Автоматические системы измерений, контроля и испытаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования

«Тверской государственный технический университет»

Кафедра Стандартизации, сертификации и управления качеством

Реферат

На тему: «Автоматические системы измерений, контроля и испытаний»

Выполнил: Беляева А.С.

Принял: Хазов И.Ю.

Тверь 2014



Содержание

1. Цели и задачи автоматизации

2. Автоматизация измерительного процесса

3. Обобщенные структурные схемы процессов измерения и контроля

3.1 Схема процесса измерения и ее анализ с точки зрения автоматизации

3.2 Процесс контроля и возможности его автоматизации

4. Базовые элементы технического обеспечения автоматических систем измерений и контроля

4.1 Измерительные преобразователи

4.1.1 Классификация измерительных преобразователей

4.2 Операционные усилители

4.2.1 Усилитель с единичным коэффициентом усиления (повторитель напряжения)

4.2.2 Сумматоры

4.2.3 Интеграторы

4.2.4 Дифференциаторы

4.2.5 Компараторы

4.3 Коммутация измерительных сигналов

4.4 Аналого-цифровое преобразование



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;

- усиление;

- аналого-цифровое преобразование.

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.

автоматизация измерительный преобразователь сигнал



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.

3.2 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.

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 + . . . + i_n



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 V_i ,R и C. Таким образом, для того, чтобы найти выходное напряжение, нужно знать длительность действия входного сигнала.

Напряжение на первоначально разряженном конденсаторе

где i_f - через конденсатор и t_i - время интегрирования. Для положительного V_i имеем i_i = V_i/R. Поскольку i_f = i_i , 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 i_i 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 V_r подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход поступает неизвестный сигнал V_i .

При V_i > V_r на выходе компаратора устанавливается напряжение V₀ = -V_r (отрицательное напряжение насыщения). В противоположном случае получаем V₀ = +V_r .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;

- применение для аналого-цифрового преобразования метода статистических испытаний.

Размещено на Allbest.ru

...