Виды измерительных систем

Примерная структурная схема ИС показана на рис. 11.1.

Основными частями ИС являются:

• • компьютер с периферийными устройствами;
• • программное обеспечение, представляющее собой совокупность взаимосвязанных программ, написанных на алгоритмических языках разного уровня;
• • интерфейс;
• • формирователь испытательных сигналов, воздействующий на объект измерения с целью получения измерительных сигналов, которые вырабатывают последовательно соединенные ЦАП и преобразователь «напряжение — испытательный сигнал»;
• • измерительные каналы системы, которые предназначены для измерения и преобразования сигнала в цифровую форму. Структура измерительного канала существенно зависит от решаемой задачи. При обработке нескольких измерительных сигналов одним ЛЦП в состав канала включают коммутатор, предназначенный для поочередного подключения сигналов ко входу АЦП.

Рис. 11.1. Структурная схема измерительной системы

ИС классифицируют по различным признакам. В зависимости от числа измерительных каналов ИС могут быть одно-, двух-, трехи многоканальные. ИС, снабженную средствами автоматического получения и обработки измерительной информации, называют автоматической системой. По функциональному назначению информационные ИС делят на ИС, системы автоматического контроля, системы технической диагностики, системы распознавания образов, телеизмерительные, измерительно-вычислительные комплексы.

Измерительная информационная система предназначена для представления измерительной информации в виде, удобном потребителю.

По организации алгоритмов функционирования ИС делят на системы с жестким, заранее заданным алгоритмом функционирования, программируемые и адаптивные.

В жестких системах алгоритм функционирования ИС не меняется, и любое изменение реализуемой функции ИС требует изменения ее структуры. Такие ИС имеют узкую специализацию. К ИС с жестким алгоритмом функционирования можно отнести радиолокатор кругового обзора или метеоспутник, траектория движения которого обусловлена законами механики. В программируемых системах алгоритм их работы изменяется в соответствии с заранее заданной программой, которая составляется в зависимости от условий функционирования объекта исследования. В адаптивных системах алгоритм работы меняется, приспосабливаясь к изменениям измеряемой величины и условий работы объекта. При построении адаптивных систем требуется меньшая априорная информация об объекте исследования, что имеет большое значение при исследовании малоизученных процессов и явлений.

В зависимости от способа организации передачи информации между функциональными узлами системы различают цепочечную, радиальную и магистральную структуры ИС.

Для И С характерна многоуровневая структура, к достоинствами которой относятся:

• • унификация микропроцессоров и связей между ними, что позволяет сократить время разработки системы и легко перестраивать ее под конкретные задачи;
• • разветвленная сеть подсистем нижнего уровня, что повышает надежность системы в целом и дает возможность обрабатывать данные в режиме реального времени;
• • разделение функций между подсистемами верхнего и нижнего уровней, что позволяет снизить требования к быстродействию отдельных подсистем;
• • значительное упрощение и унификация программного обеспечения, что дает возможность заменять или модернизировать отдельные подсистемы нижнего уровня, не нарушая системы в целом.

По принципу действия различают ИС сканирующие, многоточечные, мультиплицированные и параллельного действия.

Сканирующие ИС (рис. 11.2) используют для исследования однородных информационных полей: температурных, радиационных и др., при этом датчик системы перемещается в пространстве. Такие системы дают возможность определять значение параметров в любой точке, линии уровня, значение, расположение и форму экстремумов и т. п.

Основным элементом таких систем является сканирующий датчик, который может быть контактным или бесконтактным.

В зависимости от траектории движения датчика сканирующие системы бывают с жестко запрограммированной траекторией его движения или адаптивные, когда траектория сканирования может измениться в зависимости от получаемой информации.

Рис. 11.2. Сканирующая ИС

Сканирующие ИС могут использовать активный датчик или пассивный. Примером первой системы служат компьютерные томографы, т. е. устройства для исследования внутренней структуры объекта путем получения с помощью вычислительных методов его послойных изображений (томограмм) и измерения физических характеристик вещества в любой локальной области по результатам просвечивания различными видами проникающего излучения. Примером системы, использующей пассивный датчик (второй случай), служит система определения солености воды, включающая в себя кондуктометр и терморезистор для определения температуры воды.

В многоточечных (мультиплексорных) ИС ПИП размещены сразу во всех точках информационного поля. Подключение датчиков к каналу осуществляется с помощью системных коммутаторов — мультиплексоров. В зависимости от количества физических величин, подлежащих измерению, многоточечные ИС имеют одно-, двухи многоступенчатую системы коммутаторов. Одноступенчатую систему используют при числе датчиков менее 500, а трехступенчатую — более 5000. Например, на Чиркейской ГЭС, которая сооружена на реке Сулак в Буйнакском районе Дагестана, в системе контроля за состоянием тела плотины использовано около 10 000 датчиков.

Для опроса большого количества датчиков используют несколько вариантов. Циклический опрос, когда датчики опрашивают последовательно один за другим, применяют для медленно меняющихся параметров на небольших объектах. Адресный опрос используют, когда наряду с медленно изменяющимися величинами имеют место быстро протекающие процессы. Инициированный опрос применяют, когда в зависимости от веса (значимости) измеряемого параметра, но запросу датчика осуществляют его измерение.

Достоинствами системы являются меньшее количество оборудования по сравнению с ИС параллельного действия, возможность наращивания числа измеряемых параметров. К недостаткам относятся пониженные точность и быстродействие из-за использования мультиплексоров.

Мультиплицированные ИС (система с развертывающим уравновешиванием или с общей мерой) применяют в том случае, когда число измеряемых однотипных параметров доходит до нескольких десятков. Фактически они представляют собой совокупность одноканальных ИС, объединенных общей образцовой мерой (ОМ), устройствами сравнения (УС), одним блоком управления (БУ) и блоком индикации (БИ) (рис. 11.3). Эти системы имеют меньшее число элементов, но сравнению с ИС параллельного действия, обеспечивая практически то же быстродействие. Недостатком является усложнение элементов сравнения.

ИС парашельного действия (.многоканальные ИС) представляют собой многоканальную ИС с использованием микропроцессора (МП) (рис. 11.4). Это один из наиболее распространенных видов системы, обладающей высоким быстродействием, надежностью, независимым управлением каждым каналом измерения, отсутствием коммутаторов, возможностью обслуживани я одного или нескольких каналов без прерывания работы всей системы. Недостатками системы являются ее повышенные сложность и стоимость.

Рис. 113. Мультиплицированная измерительная система

Рис. 11.4. Измерительная система параллельного действия