н для проволоки из мягкой стали.
Магнитоупругие преобразователи могут работать как пере менные индуктивные сопротивления, величина которых опре деляется приложенным к сердечнику механическим усилием, и как трансформаторные преобразователи с переменной взаим ной индуктивностью между обмотками.
На рис.3.51 представлены разновидности магнитоупругих: преобразователей индуктивного и трансформаторного типа.
Магнитная цепь магнитоупругих преобразователей выполняет ся чаще всего из сплошного материала. Сердечник имеет ще ли для размещения обмотки. В разъемных конструкциях гото вую катушку надевают на сердечник. На рис.3.52.а изображен тензометрический магнитоупругий преобразователь индуктив ного типа, в котором в качестве сердечника 1, катушки 2 ис пользуется проволока из пермаллоя.
На рис.3.52.б изображена магнитная цепь преобразователя, выполненная из тонкого ли ста пермаллоя, наклеиваемого на испытуемую деталь. У маг нитоупругих преобразователей на переменном токе э.д.с. во вторичной обмотке будет являться функцией изменения взаим ной индуктивности между катушками, обусловленной измене нием магнитной проницаемости сердечника. Если первичную обмотку магнитоупругого преобразователя трансформаторно го типа питать постоянным током, то он превращается в маг нитоупругий преобразователь индукционного типа. В этом слу чае при измерении быстро переменных процессов во вторич ной обмотке будет индуктироваться э.д.с., мгновенное зна чение которой равно:
, (3.46)
где w2 – число витков вторичной обмотки; – напряжение в материале сердечника;
с – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств материала и
напряженности намагничива ющего поля.
Чувствительность магнитоупругих преобразователей мож но характеризовать подобно тензосопротивлениям коэффици ентом тензочувствительности
, (3.47)
в тех случаях, когда магнитоупругие преобразователи исполь зуются для измерения деформации l других деталей, т. е. ког да естественной входной величиной является перемещение. Обычно вследствие массивности магнитной цепи магнитоупру гие преобразователи в качестве естественной величины вос принимают значение воздействующей на него силы. В этом случае относительной магнитоупругой чувствительностью ма териала называют относительное изменение магнитной прони цаемости /, вызываемое единицей механического напря жения , т.е.
и измеряемую в % на 1 Н/мм2.
Теория ферромагнетизма дает теоретические соотношения, позволяющие обоснованно подойти к выбору материала магнитоупругого преобразователя.
Магнитоупругие преобразователи применяются для изме рения больших давлений (больше 10 Н/мм2, или 100 кГ/см2), так как они непосредственно воспринимают давление и не нуждаются в дополнительных преобразователях. При исполь зовании магнитоупругих преобразователей для измерения си лы, предел измерения прибора определяется площадью маг нитоупругого преобразователя. Данные преобразователи де формируются под действием силы очень незначительно. Так при l = (50 мм – l) 10мкм имеют высокую жесткость и соб ственную частоту до 20 – 50 кГц. Допустимые напряжения в материале магнитоупругого преобразователя не должны пре вышать 40 Н/мм2.
В качестве примера использования магнитоупругих преоб разователей на рис. 3.53 приведена конструкция датчика маг нитоупругого торсиометра, применяемого для измерения кру тящего момента на буровом инструменте. Магнитоупругим элементом является участок 1 рабочего вала, выполненного из ферромагнитного материала. Этот участок вала охвачен кольцевым статором 2. Статор имеет внутренние радиально расположенные выступы (полюсы) 3 из листовой трансформа торной стали, на которые намотаны намагничивающие катуш ки 4, питаемые переменным током.
Катушки соединены после довательно так, чтобы полюса чередовались. При отсутствия крутящего момента направление магнитного потока между полюсами перпендикулярно образующей вала (линия 2-2 на рис.2.54).
Измерительные катушки преобразователя 5 имеют сердечник 6 П-образной формы из трансформаторной стали. Их оси расположены вдоль образующей вала. Катушки со единены последовательно. При отсутствии крутящего момента концы сердечника 2-2 расположены на одной и той же отно сительной магнитной эквипотенциали 0,5 и, следовательно, разности магнитного потенциала между ними нет. При дейст вии крутящего момента изменится магнитная проницаемость материала вала, причем в направлениях, в которых вал испытывает деформацию сжатия, будет уменьшаться, а в направлениях деформации растяжения – увеличиваться. Вследствие возникшей магнитной анизотропии изменится кар тина поля между полюсами намагничивающих катушек, т.е. полюса 2-2 сердечника измерительной катушки уже не будут находиться на одной эквипотенциальной линии и через сердечник пойдет часть магнитного потока. При изменении знака момента картина поля изменится на обратную и на 180° изме нится фаза потока, а, следовательно, и фаза выходного напряжения, индуктированного в катушке.
Магнитоупругий динамометр – прибор для измерения со средоточенных сил (рис.3.55).
На рис. 3.55 представлена измерительная цепь магнитоупругого динамометра, где ZX – сопротивление рабочего преобра зователя, a ZN – сопротивление
ненагруженного (нерабочего) преобразователя. При начальном значении ZX (ZX = ZN) измерительная цепь уравновешена и ток в измерительной це пи равен нулю. При ZX ZN через измеритель протекает ток. Шкала измерителя может быть проградуирована в единицах измеряемой силы.
Частота собственных колебаний преобразователя дости гает нескольких десятков тысяч герц, что дает возможность при соответствующем выборе частоты источника питания из мерять динамические силы до частот порядка 10 кГц.
3.12 Пьезоэлектрические преобразователи.
Пьезоэлектрические преобразователи выполняются из ма териалов, в которых может возникать пьезоэлектрический эффект.
Пьезоэффект может быть прямым и обратным.
Прямой пьезоэффект заключается в возникновении элект рических зарядов на гранях пьезоэлектрика при воздействии на него механической силы, вызывающей напряжение в мате риале. При устранении силы заряды исчезают.
Обратный пьезоэффект проявляется в том, что пьезоэлектрик, помещенный в электрическое поле, изменяет свои геомет рические размеры.
Чаще всего в качестве пьезоэлектрика применяется кварц, на примере которого и рассмотрим принцип действия пьезо электрического преобразователя.
В кристаллах кварца принято различать три главные оси: оптическую z, электрическую х и механическую у (рис. 3.56).
Параллелепипед, вырезанный из кристалла кварца так, чтобы его грани были параллельны главным осям, обладает следующими свойствами:
1) при воздействии силы Fу, направленной вдоль электри ческой оси х, на гранях bc, перпендикулярных этой оси, появляются электрические заряды. Это так называемый продоль ный пьезоэффект;
2) при воздействии силы Fу, направленной вдоль механи ческой оси у, заряды появляются так же на гранях bc. Это – поперечный пьезоэффект;
3) если приложить механическую силу вдоль оптической оси z, то заряды не
возникнут.
Величина зарядов, возникающих на гранях кристалла bc под действием силы FX, не зависит от геометрических разме ров кристалла и равна (1)
, (3.48)
где d1 – постоянный коэффициент, называемый пьезоэлектрической постоянной.
Величина зарядов, возникающих под действием силы Fy зависит от геометрических размеров кристалла и имеет про тивоположный знак
, (3.49)
где d1 – та же постоянная, что и в формуле (3.49), b и а – дли на граней.
Из формулы (3.49) видно, что в случае необходимости мож но повысить чувствительность пьезоэлектрика, увеличив отношение b/a.
В случае растягивающих усилий вдоль осей х и у возни кающие заряды будут иметь знаки, противоположные случаю сжимающих усилий.
В тех случаях, когда параллелепипед вырезан не вдоль осей, а под углом к ним, возникающие заряды будут меньше. Учет углов рассматривается в специальной литературе.
Устройство пьезоэлектрического преобразователя схема тично изображено на рис. 3.57.
Здесь измеряемое давление Р действует на мембрану 1, которая является одновременно дном корпуса преобразова теля. Кварцевые пластины 2 соединены параллельно. Наруж ные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя об кладка изолируется от корпуса самим кварцем, удельное со противление которого велико (при 20С, ).
Сигнал с кварцевых пластин снимается при помощи латун ной фольги 3 и по кабелю 4 подается на вход измерительного усилителя. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе преобразователя преду смотрено отверстие, закрываемое пробкой 5.
Заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента под дейст вием силы Р, сохраняется лишь при отсутствии утечки, т.е. при бесконечно большом входном сопротивлении измеритель ной цепи. Практически это условие невыполнимо, а потому пьезоэлектрические преобразователи для измерения статиче ских сил не применяются. При действии динамических, т.е. переменных во времени, сил количество электричества на гра нях все время восполняется и становится возможным потреб ление тока измерительной цепью.
Тем не менее, требование к величине входного сопротивле ния измерительной цепи остается жестким, так как выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала и на выход преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным сопротивлением (1010 – 1013 Ом). Этому требованию обычно удовлетворяют только электромет рические лампы.
Эквивалентную схему пьезоэлектрического преобразовате ля можно представить (рис. 3.58.а).
Здесь СО – собственная емкость пьезоэлектрика; СВХ – емкость кабеля и входная емкость измерительной цепи; Ro – сопротивление преобразователя с учетом сопротивления изоляции линии относительно земли; RВХ – входное сопротив ление измерительной цепи.
На рис. 3.58. б представлена упрощенная эквивалентная схе ма, в которой
Если вдоль электрической оси пьезоэлектрика приложена сила, изменяющаяся по закону синуса, т.е. FX = FXmsint то направление на выходе преобразователя тоже будет изме няться синусоидально.
Пьезоэлектрические преобразователи применяются для из мерения переменных сил, давлений, вибрационных ускорений.
Ранее (см. рис. 3.57) был представлен один из приборов, использую щий пьезопреобразователь и предназначенный для измерения величины давления.
Другим примером применения пьезоэлементов служат профилометры – приборы для оценки шероховатости поверхности обрабатываемой детали (рис. 3.59).
Ощупывающая алмазная игла 1, имеющая радиус закруг ления 1,5 мкм, укреплена на конце подвижного коромысла 2, которое может вращаться вокруг оси 3. На другом конце ко ромысла имеется «смычок» 4, связывающий при помощи эла стичной ленточки 5 подвижное коромысло со свободным концом пластинок 6 из сегнетовой соли. Другой конец пластинок закреплен неподвижно. Пластинки соединены параллельно так, что на наружных гранях пластинок появляется заряд од ного знака.
При перемещении иглы 1 в вертикальном направлении (из-за шероховатостей исследуемой поверхности) свободный ко нец пластинок 6 также перемещается, пластинки изгибаются и на поверхностях пластин появляется заряд. Гибкий экрани рованный кабель 7 соединяет грани пьезопреобразователя с измерительной цепью.
3.13 Интеллектуальные датчики
Интеллектуальным датчиком считается первичный преобразователь, выполняющий одну или несколько функций, перечисленных ниже:
линеаризацию;
масштабирование;
калибровку;
нормализацию;
фильтрацию;
сжатие;
устранение ошибок;
статическую обработку;
корректировку нулевого уровня;
самодиагностику;
обработку результатов измерений.
Структура современных интеллектуальных датчиков
Структурно рассматриваемые датчики состоят из двух взаимосвязанных блоков:
чувствительного элемента (сенсора) и преобразователя. Последний комплектуется из программируемого микропроцессора с оперативным и постоянным модулями памяти,
аналого-цифрового преобразователя, сетевого контроллера связи с типовыми полевыми сетями. Как сенсор, так и преобразователь датчи ка, обычно, имеют ряд вариантов исполнения, рассчитанных на различные свойства измеряемой и окружающей сред.
Варианты исполнения сенсора: различные мето ды восприятия измеряемых величин; разное со единение сенсора с конструкцией объекта изме рения (фланцевое, вафельное, резьбовое); разный тип корпуса сенсора, определяемый давлением, температурой, помехами в месте измерения; раз ный материал корпуса сенсора (под обычную, хи мически агрессивную, абразивную, взрывоопас ную, гигиеническую среды).
Варианты исполнения преобразователя: пита ние от внутреннего или внешнего источника; раз ные виды выходных сигналов и коммуникацион ных связей с полевыми сетями, разное защитное исполнение от возможных помех и свойств окру жающей среды.
Большинство производителей комплектуют датчики из сочетания разных вариантов сенсоров с разными вариантами преобразователей, рассчитан ных на работу с данной серией сенсоров. Благодаря этому удается наиболее точно и полно удовлетво рить отдельным конкретным требованиям к при бору. Следует иметь в виду, что подобная, весьма технически рациональная гибкость построения датчиков, в то же время, обычно, не позволяет дать оценку стоимости прибора без детального анализа выбранных вариантов составляющих его блоков.
В последнее время получают распространение мультисенсорные датчики, когда к одному преоб разователю подключается ряд сенсоров, воспри нимающих
различные или однотипные величины. Так, датчик расхода газа состоит из трех сенсоров: перепада давления на сужении, абсолютного дав ления и температуры в месте сужения, по всем ним преобразователь вычисляет значение расхода газа; многозонные (многоточечные) датчики тем пературы имеют в своем составе от нескольких до более десятка температурных чувствительных эле ментов и преобразователь по их значениям вы числяет профиль температуры в объекте или оп ределенную функцию от ряда температурных сен соров (например, среднюю температуру объекта).
Функции, реализуемые в современных интеллектуальных датчиках
Кроме обычных функций восприятия иско мой величины и преобразования сигнала, совре менные интеллектуальные датчики выполняют ряд других функций, существенно расширяющих их возможности и улучшающих их технические характеристики. Далее рассмотрены эти функции, которые в той или иной степени полноты свойст венны современным интеллектуальным датчикам.
Функции преобразования. Датчик преобразует электрическую величину на выходе сенсора (обыч но представленную в виде низковольтного анало гового, частотного, или импульсного сигнала) и производит ее измерение; при этом он выполняет коррекцию выходного значения по сопутствую щим текущим показателям состояния измеряемой среды (например по ее температуре и/или давле нию), в случае, если показания датчика зависят и от них. В приборе проводятся необходимые пре образования измерительной информации: усиле ние сигналов сенсора, стандартизация диапазонов выходных аналоговых сигналов, линеаризация и фильтрация, расчет выходных значений по задан ным алгоритмам, аналого-цифровое преобразова ние значений измеряемой величины.
Функции самодиагностики. В процессе работы датчики выполняют анализ своей работы: при возникновении различных сбоев, нарушений и неисправностей фиксируют их место возникнове ния и причину, определяют выход погрешности прибора за установленное значение, анализируют работу базы данных датчика, рассматривают пра вильность учета факторов, которые корректируют выходные показания датчика. Датчик может вы давать оператору до 30-ти различных сообщений, конкретизирующих текущие особенности его ра боты и резко облегчающих и ускоряющих его об служивание (при необходимости вмешательства сотрудников КИП в его работу). Обычно инфор мация, выдаваемая датчиком об отдельных его не исправностях, подразделяется на два типа:
некритическая информация, когда датчик тре бует определенного обслуживания, но изме ряемые им значения могут использоваться для управления;
критическая информация, когда выходные данные датчика неверны и либо требуется не медленное вмешательство оператора по при остановке использования его показаний, либо сам датчик переводит свой выход в постоян ное безопасное для управления процессом значение, и сообщает о необходимости сроч ного обслуживания прибора.
Информационные функции. Датчики хранят в сво ей памяти и по дистанционному запросу пользова теля выдают все данные, определяющие свойства, характеристики, параметры данного конкретного прибора: его тип, заводской номер, технические по казатели, возможные диапазоны измерения, уста новленную шкалу, заданные параметры настройки сенсора, работающую версию программного обес печения, архив проведенных метрологических пове рок, срок проведения следующей поверки датчика и т. п. Кроме того датчики могут иметь архив теку щих измеряемых и вычисляемых ими значений ве личин за заданный интервал времени.
Функции конфигурирования. Дистанционное формирование или модификация пользователем основных настроечных параметров датчика: уста новка нуля прибора, выбор заданного диапазона из мерения, фильтрация текущих значений, выбор на именования единиц измерения, в которых датчик должен выдавать информацию и т. п. действия.
Функции форматирования. Автоматический ана лиз изменений измеряемой величины и текущего состояния среды измерения: определение выхо дов значений измеряемой величины за заданные нормы, выдача различных сообщений об измене ниях значений измеряемой величины, проверка нахождения в допустимых диапазонах параметров измеряемой среды. Все эти функции дистанцион но настраиваются пользователем.
Управляющие функции. В последнее время все большее число добавочных функций, непосредст венно связанных с управлением технологическим процессом, стали возлагать на интеллектуальные датчики (особенно при их использовании с поле вой сетью Foundation Fieldbus). Для реализации этих функций в память микропроцессора датчика прошивается соответствующий набор типовых программных модулей, а их инициация и пара метризация проводится дистанционно операто ром с помощью простейшего графического кон фигуратора. В качестве типовых программных мо дулей используются простейшие арифметические и логические операции, таймер, элемент чистого запаздывания, интегратор, варианты регуляторов: Р, I, PI, PD, PID и т. п. функции, из которых лег ко набираются конкретные алгоритмы регулиро вания разных видов, блокировочные зависимо сти, алгоритмы смешивания и другие алгоритмы управления технологическими процессами.
Вопросы для самопроверки:
Каковы устройство, принцип работы и применение:
PAGE 65