Обобщенная структура измерительных информационных систем. Первичные измерительные преобразователи

Измерительные информационные системы (ИИС) являются симбиозом аппаратных средств и алгоритмов обработки измерительной информации. Рассмотрение различных первичных измерительных преобразователей (датчиков) в ИИС. Классификационные признаки датчиков.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

Введение

1. Обобщенная структура ИИС

2. Первичные измерительные преобразователи

2.1. Датчики электрических величин

2.2. Датчики магнитных величин

2.3. Датчики линейных и угловых перемещений, контактирующие с измеряемой деталью

2.4. Бесконтактные датчики координат

2.5. Датчики силы

2.6. Датчики давления

2.7. Датчики температуры

2.8. Датчики скорости и ускорения

2.9. Датчики расхода

2.10. Акустические датчики

2.11. Датчики влажности

2.12. Датчики световых излучений

2.13. Датчики радиоактивного излучения

2.14. Датчики химического состава и концентраций

2.15. Детекторы присутствия и движения объектов

Заключение

Литература



Введение

Тема контрольной работы «Обобщенная структура измерительных информационных систем. Первичные измерительные преобразователи» по дисциплине «Измерительные информационные системы».

Измерительные информационные системы (ИИС) являются симбиозом аппаратных средств и алгоритмов обработки измерительной информации. Поэтому как проектирование ИИС, так и их применение невозможны без правильного теоретического обоснования и понимания этих алгоритмов. При этом, благодаря наличию в составе ИИС ЭВМ, возможна дальнейшая обработка результатов измерений, полученных путем обработки первичной измерительной информации. Это позволяет решать с помощью ИИС широкий спектр других задач, не являющихся чисто измерительными, в частности контроль качества, распознавание образов и др.



1.Обобщенная структура ИИС

В литературе [19, 45] рассматриваются различные виды структуры ИИС в зависимости от организации взаимодействия функциональных блоков: цепочечная, радиальная, магистральная с централизованным и децентрализованным управлением, радиально-магистральная. Эти варианты структур отличаются в основном организацией передачи информации. В зависимости от организации сбора измерительной информации выделяются структуры: одноканальная, многоканальная, мультиплицированная, многоточечная, сканирующая. Мы не будем останавливаться на рассмотрении этих структур, поскольку при современном уровне цифровой вычислительной техники все эти структуры с функциональной точки можно рассматривать как частный случай обобщенной структуры., приведенной на рис. 1.

Исследуемый объект (ИО) описывается физическими величинами х_1,….. х_п. Номенклатура измеряемых величин определяется заказчиком (пользователем) ИИС, исходя из физических представлений об объекте. Эти величины могут быть одинаковыми, например пространственные координаты. Среди них могут быть однотипные, например электрические (напряжение, сила тока, сопротивление и др.). Эти величины могут быть существенно различными, например метеорологические показатели при мониторинге окружающей среды (температура воздуха, атмосферное давление, влажность, направление и скорость ветра). Даже при четко выраженной области применения ИИС измеряемые физические величины могут быть различными. Например, при контроле размеров деталей в машиностроении в число измеряемых величин кроме координат может входить температура, знание которой необходимо для введения температурных поправок в результаты измерения размеров.

Рис. 1

Первичные измерительные преобразователи (ПИП), или датчики, преобразуют величины x_i в электрические величины у_i (напряжение, ток, сопротивление, емкость, индуктивность и др.). Датчики являются обязательными компонентами ИИС. Вид датчика в первую очередь определяется видом преобразуемой величины. Однако, как мы увидим ниже, для измерения одной и той же физической величины могут использоваться различные первичные преобразователи, отличающиеся принципом действия и своими характеристиками. Поэтому в рамках одной ИИС, если даже преобразуемые величины одинаковы по физическому смыслу, первичные преобразователи могут быть различными, в частности, в зависимости от требуемого диапазона измерения. Например, шунты, являющиеся первичными преобразователями силы тока в напряжения, будут иметь разное сопротивление для разных диапазонов измерения. Диапазоны измерения силы тока могут отличаться на порядки. В силу этого конструкция шунтов в различных каналах также будет различной. Для измерения координат, изменяющихся в пределах десятков миллиметров и больше, целесообразно использовать растровые фотоэлектрические датчики, а для измерения в диапазоне нескольких миллиметров и менее -- индуктивные.

Вспомогательным устройством в ИИС является базирующее устройство, с которым могут быть связаны ИО и первичные преобразователи. Вид базирующего устройства определяется видом ИО и необходимыми воздействиями на него в процессе измерения. Базирующее устройство может быть простым механическим приспособлением для установки датчиков. Такими простейшими устройствами являются, например, метеорологическая будка, элементы крепления измерительных микрофонов или датчиков ионизирующих излучений и др.

В других случаях оно может быть сложным устройством, обеспечивающим относительное перемещение датчиков и объекта, подачу на объект необходимых воздействий: нагрев объекта, воздействие на него различными полями, подача входных испытательных сигналов и т. п.

Величины y_i, выдаваемые первичными преобразователями, подаются на вторичные измерительные преобразователи (ВИП), которые преобразуют их в напряжения U_i. Вторичные преобразователи в некоторых каналах могут отсутствовать, если выходной величиной датчика является напряжение, уровень которого достаточен для аналого-цифрового преобразования. В ряде случаев вторичный преобразователь, каждый из которых на рис. 1 обозначен как единое целое, может представлять собой каскадное соединение нескольких вторичных преобразователей, например моста переменного тока, усилителя и фазового детектора. Вид вторичного преобразователя определяется только видом величины y_i.Поэтому в каналах измерения физически различных величин могут использоваться одинаковые вторичные преобразователи, если выходные величины датчиков одинаковы.

В принципе один и тот же экземпляр вторичного преобразователя может использоваться для преобразования выходной величины разных датчиков. Однако практически это не очень удобно.

Конструктивно вторичные преобразователи могут быть совмещены с первичными преобразователями или выполнены в виде отдельных плат (устройств). В состав вторичных преобразователей могут входить простейшие вычислительные устройства, например для введения поправок или для линеаризации характеристик (так называемые интеллектуальные датчики).

Напряжения U_i поступают на аналого-цифровые преобразователи (АЦП), где преобразуются в цифровые коды С_i подаваемые на ЭВМ. По выполняемым функциям АЦП в принципе можно отнести к вторичным преобразователям, реализуется иногда конструктивно. Однако они выделены в отдельные функциональные блоки в силу следующих обстоятельств:

- АЦП, как это отражено на рис. 1, в отличие от других преобразователей, работают под управлением ЭВМ, обеспечивающей необходимый алгоритм сбора первичной информации;

- АЦП, как и датчики, в отличие от других вторичных преобразователей, являются обязательными компонентами каждого канала.

АЦП могут быть индивидуальными для каждого канала, однако чаще один АЦП используется для всех или нескольких каналов, работая в мультиплексном режиме (рис. 2).

При реализации этой схемы коммутатор по командам ЭВМ подает на АЦП сигнал соответствующего канала, и с АЦП, также по запросу ЭВМ, выдается код. В этом случае аппаратно присутствует только один АЦП, однако для анализа выполняемых функций, оценки погрешностей и т. д. по-прежнему удобнее пользоваться обобщенной схемой. Единственный момент, который следует учитывать при переходе к мультиплексной схеме, -- это время передачи информации на ЭВМ. Однако, учитывая быстродействие современных АЦП и ЭВМ, этот момент в подавляющем большинстве случаев не имеет существенного значения.



Рис. 2

Для некоторых измерительных преобразователей, например кодовых или импульсных, функции АЦП выполняют сами первичные или вторичные преобразователи. Это не нарушает общего характера рассматриваемой структурной схемы, поскольку она носит функциональный характер, и входящие в нее элементы могут быть конструктивно объединены. АЦП является в этом отношении самым ярким примером. Он может быть самостоятельным элементом, может входить в состав первичных или вторичных преобразователей, а также в виде отдельных плат конструктивно может быть размещен в составе ЭВМ.

Каналы связи между элементами ИИС могут иметь различный характер. В простейшем случае для локально сосредоточенной ИИС это проводная связь, в том числе внутри стойки или конструктива (крейта), где размещены сами элементы. Для ИИС, распределенных в пространстве, могут использоваться радиоканалы или волоконно-оптическая связь. В этих случаях один канал связи может служить для передачи информа...