Современная информационно-измерительная техника

Уравнение метода:

x-Nq -N1(q1-q2)-N2(q1-q3)£q1-q3.

Такой метод применяется, если размер ступени мер не отвечает требованиям чувствительности и точности и требуется повысить быстродействие.

Подгруппу методов измерений с использованием универсальных средств измерений трех видов - меры, устройства сравнения и масштабного преобразователя - составляют девять методов измерений. На схеме рис. 5.7 эти методы обозначены как 2-3-й методы уравновешивания, 2-5-й методы ускоренного уравновешивания, 1-2-й стробоскопические методы. Числовые обозначения методов даны условно с целью идентификации каждого из них. По этой схеме можно определить набор элементарных средств измерений для соответствующих методов измерения.

Уравнения методов рассматриваемой подгруппы:

второго метода уравновешивания

KМПрx = x0 ,(5.23)

где КМПр - коэффициент преобразования одноканального регулируемого масштабного преобразователя;

третьего метода уравновешивания -

xКМП=x0КМПр=Nxqk ; (5.24)

второго-пятого методов ускоренного уравновешивания соответственно -

xNx/Nн=x0; xNx/Nн=x0KМр; xKМПр=Nxqk; xKМП=Nxqkр , (5.25)

первого и второго стробоскопических методов соответственно -

TxKМПр=T0; Tx=T0KМПр . (5.26)

Последние два метода получили такое название в связи с тем, что в устройстве сравнения используется стробоскопический эффект. В момент уравновешивания срабатывают все устройства сравнения. Измерению подлежат величины частотно-временной группы - частота и период. Уравновешивается период (или частота) изменением известного периода Т0 либо коэффициента масштабного преобразователя. С помощью стробоэффекта определяется знак разности, равенства или кратности сравниваемых величин.

Одним из наиболее часто применяемых методов является дифференциальный метод измерений (рис. 5.12).

Во многих случаях при реализации дифференциального метода находят применениекомбинированные прямые измерения без предварительных преобразований. Процедура таких измерений состоит из двух этапов: сначала измерения производятся одним из рассмотренных методом сопоставления или уравновешивания, а затем разность измеряемой величины и выходного сигнала меры измеряется другим (или таким же, как на первом этапе) методом. На втором этапе измерений нередко используются комплексные средства измерений.

 

Возможны два варианта реализации: первый с применением на первом этапе нерегулируемой меры (см.рис.5.12,а), второй с применением регулируемой меры (см.рис.5.12,б). В обоих вариантах устройство сравнения используется в качестве вычитателя В с выходной величиной в виде разности Dр измеряемой и известной величин.

В первом варианте с помощью меры воспроизводится постоянное значение х0 и на выходе вычитателя получается разность Dp=x-x0, которая на втором этапе измеряется комплексным средством измерения. Результат измерения получается суммированием результатов обоих этапов. Такой вариант дифференциального метода применяют при близких значениях х и х0, когда точность измерения зависит только от погрешности меры.

Во втором варианте дифференциального метода на первом этапе с помощью регулируемой меры создается величина x1=Nxqk, однородная с х и близкая к ней по значению. Получаемая на выходе вычитателя В разность Dp=x-Nxqk измеряется на втором этапе с помощью комплексного средства измерений, затем результаты суммируются.

Отсчет по комплексному СИ

nx=Dp/qпр ,

где qпр - шаг квантования комплексного СИ.

Тогда результат измерений

XN = Nxqk + nxqпр . (5.27)

Очевидно, суммарная погрешность измерений при реализации метода будет зависеть как от точности меры (определяемой первым слагаемым), так и от точности комплексного средства измерений (второе слагаемое). Если принять Nxqk>>nxqпр, то точность измерения будет зависеть главным образом от точности шага квантования выходной величины меры.

 

5. АЛГОРИТМЫ  ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕДУР 5.1. Основные операции измерений и элементарные средства их реализации Основными операциями, составляющими процедуру измерения, являются: воспроизведение величин заданного размера, сравнение величин, измерительные преобразования. К ним следует добавить также операции, общие для всех информационных процедур: передача, коммутация, запоминание. Каждая из этих операций может быть описана с помощью математических выражений. Средства измерений (СИ), с помощью которых реализуются те или иные операции измерительной процедуры, называются элементарными средствами измерений. СИ, с помощью которых реализуются измерительные процедуры, состоящие из нескольких операций, называют комплексными средствами измерений. Главная отличительная особенность, разделяющая эти два вида СИ, состоит в том, что с помощью любого другого элементарного СИ нельзя определить значение величины; в то время как процедура измерений, выполненная с помощью комплексных средств измерений, завершается получением значения измеряемой величины. К элементарным СИ относятся: устройства сравнения, меры, измерительные и масштабные преобразователи; к комплексным - измерительные приборы и системы. Подвоспроизведением величины заданного размера понимается создание выходного сигнала с заданным размером информативного параметра. Эта операция выполняется с помощью меры. Меру можно рассматривать как преобразователь, входной величиной которого следует считать числовое значение величины Nx, а выходной - квантованную аналоговую величину заданного размера хn=Nxqx. Поскольку на входе и выходе цифроаналогового преобразователя имеются соответственно именно такие величины, то его можно считать автоматически управляемой мерой. Регулирование меры может осуществляется как по детерминированному, так и по случайному закону. Примером детерминированного закона является закон "лесенки": xN(t)=Nx(t)qk,характеризующий изменение Nx(t) от 0 до Nн через одинаковые интервалы времени единичными ступенями. Меры подразделяются на однозначные, многозначные, наборы мер, магазины мер. Под однозначной мерой понимается мера, воспроизводящая физическую величину одного размера, под многозначной - мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров. Кроме того, различаются меры одно- и многоканальные, регулируемые и нерегулируемые. Однозначная мера может быть только одноканальной нерегулируемой (рис. 5.1) (например, образцовое электросопротивление в виде измерительных безреактивных катушек), описываемой уравнениями xN=Nxqk=const; Nx=const; qk=const.  

Рис.5.1. Разновидности мер: а - одноканальная нерегулируемая;

б - одноканальная регулируемая; в - многоканальная нерегулируемая;

г - многоканальная регулируемая  

 

Многозначная мера может быть:

одноканальной регулируемой (рис.5.1,б), когда в данный момент времени воспроизводится только один размер. т.е. осуществляется временное разделение величин (например, магазин емкостей), ее уравнение

xN=Nxq; Nx=var; qk=const;

многоканальный нерегулируемой (рис.5.1,в), одновременно воспроизводящей несколько размеров заданной величины (например, нерегулируемый делитель напряжения), ее уравнение

xNi=Niqk=const;

многоканальной регулируемой, воспроизводящей одновременно несколько величин, размеры которых могут изменяться (рис.5.1,г), ее уравнение

=Niqk=var при Ni=var; qk=var.

Характерной особенностью многоканальных мер является пространственное разделение выходных величин.

Другой важнейшей операцией, входящей в процедуру измерения, являетсясравнение величин, под которым понимается определение соотношения однородных величин по знаку их разности (иногда по другому признаку). Совокупность и последовательность выполнения приемов использования физических принципов и явлений, необходимых для осуществления сравнения величин, называют методом сравнения, а соответствующее техническое средство - устройством сравнения (УС).

Устройство сравнения чаще всего состоит (рис.5.2,а) из вычитателя В, создающего разность сравниваемых сигналов Dp=x1-x2 , и релейного элемента (РЭ), реагирующего на знак разности Dp. В аналоговых устройствах релейный элемент часто отсутствует.

Сравнение может быть одно- и разновременным. Если осуществляется операция одновременного вычитания, то УС реализуется двухканальной структурой (рис.5.2,а). Выходной сигнал ai, несущий информацию о результате сравнения, чаще всего представляется логическими "1" или "0":

 (5.1)

 

Рис.5.2. Разновидности устройств сравнения: а - на основе одновременного

вычитания; б - на основе разновременного вычитания; в - на основе деления  

 

Операция сравнения разновременным вычитанием может быть осуществлена одноканальным УС (рис.5.2, б). С помощью переключателя П, управляемого сигналами, поступающими с генератора, создается переменный сигнал с частотой, равной частоте генератора, и фазой, содержащей информацию о соотношении между сравниваемыми величинами.

Иногда сравнение однородных величин осуществляется с помощью операции деления (рис.5.2, в):

 (5.2)

Измерительными преобразованиями называются преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации (удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи по каналам связи), осуществляемые с заданной точностью. К числу измерительных преобразований можно отнести следующие операции: изменение физического рода сигнала или величины; масштабно-линейные, масштабно-временные (смещение, сжатие или растяжение во времени), нелинейные или функциональные преобразования; модуляция, квантование, дискретизация.

Из перечисленных видов измерительных преобразований остановимся намасштабировании, являющемся одной из основных операций процедуры измерения.

Масштабированием называется измерительное преобразование, осуществляемое с целью изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз с заданной степенью точности. Соответственно, масштабный преобразователь (МП) – средство измерений, с помощью которого осуществляется масштабирование.

Метод масштабирования - совокупность приемов использования физических явлений и процессов, положенных в основу работы масштабного преобразователя.

Масштабные преобразователи могут быть одно- и многозначными, одно- и многоканальными с регулируемым и нерегулируемым коэффициентом преобразования Кмп (рис.5.3). 

 

 

Рис.5.3. Разновидности масштабных преобразователей: а - одноканальный

нерегулируемый; б - одноканальный регулируемый; в - многоканальный

нерегулируемый; г - многоканальный регулируемый

Регулируемые масштабные преобразователи (рис.5.3,б,г) отличает от нерегулируемых (рис.5.3,а,в) возможность изменения коэффициента преобразования Кмп. Многоканальные масштабные преобразователи могут быть с временным (рис.5.3,б) и пространственным разделением (рис.5.3,в,г).

Уравнения измерения:

одноканального нерегулируемого масштабного преобразователя

х1=Кмпх; (5.3)

многоканального нерегулируемого масштабного преобразователя с пространственным разделением

хi=Кiмпх; (5.4)

многоканального регулируемого масштабного преобразователя с временным и пространственным разделениями

хi=Кiмпрх(t)x. (5.5)