Измерительные элементы технических систем реферат

Обновлено: 07.07.2024

Информационно-измерительные системы. Технические измерения и приборы ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Информационно-измерительные системы (ИИС) представляют собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи. Они предназначены для автоматического получения измерительной информации от ряда ее источников, а также для ее передачи и обработки.

В развитии измерительных информационных систем можно отметить ряд поколений.

Системы первого поколения (конец 50-х — 60-е годы) — это системы в основном централизованного циклического получения измерительной информации с элементами вычислительной техники на базе дискретной полупроводниковой техники. Этот этап принято называть периодом детерминизма, так как для анализа в ИИС использовался хорошо разработанный к тому времени аппарат аналитической математики.

ИИС второго поколения (70-е годы) используют адресный сбор информации и обработку информации с помощью встроенных ЭВМ. Элементную базу здесь представляют микроэлектронные схемы малой и средней степени интеграции. Этот период характеризуется решением целого ряда вопросов теории систем в рамках теории случайных процессов и математической статистики, поэтому его принято называть периодом стохастичности.

Третье поколение (начало 80-х годов) характеризуется широким введением в ИИС БИС, микропроцессоров и микропроцессорных блоков, микро-ЭВМ и промышленных функциональных блоков, совместимых между собой по информационным, метрологическим, энергетическим и конструктивным характеристикам, а также созданием распределенных ИИС. В этот период появились адаптивные ИИС.

Возникновение ИИС четвертого поколения (конец 80-х годов) — гибких перестраиваемых программируемых ИИС — обусловлено дальнейшим 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 — это интеллектуальные и виртуальные измерительные информационные системы, построенные на базе персональных компьютеров и современного математического и программного обеспечения.

В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде:

• измерительных систем;
• систем автоматического контроля;
• систем технической диагностики;
• систем распознавания образов (идентификации);
• телеизмерительных систем.

Измерительная система входит в другие указанные системы как подсистема.

Назначение любой ИИС, необходимые функциональные возможности и технические характеристики в решающей степени определяются объектом исследования, для которого данная система создается.

Назначение ИИС можно определить как целенаправленное оптимальное ведение измерительного процесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информацией. Исходя из этого основные функции ИИС — получение измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, передача, представление информации оператору или ЭВМ, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий.

Степень достижения функций принято характеризовать с помощью критериев измерения. ИИС оптимизируют по многим частичным критериям таким, как точность, помехоустойчивость, надёжность, пропускная способность, адаптивность сложность и экономичность.

ИИС обычно классифицируют:

1. По разновидности входных величин (табл. 1.2).

Классификация ИИС по входным величинам

Поведение во времени Расположение в пространстве Характер величин Энергетический признак Взаимосвязь помех с входными величинами.

Непрерывный Активные Независимые помехи.

Изменяющиеся Распределенное Дискретный Пассивные Помехи, связанные с входными величинами.

2. По выходной информации ИИС делятся на измерительные, на выходе которых формируется количественная измерительная информация, контрольно-диагностические и распознающие ИИС, на выходе которых формируются суждения о состоянии объектов.
3. По принципам построения (табл. 1.3).

Классификация ИИС по принципам построения

Порядок выполнения операций получения информации.

Модульность состава системы.

Использование стандартного интерфейса.

Наличие программноуправляемых вычислительных устройств.

Наличие контуров информационной обратной связи.

Изменение скоростей получения и выдачи информации.

Сигналы, используемые в ИИС.

Структурная и информацион;

Адаптация к исследуемым величинам.

В зависимости от способа организации передачи информации между функциональными блоками (ФБ) различают цепочечную, радиальную и магистральную структуры ИИС (рис. 1.20).

Состав и структура конкретной ИИС определяется общими техническими требованиями, установленными ГОСТом, и требованиями, содержащимися в техническом задании на ее создание.

ИИС должна управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования и обладать свойствами технической, информационной и метрологической совместимости, а также допускать возможность дальнейшей модернизации и развития.

Процессом функционирования ИИС, как и любой другой технической системы, является целенаправленное преобразование входной информации в выходную информацию. Это преобразование выполняется либо автоматически комплексом технических средств (КТС), то есть техническим обеспечением, либо совместно оперативным персоналом и КТС в сложных ИИС. Чтобы персонал и КТС могли функционировать оптимально, необходимы соответствующие инструкции и правила. Эту задачу выполняет организационное обеспечение. Математическое, программное и информационное обеспечение входит в состав ИИС с цифровым вычислительным комплексом.

Рис. 1.20. Основные структуры ИИС

К математическому обеспечению относятся математические модели и вычислительные алгоритмы.

Программное обеспечение гарантирует реализацию вычислительных алгоритмов и алгоритмов функционирования системы и охватывает круг решений, связанных с разработкой и эксплуатацией программ.

Информационное обеспечение определяет способы и формы информационного отображения состояния объекта исследования в виде документов, диаграмм, графиков и сигналов для их представления обслуживающему персоналу и ЭВМ с целью дальнейшего использования.

Технические средства ИИС состоят в общем случае из:

? первичных измерительных преобразователей;
? вторичных измерительных преобразователей;
? элементов сравнения и мер;
? блока цифровых устройств и памяти;
? элементов описания — норм;
? преобразователей сигнала,
? средств отображения.

В самом общем случае компьютеризованная измерительная система может быть спроектирована двумя способами: как централизованная система и как децентрализованная система. На рис. 1.21 приведен пример системы с централизованной архитектурой.

Рис. 1.21. Централизованная ИИС

Эта система называется централизованной, потому что части системы, ответственные за преобразование сигнала, используются для обработки всех сигналов последовательно. Соответствующая электроника размещается обычно в центральном компьютере. Достоинства этой системы в том, что ее стоимость относительно низка.

На рис. 1.22 показана измерительная система с децентрализованной архитектурой. В этой системе каждый канал содержит свои собственные узлы преобразования, и только цифровой процессор работает в режиме временного мультиплексирования. Такой принцип позволяет производить оптимизацию в каждом канале независимо. Кроме того, блоки преобразования при такой архитектуре могут быть в к раз более медленными, чем те же узлы в централизованной системе.

Рис. 1.22. Децентрализованная ИИС

Отдельные блоки преобразования будут менее дорогими. В такой системе преобразование можно выполнять локально в месте расположения источника сигнала. Это означает, что сигналы от измерительного источника к процессору можно передавать в цифровом виде, а не в виде аналоговых сигналов, которые очень чувствительны к помехам.

Если в централизованной системе сбора данных сигналы в отдельных каналах сильно различаются по величине, то можно в центральную часть системы добавить программируемый усилитель. Тогда его коэффициент усиления будет изменяться процессором одновременно с изменением адреса канала. Однако переключение усилителя на новое значение коэффициента усиления потребует определенного времени, и из-за этого максимальная скорость сканирования в системе понизится. В связи с этим важно разбить каналы на группы с примерно одинаковым уровнем сигналов. Тогда можно будет программируемый усилитель переключать не каждый раз при обращении к новому каналу. Можно также воспользоваться субкоммутацией, предусмотрев, например, три входных мультиплексора для работы с сигналами низкого, среднего и высокого уровня и включив на выходе каждого из них свой усилитель с фиксированным коэффициентом усиления так, чтобы только после этого происходило окончательное мультиплексирование сигналов в один канал.

На вход одного из каналов системы часто подают опорный сигнал или сигнал калибровки. Тогда можно обнаруживать уход коэффициентов передачи и запрограммировать цифровой процессор на коррекцию этих ошибок.

Иногда система сбора данных должна воспринимать также ряд двоичных входных сигналов, таких, например, как положение переключателей или выходные сигналы датчиков в системах обнаружения нежелательных событий. Эти сигналы подаются прямо на отдельные входы цифрового мультиплексора или на вход процессора независимо, либо через цифровой мультиплексор, обеспечивающий переключение между выходом АЦП и цифровым входом.

Система сбора данных должна содержать также блок синхронизации и управления, работающий под управлением компьютера. Этот блок вырабатывает управляющие сигналы, необходимые для надлежащего функционирования самой системы, на основе которых генерируются адреса каналов, выдаются команды перехода в режим хранения и команды преобразования, а также устанавливаются коэффициенты усиления.

Выбор между использованием организацией независимой внешней шины и встроенной шинной зависит от конкретного назначения измерительной системы. В больших системах предпочтение отдают обмену сигналами по встроенной шине, при разработке которой принимают во внимание специальные условия эксплуатации. Однако в случае, когда возникает необходимость в измерительной системе, которой предстоит воспользоваться всего один раз, например, при испытаниях дорогой машины во время ее первоначального пуска, скорее следует применить стандартную внешнюю шину, к которой легко подключить имеющиеся измерительные приборы. Для этой цели практически всегда применяется шина ШЕЕ-488, известная под несколькими различными названиями, в том числе под названием КОП — канал общего пользования. В 1976 году эта шина была принята в Европе Международной электротехнической комиссией в качестве стандарта ШС 625−1, а в 1978 году — американским Институтом инженеров по электротехнике и электронике в качестве стандарта ШЕЕ-488. Эта шина служит гибким интерфейсом между измерительными приборами, компьютерами и периферией, то есть такими внешними устройствами, как плоттеры и принтеры.

Шина ШЕЕ-488 является средством связи коллективного пользования. Все устройства, включенные в систему, подключаются к шине параллельно. Поэтому шина, состоящая из 16 проводов или линий, подведена к каждому из участников. Шина допускает объединение в одну систему максимум 15 устройств. В принципе, каждое из входящих в систему устройств может вступить в двустороннюю связь с любым другим устройством и передать результат измерений или управляющие сигналы.

Контроллер управляет шиной, указывая, какому устройству быть источником и каким устройствам быть приемниками. Контроллер может также установить одно или несколько устройств в какой-то другой режим работы, в котором это устройство, как измерительный прибор, будет выполнять функцию, отличающуюся от уже указанных.

Сигналы, передаваемые по 16 линиям шины ШЕЕ-488, имеют уровни, принятые в транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ-сигналы). Совокупность всех линий разбивается на три подшины, каждая из которых выполняет свою функцию.

ИИС, предназначенные только для измерения и хранений информации, носят название измерительных систем (ИС).

Измерительные системы могут быть ближнего или дальнего действия. На вход системы может поступать множество изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин. Упрощенная классификация измерительных систем представлена на рис. 1.23.

Рис. 1.23. Упрощенная классификация измерительных систем

Читайте также: