Контрольная работа по "Радиоэлектронике"

 

 

 

 

 

 

 

Домашняя контрольная  работа

по дисциплине «Измерительные системы».

 

 

 

 

 

   

                                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2012

 

1. Описать  измерительные приборы магнито-электрической системы.

 

Приборы магнитоэлектрической системы работают на принципе взаимодействия катушки с током и поля постоянного  магнита. На фиг. 327 показано устройство прибора этой системы. Сильный постоянный подковообразный магнит 1, изготовленный из кобальтовой, вольфрамовой или никель-алюминиевой стали, создает магнитное поле. К концам магнита приведены полюсные наконечники 2 из мягкой стали, имеющие цилиндрические выточки. Между полюсными наконечниками неподвижно укреплен стальной цилиндр 3, служащий для уменьшения сопротивления магнитной цепи.

Кроме того, цилиндр играет и другую роль. Магнитные  линии выходят из полюсных наконечников и, в силу того что магнитная проницаемость  стали значительно больше, чем  у воздуха, радиально входят в цилиндр, образуя в воздушном зазоре практически однородное магнитное поле. Такое же поле создается при выходе магнитных линий из цилиндра. Цилиндр охватывает легкая алюминиевая рамка 4 с намотанной на ней обмоткой (катушкой) 5, выполненной из изолированной медной проволоки. Рамка сидит на оси 6, лежащей в подпятниках 7. На оси крепится также алюминиевая стрелка 8. Противодействующий момент создается двумя плоскими спиральными пружинами 9, служащими одновременно для подвода тока к обмотке прибора. 
 
Зажимы прибора выводятся наружу прибора и соединяются проводниками со спиральными пружинками. 
 
При пропускании тока по виткам обмотки в результате взаимодействия тока в проводниках и магнитного поля подковообразного магнита возникает механическая сила, направление которой можно определить по «правилу левой руки». На другой стороне обмотки возникает такая же по величине сила, но противоположного направления. Образуется пара сил. Под действием этой пары сил катушка будет поворачиваться. Сила взаимодействия зависит от величины магнитной индукции В, тока в катушке I, числа витков катушки  и активной длины катушки l:

Колебания алюминиевой  рамки с обмоткой в магнитном  поле вызывают появление в рамке  индуктированного тока, который по правилу Ленца будет противодействовать этим колебаниям и тем самым успокаивать  подвижную часть прибора. Неизменность индукции во всех точках воздушного зазора обеспечивает пропорциональность между  током в обмотке и углом  поворота подвижной части, вследствие чего шкала прибора равномерна. 
 
Магнитоэлектрические приборы являются наиболее чувствительными и точными из всех существующих приборов с непосредственным отсчетам. Они изготовляются как в виде лабораторных многопредельных приборов класса точности 0,1—0,5, так и в виде технических приборов класса 1—1,5. 
 
Обладая большой точностью, высокой чувствительностью, равномерной шкалой, малым потреблением энергии (0,5—3 Вт), малым влиянием на них внешних магнитных полей, хорошим успокоением, магнитоэлектрические приборы нашли широкое применение в цепях постоянного тока в качестве амперметров, вольтметров, миллиамперметров, милливольтметров и т. д. 
 
К недостаткам приборов этой системы относятся: высокая стоимость, чувствительность к перегрузкам и пригодность только для постоянного тока. В самом деле при пропускании по обмотке переменного тока подвижная часть прибора должна была бы отклоняться то в одну, то в другую сторону. Но ввиду быстрых изменений тока в катушке подвижная часть, обладая инерцией, не будет успевать за ними, и стрелка прибора останется неподвижной. Для измерения малых значений заряда, тока и напряжения применяются гальванометры, получившие преимущественное применение при нулевых методах измерений, когда нужно обнаружить отсутствие тока в той или иной части измерительной схемы. При измерениях на постоянном токе почти исключительно применяются магнитоэлектрические гальванометры. 
 
Принцип действия и устройство магнитоэлектрических гальванометров те же, что и других приборов системы. Однако у гальванометров приняты меры, обеспечивающие уменьшение веса подвижной части прибора и уменьшение трения. Многовитковая катушка (рамка) гальванометров выполняется из изолированного провода и для придания ей жесткости пропитывается обмоточным лаком. Рамка имеет так называемые без моментные волоски для подвода к ней тока. 
 
У грубых гальванометров (микроамперметров) подвижная часть установлена на осях и кернах. Гальванометры высокой чувствительности имеют рамку, подвешенную на длинных нитях из фосфористой бронзы или на так называемых растяжках. Рачка высокочувствительных гальванометров снабжается зеркальцем. Световой луч посылается от специального источника света на зеркальце к отразившись от него, попадает на шкалу, установленную на определенном расстоянии от гальванометра. 
 
Гальванометры могут непосредственно измерять токи от 10^-6 до 10^-12 А.

 

 

2. Современные измерительные системы

 

Измерительная информационная система (ИИС) -  это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных  технических средств, для получения  измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления  потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления  логических функций контроля, диагностики, идентификации и др.

Измерительная система (ИС) — совокупность определенным образом соединенных между собой линиями связи средств измерений (измерительных преобразователей, мер, измерительных коммутаторов, измерительных приборов) и других технических устройств (компонентов измерительной системы), образующих измерительные каналы, реализующая процесс измерений и обеспечивающая автоматическое (автоматизированное) получение результатов измерений (выражаемых числом или кодом) в общем случае изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин, характеризующих определенные свойства (состояние) объекта измерений.

Измерительные системы  обладают основными признаками средств  измерений и являются их специфической разновидностью/3/.

 Основными областями  применения собственно измерительных  систем являются научные исследования, испытания различных объектов, учетные операции, и др.

 

Назначение и  виды ИИС

    Основными  признаками ИИС являются: область  применения; способ

комплектования; структура, виды входных сигналов; виды измерений; режим

работы, функциональные свойства компонентов.

    По области  применения ИИС делят на группы:

− для научных  исследований;

− для испытаний  и контроля сложных изделий;

− для управления технологическими процессами.

    По способу  комплектования:

− агрегатированные;

− неагрегатированные,     состоящие     из    компонентов,   специально

   разработанных для конкретных систем.

    Агрегатированные  ИИС, как правило, включают  универсальное

ядро - ИВК, на основе которого, используя датчики различных физических

величин можно строить  ИИС различного назначения.

    По структурным  признакам:

− системы параллельно-последовательной структуры. Основным признаком

   такой структуры  служит наличие ИК циклически  коммутируемого с

   множеством  датчиков;

− системы параллельной структуры, включающие множество одновременно

   работающих  каналов, выходные системы которых  преобразуются

   функциональным  единым преобразователем и обрабатываются  в одном

   вычислительном  устройстве.

    Сигналы  на входе ИИС могут быть  непрерывными или дискретными,

детерминированными  или случайными.

    В зависимости  от соотношения между скоростью  изменения входных

сигналов и инерционными свойствами системы различают два  основных

режима работы ИИС: статический и динамический. В динамическом режиме

инерционные свойства системы оказывают влияние на результат измерения.

    Под компонентом  ИИС понимают входящие в состав  ИИС технические

устройства, выполняющие  одну из функций, предусматриваемых  процессом

измерений и преобразования измерительной информации в другие виды

информации. В соответствии с функциями, компоненты подразделяют на

измерительные, связующие, вычислительные и информационные.

    Измерительный  компонент ИИС – средство измерений:  измерительный

прибор, измерительный  преобразователь, мера, измерительный  коммутатор.

    Измерительные     компоненты     по    характеру    функциональных

преобразований  подразделяются на аналого-цифровые и цифроаналоговые.

Аналоговые измерительные  компоненты могут быть линейными  и

нелинейными, аналого-цифровые по своей природе являются нелинейными

устройствами.

 

 

 

Структура измерительной  информационной системы:

Для каждого типа ИИС используется цепочка из аппаратных модулей (измерительных, управляющих, интерфейсных, обрабатывающих). Таким образом, структурная схема  ИИС содержит:

1. множество разновидностей первичных измерительных преобразователей, размещенных в определенных точках пространства стационарно или перемещающихся в пространстве по определенному закону;
2. множество измерительных преобразователей.
3. группу аналого-цифровых преобразователей, а также аналоговых устройств допускового контроля;
4. множество цифровых устройств, содержащее формирователи импульсов, преобразователи кодов, коммутаторы, специализированные цифровые вычислительные устройства, устройство памяти, устройство сравнения кодов, каналы цифровой связи, универсальные программируемые вычислительные устройства - микропроцессоры, микроЭВМ и др.;
5. группу цифровых устройств вывода, отображения и регистрации;
6. указанные функциональные блоки соединяются между собой через стандартные интерфейсы или устанавливаются жесткие связи;
7. интерфейсные устройства (ИФУ), содержащие системы шин, интерфейсные узлы  и интерфейсные устройства аналоговых блоков, служащие для приема командных сигналов и передачи информации о состоянии блоков.;
8. устройство управления, формирующее командную информацию, принимающее информацию от функциональных блоков и подающее команды на исполнительные устройства для формирования воздействия на объект исследования (ОИ).

Примеры:

− ИИС для научных  исследований – системы, для которых  характерно

  разнообразие  измеряемых величин, сложность  обработки информации,

  использование  ЭВМ с большими объемами памяти;

                                

 − ИИС в  составе систем контроля и  испытаний сложных изделий

  (летательных аппаратов, транспортных машиностроительных объектов,

  двигателей) –  характеризуются    многоканальностью,  разнообразием

  измеряемых  величин, наличием в их составе  устройств встроенного

  контроля МХ. В комплекс технических средств  для статических

  испытаний летательных  аппаратов входят ИИС местных  деформаций,

  ИИС перемещений,  нагрузок и т.д.;

− ИИС в составе  АСУ ТП – характеризуются разнесенностью первичных

  преобразователей  в производстве, протяженностью  линий связи,

  привязкой к конкретному объекту (энергоблоков, энергосистем,

  химических  производств и т.д.);

− ИИС в системах летных испытаний летательных аппаратов  – содержат

  наземную и бортовую части, характеризуется наличием сложных

  связующих компонентов,  наличием радиоканалов, средств хранения

  измерительной  информации;

− ИИС      в    системах    получения   навигационной  информации –

   характеризуются  разнообразием измеряемых величин,  применением

  сложных СИ, для которых не устанавливается  тип и используются

  индивидуальные  МХ СИ.

3. Цифровые приборы

 
Цифровой измерительный прибор (ЦИП) — средство измерений, автоматически  вырабатывающее сигналы измерительной  информации в цифровой форме. Цифровой измерительный прибор имеет ряд  преимуществ перед аналоговыми приборами: удобство отсчитывания значений измеряемой величины, возможность полной автоматизации процесса измерений, регистрация результатов измерения с помощью цифро-печатающих устройств и перфораторов. Поскольку результат измерения в ЦИП выражен в цифровом коде, измерительную информацию можно вводить в цифровую ЭВМ. 

 
В ЦИП происходит преобразование непрерывной  измеряемой величины в цифровой код. Осуществляется этот процесс с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), в котором сигнал измерительной информации подвергается дискретизации, квантованию и кодированию. 
Дискретизация, т. е. процесс преобразования непрерывного сигнала измерительной информации в дискретный, может осуществляться как по времени, так и по уровню. Дискретизация по времени выполняется путем взятия отсчетов сигнала X(t) в определенные детерминированные моменты времени. Таким образом, от сигнала измерительной информации сохраняется только совокупность отдельных значений. Промежуток времени между двумя моментами дискретизации называют шагом дискретизации. Обычно моменты отсчетов на оси времени выбираются равномерно, т. е. шаг дискретизации постоянен. 
Дискретизация значений измерительного сигнала по уровню носит название квантования. Операция квантования сводится к тому, что непрерывная по времени и амплитуде величина заменяется ближайшим фиксированным значением по установленной шкале дискретных уровней. Эти дискретные (разрешенные) уровни образованы по определенному закону с помощью мер. Разность   между двумя разрешенными уровнями называют интервалом (шагом или ступенью) квантования. Интервал квантования может быть как постоянным, так и переменным. Временная дискретизация измерительного сигнала имеет смысл, когда его величина изменяется во времени. Если измерительный сигнал постоянен, достаточно осуществить квантование. Особым случаем является измерение времени (временного интервала). Процесс дискретизации здесь теряет смысл, и осуществляется квантование самого времени. 
Следующим преобразованием измерительного сигнала, является кодирование. Цифровым кодом называется последовательность цифр или сигналов, подчиняющаяся определенному закону, с помощью которой осуществляется условное представление численного значения величины.

Следующий этап преобразований в ЦИП заключается в превращении цифрового кода в показания цифрового отсчетного устройства. Для этого необходим дешифратор, который превращает кодовые группы в соответствующие напряжения, управляющие работой цифрового индикатора. 
Рассмотренная последовательность преобразований, осуществляемая в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), дешифраторе и цифровом индикаторе, конечно дает упрощенное представление о работе ЦИП. Примером может служить случай измерения постоянной величины. Для этого достаточно одного цикла преобразований, в результате которого получится кодовая группа. Но кодовая группа это «пакет» импульсов, передаваемый в течение короткого интервала времени. Результат измерений должен сохраняться на экране достаточно долго, например до следующего цикла. Поэтому в состав ЦИП должно входить запоминающее устройство (ЗУ). 
Перечислим возможные режимы работы ЦИП и их характеристики: 
 
Режим однократного измерения. Этот режим удобен, когда измеряемый параметр постоянен. Команда на проведение измерения подается оператором, результат измерения хранится в запоминающем устройстве и воспроизводится на цифровом индикаторе. В ЦИП осуществляется квантование измерительного сигнала и его кодирование. 
 
Режим периодического измерения. Процесс измерения повторяется периодически через интервал  , установленный оператором. В ЦИП осуществляются операции дискретизации, квантования и кодирования. После каждого цикла измерения результат на экране цифрового индикатора обновляется.  
 
Следящий режим измерения. Цикл измерения повторяется, после того как изменение измеряемой величины превысит ступень квантования.  
Помимо погрешности измерения, к числу важных характеристик ЦИП относится его быстродействие, время измерения и помехоустойчивость. Под быстродействием ЦИП понимается максимальное число измерений, выполняемых в единицу времени с нормированной погрешностью. Время измерения — интервал от начала цикла преобразования измеряемой величины до получения результата. Под помехоустойчивостью понимают способность ЦИП с нормированной погрешностью производить измерения при наличии помех. 
Быстродействие ЦИП очень высокое. Современная элементная база позволяет строить ЦИП, обеспечивающие до 10⁷ преобразований в секунду. Это, однако, оказывается излишним, поскольку регистрирующие устройства обеспечивают фиксацию не более 100 результатов измерений в секунду. При визуальном наблюдении требования к быстродействию резко снижаются, поскольку оператор способен оценить не более 2—3 результатов измерений в секунду. 
 
Основные технические характеристики ЦИП: 
 
1) номинальная статическая характеристика преобразования; 
 
2) диапазон измерений; 
 
3) вид кода, применяемого в АЦП, количество разрядов, вес единицы младшего разряда кода; 
 
4) разрешающая способность, характеризующаяся количеством уровней квантования; 
 
5) входное сопротивление; 
 
6) быстродействие; 
 
7) помехоустойчивость – способность ЦИП выполнять свои функции в условиях воздействия помех, численно характеризуется коэффициентом подавления помех на входе ИП; 
 
8) время измерения – интервал времени от момента начала цикла преобразования измеряемой физической величины до момента высвечивания показания на табло; 
 
9) погрешности. Нормируются 4 основных составляющих погрешности: 
 
- погрешность дискретизации; 
 
- погрешность реализации уровней квантования; 
 
- погрешность сравнения; 
 
- погрешность от воздействия помех. 
 
Первая относится к методическим погрешностям, остальные – к инструментальным и обусловлены технической реализацией ИП; 
 
10) класс точности. Обычно в ЦИП для установления класса точности нормируется относительная погрешность, рассчитываемая по так называемой «двухчленной формуле».