Измерительные системы и измерительные комплексы

Общие сведения об измерительных системах и измерительных комплексах

Развитие автоматизированных систем управления производственными процессами (АСУ ТП) и научными экспериментами с использованием средств вычислительной техники привело к появлению нового вида средств измерений - измерительных систем и измерительных комплексов (иногда измерительные комплексы называют измерительными - вычислительными). Под ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ понимают [10] совокупность датчиков (первичных преобразователей), различных средств измерений, каналов связи, средств вычислительной техники и программ, распределенных в пространстве, но объединенных функционально, выполняющих измерения параметров объекта, обработку результатов измерений и представление этих результатов в форме, наиболее удобной для восприятия человеком или для автоматизации управления объектом. В качестве объекта могут выступать как сравнительно простые (например, стиральная машина), так и очень сложные (электрическая станция, установка для крекинга нефти и т.п.) технические устройства. Типичная структурная схема измерительной системы приведена на рис. 17.1.

Измеряемые параметры (величины) объекта с помощью датчиков Д (первичных преобразователей) преобразуются в электрические величины, значения которых линейно или нелинейно зависят от значений измеряемых величин. Например, измеряемая температура преобразуется с помощью термопары в пропорциональную ей электродвижущую силу.

Величина, в которую преобразуется измеряемая величина, называется носителем информации о значении измеряемой величины (носителем значения измеряемой величины). Носитель поступает в линию связи ЛС, связывающую объект с ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ КОМПЛЕКСОМ, представляющим собой [10] совокупность средств измерений электрических величин, средств вычислительной техники и программ вычислений. Иными словами, измерительный комплекс представляет собой часть измерительной системы: измерительную систему без датчиков и линий связи, соединяющих датчики с входами измерительного комплекса. Электрические величины, подлежащие измерениям, часто поступают в линию связи непосредственно, без датчика.

Рис. 17.1. Структурная схема измерительной системы:

Д - датчик (первичный преобразователь); ЛС - линия связи (канал связи); НП - нормирующий аналоговый преобразователь (вторичный измерительный преобразователь);

АЦП - аналого-цифровой преобразователь; Ч - человек, управляющий объектом

В измерительном комплексе первичный носитель поступает, как правило, на вход аналогового нормирующего преобразователя, который переносит информацию о значении измеряемой величины на другой, обычно унифицированный носитель. В качестве унифицированного носителя значения измеряемой величины часто используются стандартизованные сигналы постоянного тока или напряжения.

Унифицированный носитель с выхода нормирующего преобразователя непосредственно или через коммутатор поступает на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП, с помощью которого числовое значение измеряемой величины, выраженное в заданных единицах измерения, преобразуется в двоичный код с определенным, общим для всей измерительной системы, количеством разрядов, обычно не менее 16 разрядов. Этот код является конечным представлением результата измерений. Коммутатор используется для экономии аппаратуры системы, обеспечивая возможность измерения нескольких величин с помощью одного АЦП.

Коды, вырабатываемые аналого-цифровыми преобразователями, поступают в вычислительное устройство, где обрабатываются по различным программам. Одни из этих программ обеспечивают представление результатов измерений человеку- оператору, управляющему объектом, другие формируют сигналы управления для системы автоматизированного управления объектом, третьи обеспечивают возможность вмешательства человека- оператора в работу объекта и т.п.

Совокупность программ, работающих в составе измерительного комплекса, называют или ПРОГРАММНЫМ КОМПОНЕНТОМ комплекса (измерительной системы), или чаще - программным обеспечением измерительного комплекса. Часть этих программ обеспечивает управление компонентами комплекса, другие используются для обработки результатов измерений и представления результатов измерения в удобной для дальнейшего использования форме. Программы, используемые для обработки и представления результатов измерений, могут оказывать влияние на погрешность измерений [19].

Совокупность соединенных последовательно датчика, канала связи, средств измерений, вычислительных компонентов (в том числе программы обработки данных), используемых для измерения одной прямоизмеряемой величины, называют ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ КАНАЛОМ измерительной системы или измерительного комплекса. Например, на рис. 17.1 к измерительным каналам относятся цепи: Д - Л С - НП - коммутатор - АЦП - вычислительное устройство и другие подобные цепи.

Для представления результатов измерений оператору используется, как правило, экран дисплея вычислительного устройства. Информация о значении измеряемой величины может быть представлена в виде цифрового отсчета или в виде некоторой шкалы с индексом (меткой), находящимся по отношению к шкале в положении, соответствующем значению измеряемой величины. Фактически такие изображения на экране выполняют функции щитовых измерительных приборов. Часто измерительные каналы, включающие в себя средства представления результата измерений на экране дисплея, называют ВИРТУАЛЬНЫМИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ.

Измерительная информационная система в большинстве случаев входит в состав системы управления объектом или установкой. Управляемые объекты часто бывают распределены на большой территории. Например, электростанция занимает площадь в несколько гектаров. Сведения о работе электростанции, в том числе результаты измерений ряда параметров, передаются на большие расстояния в диспетчерский пункт. Поэтому особую роль в работе измерительной системы играют каналы передачи измерительной информации, свойства которых сильно влияют на эффективность работы системы. В связи с изложенным появилась и получила определенное развитие информационная теория измерений, в которой процесс измерений рассматривается как процесс получения, передачи и переработки количественной информации об объекте измерений (измерительной информации) [9]. Не все положения этой теории нашли применение в практике измерений, однако многие ее положения используются при разработке и испытаниях измерительных информационных систем.