Автоматические системы измерений, контроля и испытаний

 МИНОБРНАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Тверской государственный технический университет»

(ФГБОУ ВПО «ТГТУ»)

Кафедра Стандартизации, сертификации и управления качеством

 

 

 

 

 

Реферат

На тему:

«Автоматические системы измерений, контроля и испытаний»

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 5курса

Очного факультета

группы СМ-М-2014

Беляева А.С.

Принял: Хазов И.Ю.

 

 

 

 

 

Тверь 2014

Содержание

 

1 Цели и задачи автоматизации……………………………………3

2 Автоматизация измерительного процесса…………………………………….5

3 Обобщенные структурные схемы процессов измерения и контроля………..7

3.1 Схема процесса измерения  и ее анализ с точки зрения  автоматизации……………………………………………………………………..7

3.2 Процесс контроля и  возможности его автоматизации………………9

4 Базовые элементы технического обеспечения автоматических систем измерений и контроля…………………………………………………………...11

4.1 Измерительные преобразователи…………………………………….11

4.1.1 Классификация измерительных преобразователей………..12

4.2 Операционные усилители…………………………………………..12

4.2.1 Усилитель с единичным коэффициентом усиления (повторитель напряжения)………………………………………………..13

4.2.2. Сумматоры…………………………………………………..14

4.2.3 Интеграторы…………………………………………………15

4.2.4 Дифференциаторы……………………………………………16

4.2.5 Компараторы………………………………………………..17

4.3 Коммутация измерительных сигналов…………………………….18

4.4 Аналого-цифровое преобразование……………………………….19

 

 

1. Цели и задачи автоматизации

 

Под термином «автоматизация» понимается совокупность методических, технических и программных средств, обеспечивающих проведение процесса измерения без непосредственного участия человека. Автоматизация является одним из основных направлений научно-технического прогресса.

Цели автоматизации:

1) Научные:

- Повышение эффективности  и качества научных результатов  за счет более полного исследования  моделей.

- Повышение точности и  достоверности результатов исследований  за счет оптимизации эксперимента.

- Получение качественно  новых научных результатов, невозможных  без ЭВМ.

2) Технические:

- Повышение качества продукции  за счет повторяемости операций, увеличения числа измерений и  получения более полных данных  о свойствах изделий.

- Повышение надежности  изделий за счет получения  боле полных данных о процессах  старения и их предшественниках.

3) Экономические:

- Экономия трудовых ресурсов  за счет замены труда человека  трудом машины.

- Сокращение за трат в промышленности за счет уменьшения трудоемкости работ.

- Повышение производительности  труда на основе оптимального  распределения работ между человеком  и машиной и ликвидации неполной  загрузки при эпизодическом обслуживании  объекта.

4) Социальные:

- Повышение интеллектуального  потенциала за счет поручения  рутинных операций машине.

- Ликвидация случаев занятости  персонала операций в нежелательных  условиях.

- Освобождение человека  от тяжелого физического труда  и использование сэкономленного  времени для удовлетворения духовных  потребностей.

Самым мощным средством в интенсификации труда практически во всех сферах человеческой деятельности является широкое применение средств вычислительной техники.

Обобщенная структурная схема СИ, присущая любому измерительному прибору, устройству, системе, приведена на рис. 1.1. Анализ этой схемы приводит к определению основных задач автоматизации.

Рис.1.1 Обобщенная структурная схема средств измерений

При автоматизации сбора измерительной информации необходимо обеспечить:

- унификацию выходных  сигналов измерительных преобразователей;

- программно-управляемую  коммутацию сигналов на общий  канал связи;

- автоматический выбор  диапазонов измерений.

При автоматизации операций измерительной цепи (канала) необходимо обеспечить:

- прием информации;

- фильтрацию;                                                                         типовой

- усиление;                                                                               набор

- аналого-цифровое преобразование.                                   операций

При автоматизации передачи информации в ЭВМ необходимо

обеспечить:

- согласование измерительной  цепи с информационной магистралью  вычислительной устройства (интерфейс).

Интерфейс определяет формат передаваемой и принимаемой информации, уровни сигналов, организацию управляющих сигналов и т.д.

Автоматизация обработки измерительной информации предполагает:

- включение в измерительную  цепь вычислительных средств (серийно  выпускаемых ЭВМ);

- разработку специализированных  средств на базе микропроцессорных  средств.

 

2. Автоматизация измерительного процесса

 

Необходимость измерения огромного количества разнообразных физических величин потребовала разработки средств измерений, позволяющих получать необходимую информацию без непосредственного участия человека, т.е. выполняющих измерения автоматически.

Автоматизация позволяет обеспечить:

- сбор измерительной информации  в местах, недоступных для человека;

- длительные, многократные  измерения;

- одновременное измерение  большого числа величин;

- измерение параметров  быстропротекающих процессов;

- измерения, характеризующиеся  большими массивами информации  и сложными алгоритмами ее обработки.

Следует различать полную и частичную автоматизацию. Процесс измерения, при котором обратная связь управления осуществляется без участия человека называется автоматическим. Если оператор является одним из звеньев в цепи получения измерительной информации – речь идет об автоматизированных измерениях.

Автоматизация измерений не принижает роль исследователя, инженера или техника, планирующих и использующих результаты измерений. Наоборот, она повышает производительность их труда, требует от них более высокого уровня знаний не только средств измерений но и тех задач, которые решаются при приеме и обработке измерительной информации, умения заложить оптимальную программу измерений и дать правильное толкование результатов измерения.

Автоматические средства измерений в процессе своего развития прошли ряд этапов становления.

На первом этапе развития автоматизации подвергались лишь средства сбора измерительной информации и ее регистрации на аналоговых индицирующих и регистрирующих устройствах. Обработку результатов измерений и выработку соответствующих решений и исполнительных команд осуществлял оператор. В подобных системах управления объектом средства измерений представляли собой набор отдельных измерительных приборов. В результате при измерении большого числа параметров объекта оператор был не в состоянии охватить всю полученную информацию и принять оптимальное решение по управлению объектом. Это приводило к расширению штата обслуживающего персонала, к снижению надежности и качества управления и возрастанию эксплуатационных расходов.

На втором этапе все возрастающие требования к средствам измерений, обусловленные интенсификацией потоков измерительной информации, привели к созданию информационно – измерительных систем. В отличие от измерительного прибора информационно – измерительная система обеспечивает измерение большого количества параметров объекта и осуществляет автоматическую обработку получаемой информации с помощью встроенных в систему вычислительных средств. В задачу оператора системы управления теперь стали входить только принятие решений по результатам измерений и выработка команд управления. Централизованный сбор информации и ее обработка с помощью средств вычислительной техники резко повысило производительность труда, но не освободило его от ответственности за управление объектом, обслуживаемого системой.

На третьем этапе развития появились информационно-управляющие системы и информационно – вычислительные комплексы, в которых осуществляется полный замкнутый цикл обращения информации от ее получения до обработки, принятия соответствующих решений и выдачи команд управления на объект без участия оператора. Главное достоинство таких систем заключается в том, что алгоритм работы систем стал программно – управляемым, легко перестраиваемым при изменении режимов работы или условий эксплуатации объекта. Труд оператора сводится к диагностике состояния системы управления, разработке методик измерения и программ функционирования. Выделение этапов развития СИ является приближенным и зависит от тех направлений науки и техники, в которых исследуются вопросы применения измерительной техники.

 

3. Обобщенные структурные схемы процессов измерения и контроля

3.1 Схема процесса измерения и ее анализ с точки зрения автоматизации

 

Типовая схема автоматизированных измерений изображена на рис. 3.1. Объектом измерения может быть некоторый процесс, явление или устройство. Измеряемые величины воспринимаются датчиками, с выходов которых электрические сигналы поступают на коммутатор. Коммутатор повышает коэффициент использования измерительной установки при многоканальных измерениях. Опрос датчиков может быть циклическим (параметры однородны и стационарны), программным (параметры стационарны, но неоднородны) или адаптивным (параметры нестационарны). Электрический сигнал с выбранного коммутатором датчика преобразуется в цифровой код в АЦП. Интерфейс обеспечивает сопряжение измерительного канала с ЭВМ. Далее измерительная информация подвергается обработке по заданной программе в ЭВМ и представляется в удобной форме на экране дисплея или отпечатанной на бумаге. База данных (БД) предназначена для хранения необходимой измерительной и справочной информации.

Рис. 3.1. Обобщенная структурная схема процесса автоматизированного измерения

ЦАП используется для двух целей: представление результатов измерений в аналоговой форме с дальнейшим их преобразованием в графическую форму и преобразования команд ЭВМ в аналоговые сигналы с целью управления объектом измерений. Канал управления позволяет активно воздействовать на объект (нагревать, охлаждать, облучать, деформировать, перестраивать), следя одновременно за реакцией его на эти воздействия. Наличие ЭВМ позволяет производить вычислительный эксперимент.

 

 

2. Процесс контроля и возможности его автоматизации

 

Процесс контроля сводится к проверке соответствия объекта установленным техническим требованиям. Сущность контроля (ГОСТ 1650 – 81) заключается в проведении двух основных операций:

- получение информации о фактическом состоянии объекта, о признаках и показателях его свойств (первичная информация);

- сопоставление первичной информации с заранее установленными требованиями, нормами, критериями ( вторичная информация).

Заранее установленные требования к объекту контроля могут быть представлены в виде образцового изделия или в виде перечня определенных параметров и их значений с указанием полей допуска.

Граничные значения областей состояния контролируемого параметра называют нормами.

Рис.3.2. Обобщенная структурная схема системы автоматического контроля

Отличие измерения и контроля состоит в том, что при измерении измеряемую величину сравнивают с единицей определенной физической величины с целью получения количественной информации, а при контроле физический параметр сравнивают с его нормой с целью определения отклонений данного параметра (качественная характеристика объекта – “годен”-“не годен”).

Совокупность технических средств, с помощью которых выполняются операции автоматического контроля, называются системами автоматического контроля (САУ). Данные системы являются одним из основных звеньев САУ и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).

На рис. 3.2 приведена обобщенная структурная схема системы автоматического контроля. Кратко рассмотрим основное назначение составных частей, входящих в эту систему.

Подсистема коммутации и связи – служит для непосредственного подключения системы к объекту контроля. Она может осуществляться с помощью проводных или кабельных линий, либо использования высокочастотного радиоканала. В состав подсистемы входят устройства коммутации контролируемых и стимулирующих сигналов.