Цифровыми измерительными приборами называются приборы, которые в процессе измерения осуществляют автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результата измерения на цифровом отсчетном устройстве [2, 5].

Функциональная схема цифрового прибора представлена на рис. 23.

Рис. 23. Функциональная схема цифрового прибора

Аналоговая величина Х сначала преобразуется входным аналоговым преобразователем (ВАП) к виду, удобному для последующего преобразования, затем при помощи АЦП производится ее дискретизация, квантование и кодирование; цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) превращает кодированную информацию об измеряемой величине в цифровой отсчет.

По сравнению с аналоговыми приборами цифровые имеют такие преимущества, как высокая точность, широкий рабочий диапазон, высокое быстродействие, получение результатов измерения в удобной для считывания форме, возможность цифрового преобразования и ввода измерительной информации в ЭВМ, автоматизации процесса измерения.

Процесс измерения в цифровом приборе включает в себя дискретизацию, квантование и кодирование. Дискретизацией называют процесс преобразования непрерывной во времени величины в дискретизированную путем сохранения ее мгновенных значений в моменты времени t₀, t₁, t₂, …, t_n (моменты дискретизации). Интервал Dt между ближайшими моментами дискретизации называют шагом дискретизации. Квантованием называют процесс преобразования непрерывной по значению величины в квантованную путем замены ее значений ближайшими фиксированными значениями х₁, х₂, …, х _n. Разность Dх между двумя детерминированными значениями называют шагом квантования. При измерении отсчет значения непрерывной величины х( t) производится в моменты дискретизации с точностью до ближайшего квантованного значения. Процессы дискретизации и квантования являются принципиальными источниками погрешностей цифровых измерительных приборов. Понятно, что погрешность от замены действительного значения квантованным может быть снижена за счет уменьшения шага квантования. Кодирование – это получение по определенной системе правил числового значения квантованной величины в виде комбинации цифр (дискретных сигналов).

В соответствии с методом построения все АЦП можно разделить на три группы: с время-импульсным преобразованием, с частотно-импульсным преобразованием и поразрядного уравновешивания. В качестве примера рассмотрим принципы построения время-импульсных цифровых вольтметров.

Время-импульсный цифровой вольтметр . В основе работы время-импульсного вольтметра лежит преобразование измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, длительность которого измеряется путем заполнения этого интервала импульсами со стабильной частотой следования (счетными импульсами). Упрощенная функциональная схема АЦП с время-импульсным преобразованием представлена на рис. 24. Она включает в себя два преобразователя. Первый преобразует измеряемое напряжение в интервал времени Dt, второй – интервал времени Dt в последовательность импульсов (цифровой код).

Рис. 24. Функциональная схема АЦП с время-импульсным преобразованием

Рис. 25. Принцип преобразования напряжения в интервал времени

Первое преобразование осуществляется посредством сравнения измеряемого напряжения постоянного тока с линейно изменяющимся напряжением (рис. 25). Измеряемое напряжение Ux подается на один из входов сравнивающего устройства СУ. При этом в момент времени t1 импульсом Ut1 от блока управления БУ запускается генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН. В момент равенства напряжений от ГЛИН Uл и Ux вырабатывается импульс Ut2. Интервал времени Tx=t2 – t1 оказывается пропорци-ональным значению измеряемого напряже-ния. Упрощенная структурная схема время-импульсного цифрового вольтметра постоянного тока приведена на рис. 26.

Наряду с блоками СУ, ГЛИН и БУ в схему входят блок формирования БФ, временной селектор ВС и генератор счетных импульсов ГСИ. На БФ с БУ поступает опорный импульс U_t1. Это приводит к тому, что временной селектор начинает пропускать на выход счетные импульсы, следующие с частотой f₀. Одновременно запускается ГЛИН. Линейно изменяющееся напряжение U_л подается на устройство сравнения, которое в момент, когда U_x становится равным U_л, вырабатывает импульс U_t2.

Рис. 26. Структурная схема время-импульсного цифрового вольтметра

Рис. 27. Временные диаграммы время-импульсного вольтметра

Импульс U_t2 приводит к закрытию временного селектора и прекращению прохождения через него счетных импульсов. Таким образом, БФ вырабатывает прямоугольный импульс U_пр длительностью Т_х, который подается на один из входов ВС. Счетные импульсы проходят через ВС на выход только тогда, когда ВС открыт этим прямоугольным импульсом, т.е. в течение временного интервала Т_х. Соответствующие временные диаграммы приведены на рис. 27.

Число импульсов N_x, заполняющих временной интервал Т_х с точностью до одного импульса, описывается формулой

.

Но , где K – известный коэффициент, зависящий от скорости нарастания линейно изменяющегося напряжения. Таким образом,

,

откуда

                                             .                                      (35)

В вольтметре отношение K/f₀ выбирается равным 10^-m, где m=1, 2, 3, …, поэтому прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения (число m определяет положение запятой в цифровом отсчете). Указанный цикл работы вольтметра периодически повторяется. Возврат генератора линейно изменяющегося напряжения в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется импульсами от БУ после истечения времени t₂.

Основным недостатком метода время-импульсного преобразования является его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение U_x, изменяет его и, следовательно, изменяет момент появления импульса U_t2, определяющего длительность времени счета. Погрешности метода определяются нестабильностью линейно изменяющегося напряжения, погрешностью преобразования измеряемого временного интервала в длительность прямоугольного импульса, открывающего ВС и погрешностью дискретности. Тем не менее время-импульсное преобразование постоянных напряжений позволяет создавать сравнительно простые и достаточно точные вольтметры с погрешностью, не превышающей 0,1…0,05%.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

 И ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Усложнение современного производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерять и контролировать одновременно сотни и тысячи различных физических величин. Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в восприятии и обработке больших объемов информации стала одной из причин появления таких СИ, как измерительные системы. Измерительные системы (ИС) – это совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления [3].

В зависимости от назначения ИС разделяют на измерительные, контролирующие, управляющие.

По числу измерительных каналов системы подразделяются на одно-, двух-, трех- и многоканальные.

Важной их разновидностью являются информационно-измерительные системы (ИИС), предназначенные для представления измерительной информации в виде, необходимом потребителю. По организации алгоритма функционирования различают системы:

· с заранее заданным алгоритмом работы (для исследования объектов, работающих в постоянном режиме);

· программируемые, алгоритм работы которых меняется по заданной программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования;

· адаптивные, алгоритм работы которых изменяется, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта.

Наиболее перспективным методом разработки и производства ИИС является метод агрегатно-модульного построения из сравнительно ограниченного набора унифицированных, конструктивно законченных узлов или блоков. При этом должны быть решены задачи совместимости и сопряжения блоков как между собой, так и с внешними устройствами. Применительно к ИИС существует пять видов совместимости:

· информационная, которая предусматривает согласованность входных и выходных сигналов по видам и номенклатуре, информативным параметрам и уровням;

· конструктивная;

· энергетическая, предполагающая согласованность напряжений и токов, питающих блоки;

· метрологическая, обеспечивающая сопоставимость результатов измерений, рациональный выбор и нормирование метрологических характеристик блоков;

· эксплуатационная, т.е. согласованность характеристик блоков по надежности и стабильности.

Связь между блоками системы и их совместимость устанавливается посредством стандартных интерфейсов.

Важной разновидностью ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) – функционально объединенная совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи. Основными признаками принадлежности средства измерений к ИВК являются: наличие процессора или компьютера; программное управление средствами измерений; наличие нормированных метрологических характеристик; блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.

ИВК предназначены для выполнения таких функций, как:

- осуществление прямых, косвенных, совместных или совокупных измерений физических величин;

- управление процессом измерений и воздействием на объект измерений;

- представление оператору результатов измерений в требуемом виде.

По назначению различают следующие ИВК:

· типовые (для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений независимо от области применения);

· проблемные (для решения специфичной для конкретной области применения задачи автоматизации измерений);

· специализированные (для решения уникальных задач автоматизации измерений, для которых разработка типовых и проблемных комплексов экономически нецелесообразна).

Основными составными частями комплекса являются (рис. 28):

· компьютер с периферийными устройствами, подключенными к нему, в том числе и посредством компьютерной сети;

· программное обеспечение;

· интерфейс, организующий связь технических устройств ИВК с компьютером;

· формирователь испытательных сигналов, которыми воздействуют на объект измерения с целью получения измерительных сигналов. Каждый такой сигнал (i-й сигнал) вырабатывается с помощью последовательно соединенных ЦАП_i и преобразователя «напряжение – испытательный сигнал» (ПНИС_i);

· измерительные каналы (ИК), предназначенные для преобразования в цифровой код заданного числа сигналов (К – для первого ИК и L – для N-го ИК). Структура ИК существенно зависит от решаемой задачи. Однако практически в любом случае каждый из них содержит аналоговый измерительный (АИП) и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи. При обработке нескольких измерительных сигналов одним АЦП в состав комплекса включается коммутатор, предназначенный для поочередного подключения сигналов к входу АЦП. Коммутатор может включаться как после АИП (ИК1), так и перед ним (ИК N).

Рис. 28. Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса

АИП предназначен для преобразования измерительного сигнала в сигнал, однородный с входным сигналом АЦП (т.е. в напряжение), и масштабирования (усиления или ослабления) его до уровня, необходимого для проведения операции аналого-цифрового преобразования с минимальной погрешностью.

АЦП преобразует сигнал в цифровой код и передает его через интерфейс в компьютер. Работой всей аппаратной части ИВК управляет компьютер. Это осуществляется посредством:

- подачи управляющих сигналов различного рода;

- считывания и передачи по требуемым адресам цифровой информации (сигналы «данные» и «адрес» на рис. 28).

По команде оператора выбирается тот или иной режим работы ИВК из числа реализованных в программном обеспечении. Компьютер рассчитывает цифровой код, описывающий заданное изменение во времени каждого из М испытательных сигналов, и в виде двоичного цифрового кода записывает в оперативные запоминающие устройства формирователя испытательных сигналов. Оттуда эти коды последовательно во времени циклически поступают на вход каждого из ЦАП. Формируемые на их выходах напряжения с помощью ПНИС преобразуются в требуемые физические величины, воздействующие на объект измерения.

Измерительные сигналы, представляющие собой отклик объекта измерения на испытательные воздействия, преобразуются в измерительных каналах в двоичный цифровой код и считываются компьютером. Полученные коды обрабатываются по заданным алгоритмам, в результате получается искомая измерительная информация.

Каждый ИВК – это сложное техническое устройство, поэтому содержит средства диагностики его состояния.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Среди множества физических величин большая часть относится к неэлектрическим (температура, влажность, скорость, ускорение, перемещение и т.д.). При измерениях таких величин часто возникают задачи дистанционного измерения, передачи, регистрации и обработки измерительной информации. Наилучшим образом эти задачи решаются путем преобразования измеряемой неэлектрической величины Х_нэ в электрический сигнал Х_э, связанный с измеряемой величиной однозначной функциональной зависимостью Х_э = f(Х_нэ). Полученный электрический сигнал измеряется средствами электрических измерений или может быть передан по линии связи на значительное расстояние.

Преобразование неэлектрической величины в электрическую осуществляется с помощью измерительных преобразователей ИП – датчиков. Структурная схема любого СИ неэлектрических величин электрическими методами содержит такой измерительный преобразователь (рис. 29).

Рис. 29. Структурная схема преобразования неэлектрических величин

Измерительные преобразователи классифицируют по роду измеряемой величины (температуры, давления, влажности и др.) и по выходной величине (генераторные, параметрические) [2, 5].

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).

Важнейшими метрологическими характеристиками измерительных преобразователей являются: номинальная статическая характеристика преобразования, чувствительность, основная и дополнительные погрешности, динамические характеристики и др.

Поскольку средства электрических измерений, применяемые при измерениях неэлектрических величин, имеют, как правило, несравненно лучшие метрологические характеристики по сравнению с датчиками неэлектрических величин, то основной вклад в погрешность результата измерения вносится составляющей, обусловленной погрешностью датчика. Это необходимо иметь в виду при выборе датчиков неэлектрических величин для решения конкретной измерительной задачи.