Автоматические системы измерений, контроля и испытаний

Подсистема ИП и генераторов испытательных воздействий – содержит преобразователи различных физических величин, нормализаторы их выходных сигналов в унифицированные электрические сигналы, а также генераторы испытательных сигналов, формирующие воздействия на объект контроля.

Подсистема согласующих преобразователей - состоит из преобразователей унифицированных аналоговых сигналов в код (АЦП – для сигналов напряжения, тока и частотно-цифровые – для частотных сигналов) и обратных преобразователей «код – аналог» для формирования испытательных воздействий.

Операционная подсистема – представляет собой специализированную ЭВМ, которая может быть выполнена на микропроцессорных комплексах БИС.

Подсистема ввода – вывода – включает устройства, обеспечивающие связь оператора с системой (пульт управления, дисплей, электрические пишущие машины и др.), устройства регистрации информации, внешние долговременные запоминающие устройства, а также средства подготовки и ввода программ, например, программ управления ЭВМ ( загрузчики, ассемблеры, редакторы, монитор и т.д.).

Принципы сопряжения ЭВМ с другими подсистемами основаны на применении стандартных каналов передачи данных.

 

4 Базовые элементы технического обеспечения автоматических систем измерений и контроля

4.1 Измерительные преобразователи

 

Измерительный преобразователь (ИП) – техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований или передачи (РМГ 29-99).

В зависимости от назначения ИП делятся на масштабные, служащие для изменения значения величины в заданное число раз, и преобразователи рода величины: преобразователи электрических величин в электрические величины (электрическая величина – в цифровой код; напряжение – в частоту); неэлектрических величин в электрические (терморезисторы, термопары, тензодатчики); магнитных величин в электрические (индукционные, гальванометрические преобразователи); электрических величин в неэлектрические (измерительные механизмы электромеханических приборов).

По месту, занимаемому в измерительной цепи, ИП делятся на первичные, промежуточные и т. д. На первичный ИП непосредственно воздействует измеряемая физическая величина (ФВ).

Рис. 4.1. Измерительная цепь

Конструктивно ИП выполняются либо в виде отдельных блоков, либо являются составной частью СИ.

 

4.1.1 Классификация измерительных преобразователей

Измерительные преобразователи классифицируют по роду измеряемой ФВ (температуры, давления, влажности и др.) и по выходной величине (генераторные, параметрические).

Выходным сигналом генераторных датчиков является ЭДС, напряжение, ток или электрический заряд, функционально связанные с измеряемой величиной. В параметрических преобразователях выходной величиной является изменение параметра электрической цепи (R, L, C).

Генераторные измерительные преобразователи:

1) Термоэлектрические преобразователи (термопары);

2) Пьезоэлектрические преобразователи.

Параметрические измерительные преобразователи

1) Термометры сопротивления;

2) Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы);

3) Индуктивные преобразователи.

 

4.2 Операционные усилители

 

Операционный усилитель (ОУ) - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления. Для усилителя напряжения передаточная функция (коэффициент усиления) определяется выражением

 

Для упрощения конструкторских расчетов предполагается, что идеальный ОУ имеет следующие характеристики.

1. Коэффициент усиления  при разомкнутой петле обратной  связи равен бесконечности.

2. Входное сопротивление  Rd равно бесконечности.

3. Выходное сопротивление R0 = 0.

4. Ширина полосы пропускания  равна бесконечности.

5. V0= 0 при V1= V2 (отсутствует  напряжение смещения нуля).

Последняя характеристика очень важна. Так как V1-V2 = V0 / А, то если V0 имеет конечное значение, а коэффициент А бесконечно велик (типичное значение 100000) будем иметь V1- V2 = 0 и V1= V2.

Поскольку входное сопротивление для дифференциального сигнала(V1 - V2) также очень велико, то можно пренебречь током через Rd .Эти два допущения существенно упрощают разработку схем на ОУ.

Правило1. При работе ОУ в линейной области на двух его входах действуют одинаковые напряжения.

Правило2. Входные токи для обоих входов ОУ равны нулю.

Рассмотрим базовые схемные блоки на ОУ. В большинстве этих схем ОУ используется в конфигурации с замкнутой петлей обратной связи.

 

4.2.1 Усилитель с единичным коэффициентом усиления (повторитель напряжения)

Если в неинвертирующем усилителе положить Ri равным бесконечности, а Rf равным нулю, то мы придем к схеме, изображенной на рис. 4.2.

 

Рис.4.2. Повторитель напряжения

Согласно правилу 1, на инвертирующем входе ОУ тоже действует входное напряжение Vi, которое непосредственно передается на выход схемы. Следовательно, V0 = Vi, и выходное напряжение отслеживает (повторяет) входное напряжение. У многих аналого-цифровых преобразователей входное сопротивление зависит от значения аналогичного входного сигнала. С помощью повторителя напряжения обеспечивается постоянство входного сопротивления.

 

4.2.2 Сумматоры

Инвертирующий усилитель может суммировать несколько входных напряжений. Каждый вход сумматора соединяется с инвертирующим входом ОУ через взвешивающий резистор. Инвертирующий вход называется суммирующим узлом, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи. Базовая принципиальная схема суммирующего усилителя представлена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Базовая принципиальная схема суммирующего усилителя

Как и в обычном инвертирующем усилителе, напряжение на инвертирующем входе должно быть равно нулю, следовательно, равен нулю

и ток, втекающий в ОУ. Таким образом, if = i1 + i2 + . . . + in

Так как на инвертирующем входе действует нулевое напряжение, то после соответствующих подстановок, получаем

Резистор Rf определяет общее усиление схемы. Сопротивления R1, R2, . . . Rn задают значения весовых коэффициентов и входных сопротивлений соответствующих каналов.

 

4.2.3 Интеграторы

Интегратор – это электронная схема, которая вырабатывает выходной сигнал, пропорциональный интегралу (по времени) от входного сигнала.

Рис. 4.4. Принципиальная схема аналогового интегратора

На рис. 4.4 показана принципиальная схема простого аналогового интегратора. Один вывод интегратора присоединен к суммирующему узлу, а другой – к выходу интегратора. Следовательно, напряжение на конденсаторе одновременно является выходным напряжением. Выходной сигнал интегратора не удается описать простой алгебраической зависимостью, поскольку при фиксированном входном напряжении выходное напряжение изменяется со скоростью, определяемом параметрами Vi ,R и C. Таким образом, для того, чтобы найти выходное напряжение, нужно знать длительность действия входного сигнала.

 

Напряжение на первоначально разряженном конденсаторе

где if – через конденсатор и ti - время интегрирования. Для положительного Vi имеем ii = Vi/R. Поскольку if = ii , то с учетом инверсии сигнала получаем

Из этого соотношения следует, что V0 определяется интегралом (с обратным знаком) от входного напряжения в интервале от 0 до t1 , умноженным на масштабный коэффициент 1/RC. Напряжение Vic - это напряжение на конденсаторе в начальный момент времени (t = 0).

 

4.2.4 Дифференциаторы

Дифференциатор вырабатывает выходной сигнал, пропорциональный скорости изменения во времени входного сигнала. На рис. 4.5 показана принципиальная схема простого дифференциатора.

Рис. 4.5 Принципиальная схема дифференциатора

Ток через конденсатор .

Если производная . положительна, ток ii течет в таком направлении, что формируется отрицательное выходное напряжение V0.

Таким образом,.

Этот метод дифференцирования сигнала кажется простым, но при его практической реализации возникают проблемы с обеспечением устойчивости схемы на высоких частотах. Не всякий ОУ пригоден для использования в дифференциаторе. Критерием выбора является быстродействие ОУ: нужно выбирать ОУ с высокой максимальной скоростью нарастания выходного напряжения и высоким значением произведения коэффициента усиления на ширину полосы. Хорошо работают в дифференциаторах быстродействующие ОУ на полевых транзисторах.

 

4.2.5 Компараторы

Компаратор – это электронная схема, которая сравнивает два входных напряжения и вырабатывает выходной сигнал, зависящий от состояния входов. Базовая принципиальная схема компаратора показана на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Принципиальная схема компаратора

Как видим, здесь ОУ работает с разомкнутой петлей обратной связи. На один из его входов подается опорное напряжение, на другой – неизвестное (сравниваемое) напряжение. Выходной сигнал компаратора указывает: выше или ниже уровня опорного напряжения находится уровень неизвестного входного сигнала. В схеме на рис.4.6 опорное напряжение Vr подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход поступает неизвестный сигнал Vi .

При Vi > Vr на выходе компаратора устанавливается напряжение V0 = -Vr (отрицательное напряжение насыщения). В противоположном случае получаем V0 = +Vr .Можно поменять местами входы – это приведет к инверсии выходного сигнала.

 

 

4.3 Коммутация измерительных сигналов

 

В информационно-измерительной технике при реализации аналоговых измерительных преобразований часто приходится осуществлять электрические соединения между двумя и более точками измерительной схемы с целью вызвать необходимый переходный процесс, рассеять запасенную реактивным элементом энергию (например, разрядить конденсатор), подключить источник питания измерительной цепи, включить ячейку аналоговой памяти, взять выборку непрерывного процесса при дискретизации и т. д. Кроме того, многие измерительные средства осуществляют измерительные преобразования последовательно над большим числом электрических величин, распределенных в пространстве. Для реализации сказанного используются измерительные коммутаторы и измерительные ключи.

Измерительным коммутатором называется устройство, которое преобразует пространственно разнесенные аналоговые сигналы в сигналы, разделенные во времени, и наоборот.

Измерительные коммутаторы аналоговых сигналов характеризуются

следующими параметрами:

- динамическим диапазоном коммутируемых величин;

- погрешностью коэффициента передачи;

- быстродействием (частотой переключении или временем, необходимым для выполнения одной коммутационной операции);

- числом коммутируемых сигналов;

- предельным числом переключений (для коммутаторов с контактными измерительными ключами).

В зависимости от типа используемых в коммутаторе измерительных ключей различаются контактные и бесконтактные коммутаторы.

Измерительный ключ представляет собой двухполюсник с явно выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Переход ключа из одного состояния (закрытого) в другое (открытое) выполняется с помощью управляющего элемента.

 

4.4 Аналого-цифровое преобразование

 

Аналого-цифровое преобразование составляет неотъемлемую часть измерительной процедуры. В показывающих приборах эта операция соответствует считыванию числового результата экспериментатором. В цифровых и процессорных измерительных средствах аналого-цифровое преобразование выполняется автоматически, а результат либо поступает непосредственно на индикацию, либо вводится в процессор для выполнения последующих измерительных преобразований в числовой форме.

Методы аналого-цифрового преобразования в измерениях разработаны глубоко и основательно и сводятся к представлению мгновенных значений входного воздействия в фиксированные моменты времени соответствующей кодовой комбинацией (числом). Физическую основу аналого-цифрового преобразования составляет стробирование и сравнение с фиксированными опорными уровнями. Наибольшее распространение получили АЦП поразрядного кодирования, последовательного счета, следящего уравновешивания и некоторые другие. К вопросам методологии аналого- цифрового преобразования, которые связаны с тенденциями развития АЦП и цифровых измерений на ближайшие годы относятся, в частности:

- устранение неоднозначности считывания в наиболее быстродействующих АЦП сопоставления, получающих все большее распространение с развитием интегральной технологии;

- достижение устойчивости  к сбоям и улучшение метрологических характеристик АЦП на основе избыточной системы счисления Фибоначчи;