Автоматизированные измерительные и диагностические комплексы, системы - Естествознание - Скачать бесплатно
Вологодский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра химии и общей биологии
РЕФЕРАТ
На тему: Автоматизированные измерительные и диагностические комплексы,
системы
и технические устройства.
Подготовил: студент группы ГЭ-21
Асташов К. В.
Принял:
преп. Агафонова Н. В.
Вологда
2001
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение в измерительную технику
. Роль и значение измерительной техники. История развития
. Основные понятия и определения
2. Измерительные информационные системы.
. Общая классификация измерительных информационных систем
. Классификация ИИС по функциональному назначению
. Обобщенная структура ИИС
3. Интерфейсы измерительных информационных систем.
. Общие понятия и определения
. Интерфейсные функции
. Приборные интерфейсы
. Машинные интерфейсы
4. Заключение.
5. Список литературы.
ВВЕДЕНИЕ В ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ ТЕХНИКУ
Роль и значение измерительной техники. История развития
Измерительная техника - один из важнейших факторов ускорения научно-
технического прогресса практически во всех отраслях народного хозяйства.
При описании явлений и процессов, а также свойств материальных тел
используются различные физические величины, число которых достигает
нескольких тысяч: электрические, магнитные, пространственные и временные;
механические, акустические, оптические, химические, биологические и др. При
этом указанные величины отличаются не только качественно, но и
количественно и оцениваются различными числовыми значениями.
Установление числового значения физической величины осуществляется
путем измерения. Результатом измерения является количественная
характеристика в виде именованного числа с одновременной оценкой степени
приближения полученного значения измеряемой величины к истинному значению
физической величины. Укажем, что нахождение числового значения измеряемой
величины возможно лишь опытным путем, т. е. в процессе физического
эксперимента.
При реализации любого процесса измерения необходимы технические
средства, осуществляющие восприятие, преобразование и представление
числового значения физических величин.
На практике при измерении физических величин применяются электрические
методы и неэлектрические (например, пневматические, механические,
химические и др.).
Электрические методы измерений получили наиболее широкое
распространение, так как с их помощью достаточно просто осуществлять
преобразование, передачу, обработку, хранение, представление и ввод
измерительной информации в ЭВМ.
Технические средства и различные методы измерений составляют основу
измерительной техники. Любой производственный процесс характеризуется
большим числом параметров, изменяющихся в широких пределах. Для поддержания
требуемого режима технологической установки необходимо измерение указанных
параметров. При этом, чем достовернее осуществляется измерение
технологических параметров, тем лучше качество целевого выходного продукта.
Современные предприятия, например нефтехимического профиля с непрерывным
характером производства, для поддержания качества выпускаемой продукции
используют измерение различных физических параметров, таких, как
температура, объемный и массовый расход веществ, давление, уровень и
количество вещества, время, состав вещества (плотность, влажность,
содержание механических примесей и др.), напряжение, сила тока, скорость и
др. При этом число требуемых для измерения параметров достигает нескольких
тысяч. Например, в атомной энергетике число требуемых для измерения
параметров процессов достигает десятков тысяч.
Получение и обработка измерительной информации предназначены не только
для достижения требуемого качества продукции, но и организации
производства, учета и составления баланса количества вещества и энергии. В
настоящее время важной областью применения измерительной техники является
автоматизация научно-технических экспериментов. Для повышения экономичности
проектируемых объектов, механизмов и машин большое значение имеют
экспериментальные исследования, проводимые на их физических моделях. При
этом задача получения и обработки измерительной информации усложняется
настолько, что ее эффективное решение становится возможным лишь на основе
применения специализированных измерительно-вычислительных средств.
Роль измерительной техники подчеркнул великий русский ученый Д.И.
Менделеев: "Наука начинается с тех пор, как начинают измерять...".
Измерительная техника начала свое развитие с 40-х годов XVIII в. и
характеризуется последовательным переходом от показывающих (середина и
вторая половина XIX в.), аналоговых самопишущих (конец XIX - начало XX в.),
автоматических и цифровых приборов (середина XX в. - 50-е годы) к
информационно-измерительным системам.
Конец XIX в. характеризовался первыми успехами радиосвязи и
радиоэлектроники. Ее развитие привело к необходимости создания средств
измерительной техники нового типа, рассчитанных на малые входные сигналы,
высокие частоты и высокоомные входы. В этих новых средствах измерительной
техники использовались радиоэлектронные компоненты -выпрямители, усилители,
модуляторы и генераторы (ламповые, транзисторные, на микросхемах),
электронно-лучевые трубки (при построении осциллографов) и др.
Таким образом, расширение номенклатуры и качественных показателей
средств измерительной техники неразрывно связано с достижениями
радиоэлектроники. Одним из современных направлений развития измерительной
техники, базирующейся на достижениях радиоэлектроники, являются цифровые
приборы с дискретной формой представления информации. Такая форма
представления результатов оказалась удобной для преобразования, передачи,
обработки и хранения информации. Развитие дискретных средств измерительной
техники в настоящее время привело к созданию цифровых вольтметров
постоянного тока, погрешность показаний которых ниже 0,0001 %, а
быстродействие преобразователей напряжение - код достигает нескольких
миллиардов измерений в секунду; верхний предел измерения современных
цифровых частотомеров достиг гигагерца; цифровые измерители временного
интервала имеют нижний предел измерения до долей пикосекунды; электрические
токи измеряются в диапазоне от 10~16 до 105 А, а длины - в диапазоне от
10~12 (размер атомов) до 3,086 • 1016 м
Широкие возможности открылись перед измерительной техникой в связи с
появлением микропроцессоров (МП) и микроЭВМ. Благодаря им значительно
расширились области применения средств измерительной техники, улучшились их
технические характеристики, повысились надежность и быстродействие,
открылись пути реализации задач, которые ранее не могли быть решены.
По широте и эффективности применения МП одно из первых мест занимает
измерительная техника, причем все более широко применяются МП в системах
управления. Трудно переоценить значение МП и микроЭВМ при создании
автоматизированных средств измерений, предназначенных для управления,
исследования, контроля и испытаний сложных объектов.
Развитие науки и техники требует постоянного совершенствования средств
измерительной техники, роль которой неуклонно возрастает.
Основные понятия и определения
Понятия и определения, используемые в измерительной технике,
регламентируются ГОСТ 16263-70.
Измерение-это информационный процесс получения опытным путем численного
отношения между данной физической величиной и некоторым ее значением,
принятым за единицу сравнения.
Результат измерения — именованное число, найденное путем измерения
физической величины. Результат измерения может быть принят как
действительное значение измеряемой величины. Одна из основных задач
измерения - оценка степени приближения или разности между истинным и
действительным значениями измеряемой физической величины — погрешности
измерения.
Погрешность измерения - это отклонение результата измерения от
истинного значения измеряемой величины. Погрешность измерения является
непосредственной характеристикой точности измерения.
Точность измерения - степень близости результата измерения к истинному
значению измеряемой физической величины.
Измерение уменьшает исходную неопределенность значения физической
величины до уровня неизбежной остаточной неопределенности, определяемой
погрешностью измерения.
Значение погрешности измерения зависит от совершенства технических
устройств, способа их использования и условий проведения эксперимента.
Принцип измерения - это физическое явление или совокупность физических
явлений, положенных в основу измерения. Примером может служить измерение
температуры с использованием термоэффекта и другие физические явления,
используемые для проведения эксперимента, которые должны быть выбраны с
учетом получения требуемой точности измерения.
Измерительный эксперимент - это научно обоснованный опыт для получения
количественной информации с требуемой или возможной точностью определения
результата измерений. Проведение измерительного эксперимента предполагает
наличие технических устройств, которые могут обеспечить заданную точность
получения результата. Технические устройства, участвующие в эксперименте,
заранее нормируются по показателям точности и относятся к средствам
измерений.
Средство измерений - это техническое устройство, используемое в
измерительном эксперименте и имеющее нормированные характеристики точности.
Количественная информация, полученная путем измерения, представляет
собой измерительную информацию.
Измерительная информация — это количественные сведения о свойстве или
свойствах материального объекта, явления или процесса, получаемые с помощью
средств измерений в результате их взаимодействия с объектом.
Количество измерительной информации - это численная мера уменьшения
неопределенности количественной оценки свойств объекта.
Взаимодействие объекта исследования и средств измерений в процессе
эксперимента предполагает наличие сигналов, которые являются носителями
информации. Важными носителями информации являются электрический ток,
напряжение, импульсы и другие электрические параметры.
Измерительный сигнал — сигнал, функционально связанный с измеряемой
физической величиной с заданной точностью.
Метод измерения — это совокупность приемов использования принципов и
средств измерений. Важное значение в измерительной технике имеет единство
измерений.
Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их
результаты выражены в указанных единицах, а погрешности измерений известны
с заданной вероятностью. Единство измерений позволяет сравнивать результаты
различных экспериментов, проведенных в различных условиях, выполненных в
разных местах с использованием разных методов и средств измерений. Это
достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц
физической величины и передачи их размеров применяемым средствам измерения.
Перечисленные вопросы составляют предмет метрологии.
Метрология — это учение о мерах, это наука о методах и средствах
обеспечения единства измерений и способах достижения требуемой точности.
Мера предназначена для воспроизведения физической величины данного размера.
Законодательная метрология — это раздел метрологии, включающий
комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных правил, требований и норм,
а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны
государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия
средств измерений. В соответствии с изложенным характеристики средств
измерений, определяющие точность измерения с их помощью, называют
метрологическими характеристиками средств измерения. Метрологические
характеристики обязательно нормируются и в установленном порядке с целью
обеспечения единства измерений.
Контроль — процесс установления соответствия между состоянием!
(свойством) объекта контроля и заданной нормой. В результате контроля
выдается суждение о состоянии объекта.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Общая классификация измерительных информационных систем
Измерительная информационная система (ИИС) в соответствии с ГОСТ
8.437—81 представляет собой совокупность функционально объединенных
измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств
для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с
целью представления потребителю (в том числе для АСУ) в требуемом виде,
либо автоматического осуществления логических функций контроля,
диагностики, идентификации.
В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде
измерительных систем (ИС), систем автоматического контроля (САК),
технической диагностики (СТД), распознавания (идентификации) образов (СРО).
В СТД, САК и СРО измерительная система входит как подсистема.
Информация, характеризующая объект измерения, воспринимается ИИС,
обрабатывается по некоторому алгоритму, в результате чего на выходе системы
получается количественная информация (и только информация), отражающая
состояние данного объекта. Измерительные информационные системы существенно
отличаются от других типов информационных систем и систем автоматического
управления (САУ). Так, ИИС, входящая в структуры более сложных систем
(вычислительных систем связи и управления), может быть источником
информации для этих систем. Использование информации для управления не
входит в функции ИИС, хотя информация, получаемая на выходе ИИС, может
использоваться для принятия каких-либо решений, например, для управления
конкретным экспериментом.
Каждому конкретному виду ИИС присущи многочисленные особенности,
определяемые узким назначением систем и их технологически конструктивным
исполнением. Ввиду многообразия видов ИИС до настоящего времени не
существует общепринятой классификации ИИС.
Наиболее распространенной является классификация ИИС по функциональному
назначению. По этому признаку, как было сказано выше, будем различать
собственно ИС, САК, СТД, СРО.
По характеру взаимодействия системы с объектом исследования и обмена
информацией между ними ИИС могут быть разделены на активные и пассивные.
Пассивные системы только воспринимают информацию от объекта, а активные,
действуя на объект через устройство внешних воздействий, позволяют
автоматически и наиболее полно за короткое время изучить
его поведение. Такие структуры широко применяются при автоматизации
научных исследований различных объектов.
В зависимости от характера обмена информацией между объектами и
активными ИИС различают ИС без обратной связи и с обратной связью по
воздействию. Воздействие на объект может осуществляться по заранее
установленной жесткой программе либо по программе, учитывающей реакцию
объекта. В первом случае реакция объекта не влияет на характер воздействия,
а следовательно, и на ход эксперимента. Его результаты могут быть выданы
оператору после окончания. Во втором случае результаты реакции отражаются
на характере воздействия, поэтому обработка ведется в реальном времени.
Такие системы должны иметь развитую вычислительную сеть. Кроме того,
необходимо оперативное представление информации оператору в форме, удобной
для восприятия, с тем чтобы он мог вмешиваться в ход процесса.
Эффективность научных исследований, испытательных, поверочных работ,
организации управления технологическими процессами с применением ИИС в
значительной мере определяется методами обработки измерительной информации.
Операции обработки измерительной информации выполняются в устройствах,
в качестве которых используются специализированные либо универсальные ЭВМ.
В некоторых случаях функции обработки результатов измерения могут
осуществляться непосредственно в измерительном тракте, т. е. измерительными
устройствами в реальном масштабе времени.
В системах, которые содержат вычислительные устройства, обработка
информации может производиться как в реальном масштабе времени, так и с
предварительным накоплением информации в памяти ЭВМ, т. е. со сдвигом по
времени.
При исследовании сложных объектов или выполнении многофакторных
экспериментов применяются измерительные системы, сочетающие высокое
быстродействие с точностью. Такие ИИС характеризуются большими потоками
информации на их выходе.
Значительно повысить эффективность ИИС при недостаточной априорной
информации об объекте исследования можно за счет сокращения избыточности
информации, т. е. сокращения интенсивности потоков измерительной
информации. Исключение избыточной информации, несущественной с точки зрения
ее потребителя, позволяет уменьшить емкость устройств памяти, загрузку
устройств обработки данных, а следовательно, и время обработки информации,
снижает требования к пропускной способности каналов связи.
При проектировании и создании ИИС большое внимание уделяется проблеме
повышения достоверности выходной информации и снижения вероятностей
возникновения (или даже исключения) нежелательных ситуаций. Этого можно
достичь, если на ИИС возложить функции самоконтроля, в результате чего ИИС
способна осуществлять тестовые проверки работоспособности средств системы и
тем самым сохранять метрологические характеристики тракта прохождения
входных сигналов, проверять достоверность результатов обработки информации,
получаемой посредством измерительных преобразований, и ее представления.
Все более широкое развитие получают системы, предусматривающие
автоматическую коррекцию своих характеристик — самонастраивающиеся
(самокорректирующиеся) системы.
Введение в такие системы свойств автоматического использования
результатов самоконтроля — активного изучения состояния ИИС — и
приспособляемости к изменению характеристик измеряемых сигналов или к
изменению условий эксплуатации делает возможным обеспечение заданных
параметров системы.
Классификация ИИС по функциональному назначению
В зависимости от функционального назначения структуры ИИС подразделяют
по принципу построения. Рассмотрим основные особенности и отличия.
Собственно измерительные системы используются для различного рода
комплексных исследований научного характера. Они предназначены для работы с
объектами, характеризующимися до начала эксперимента минимумом априорной
информации. Цель создания таких систем заключается в получении
максимального количества достоверной измерительной информации об объекте
для составления алгоритмического описания его поведения.
Обратная связь системы с объектом отсутствует или носит вспомогательный
характер. Как отмечалось, информация, полученная на выходе ИИС, может
использоваться для принятия каких-либо решений, создания возмущающих
воздействий, но не для управления объектом. ИИС предназначена для создания
дополнительных условий проведения эксперимента, для изучения реакции
объекта на эти воздействия. Следовательно, использование информации не
входит в функции ИИС. Эта информация предоставляется человеку-оператору или
поступает в средства автоматической обработки информации.
Для измерительных систем характерны:
. более высокие по отношению к системам другого вида требования к
метрологическим характеристикам;
. более широкий спектр измеряемых физических величин и в
особенности их количество (число измерительных каналов);
. необходимость в средствах представления информации; это связано с
тем, что основной массив информации с выхода систем передается
человеку для принятия им решения об изменении условий проведения
эксперимента, его продолжении или прекращении. Поэтому
определяющим требованием является неискаженное, наглядное и
оперативное представление текущей информации с учетом динамики ее
обновления и быстродействия системы, обеспечивающее удобство
восприятия и анализа человеком;
. большой объем внешней памяти для систем, в которых обработка и
анализ результатов осуществляется после завершения эксперимента с
помощью набора различных средств обработки и предоставления
информации.
Разновидности ИС
. ИС для прямых измерений, т. е. независимых измерений дискретных
значений непрерывных величин;
. статистические ИС, предназначенные для измерения статистических
характеристик измеряемых величин;
. системы, предназначенные для раздельного измерения зависимых
величин.
Входными в ИС для прямых измерений являются величины, воспринимаемые
датчиками или другими входными устройствами системы. Задача таких ИС
заключается в выполнении аналого-цифровых преобразований множества величин
и выдаче полученных результатов измерения.
В рассматриваемых ИС основные типы измеряемых входных величин могут
быть сведены либо к множеству изменяющихся во времени величин, либо к
изменяющейся во времени t и распределенной по пространству Л непрерывной
функции х (t, Л). При измерении непрерывная функция х (t, Л) представляется
множеством дискрет.
Измерительные системы, производящие измерения дискрет функции x(t, Л),
основаны на использовании многоканальных, многоточечных,
мультиплицированных и сканирующих структур.
Многоканальные системы объединяются в один из самых распространенных
классов измерительных систем параллельного действия, применяемых во всех
отраслях народного хозяйства. Основные причины столь широкого
распространения многоканальных ИС заключаются в возможности использования
стандартных, относительно простых, измерительных приборов, в наиболее
высокой схемной надежности таких систем, в возможности получения
наибольшего быстродействия при одновременном получении результатов
измерения, в возможности индивидуального подбора СИ к измеряемым величинам.
Недостатки таких систем — сложность и большая стоимость по сравнению с
другими системами.
В измерительных системах последовательного действия - сканирующих
измерительных системах — операции получения информации выполняются
последовательно во времени с помощью одного канала измерения. Если
измеряемая величина распределена в пространстве или собственно координаты
точки являются объектом измерения, то восприятие информации в таких
системах выполняется с помощью одного сканирующего датчика.
Сканирующие системы находят применение при расшифровке графиков. В
медицине, геофизике, метрологии, при промышленных испытаниях, во многих
отраслях народного хозяйства и при научных исследованиях затрачивается
значительное время на измерение параметров графических изображений и
представление результатов измерения в цифровом виде. Для указанных целей
промышленностью выполняются различные специализированные полуавтоматические
расшифровочные устройства и системы ("Силуэт").
Сканирование может выполняться непосредственно воспринимающим элементом
или сканирующим лучом при неподвижном воспринимающем элементе. Такими
элементами могут быть оптико-механические или электронно-развертывающие
устройства.
Для измерения координат графических изображений применяются различные
акустические системы. В геологии и картографии, океанологии и других
областях при автоматизации проектирования осуществляются измерения и выдача
в цифровом виде координат сложных графических изображений на фото
носителях, чертежах и документах. При этом генератор (полуавтоматические
измерения) лишь указывает точки изображения, координаты которых необходимо
измерить. Используемые здесь датчики, как правило, осуществляют
преобразование координат точек в интервалы времени прохождения световых или
акустических импульсов между точками, координаты которых были измерены.
При использовании в устройствах ЭВМ одновременно со считыванием
координат осуществляют обработку графических изображений по заданной
программе.
Голографические ИС (ГИС). Основу датчиков составляют лазеры,
представляющие собой когерентные источники света, когерентная оптика и
оптоэлектронные преобразователи. Голографические измерительные системы
отличаются высокой чувствительностью и повышенной точностью, что послужило
основой широкого их применения в голографической интерферометрии.
Голографическая интерферометрия обеспечивает бесконтактное измерение и
одновременное получение информации от множества точек наблюдаемой
поверхности с использованием меры измерения — длины световой волны,
известной с высокой метрологической точностью.
Выполнение условий минимальной сложности ИС приводит к необходимости
последовательного многократного использования отдельных устройств
измерительного тракта, а следовательно, к применению ИС параллельно-
последовательного действия, которые носят название многоточечных ИС. Работа
таких ИС основана на принципе квантования измеряемых непрерывных величин по
времени.
Измерительные системы с общей образцовой величиной —
мультиплицированные развертывающие измерительные системы — содержат
множество
|
