Реферат: Автоматизированные измерительные и диагностические комплексы, системы

Реферат: Автоматизированные измерительные и диагностические комплексы, системы

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

1. Измерительные информационные системы.

·          Общая классификация измерительных информационных систем

·          Классификация ИИС по функциональному назначению

·          Обобщенная структура ИИС

1. Интерфейсы измерительных информационных систем.

·          Общие понятия и определения

·          Интерфейсные функции

·          Приборные интерфейсы

·          Машинные интерфейсы

1. Заключение.
2. 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.

Страницы: 1, 2, 3