ЛЕКЦИЯ №7: «АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЙ»
Учебные вопросы лекции:
Основы автоматизации измерений.
Процесс контроля состояния объекта и возможности его автоматизации.
Компьютерно-измерительные системы.
Виртуальные измерительные приборы.
Учебные и воспитательные цели:
сформировать у студентов представление об основных принципах автоматизации электрорадиоизмерений, основам построения компьютерно-измерительных систем и виртуальных измерительных приборов.
Время – 90 минут.
Вопрос 1. Основы автоматизации измерений
Усложнение современных объектов исследований, рост числа и диапазонов измеряемых параметров, повышение требований к точности измерений и их быстродействию (при ограниченных возможностях оператора в восприятии и обработке больших объемов информации) приводят к необходимости автоматизации электрорадиоизмерений и, следовательно, к снижению загруженности и роли оператора в процессе измерений.
Под термином автоматизация измерений понимается совокупность методических, технических и программных средств, обеспечивающих проведение процесса измерения без непосредственного участия человека. Автоматизация является одним из основных направлений научно-технического прогресса. Цели автоматизации представлены в таблице 1.
Самым мощным средством в интенсификации труда практически во всех сферах человеческой деятельности является широкое применение средств вычислительной техники.
Сопоставив затраты на автоматизацию с получаемой экономией, можно количественно определить ее эффективность. В качестве меры автоматизации установлено понятие “степень автоматизации”, определяемое как “автоматизированная часть выполняемых данной установкой операций“.
Таблица 1 - Цели автоматизации измерений
| Цели автоматизации | |||
| Научные | Технические | Экономические | Социальные |
| 1. Повышение эффективности и качества научных результатов за счет более полного исследования моделей 2. Повышение точности и достоверности результатов исследований за счет оптимизации эксперимента. 3.Получение качественно новых научных результатов, невозможных без ЭВМ | 1. Повышение качества продукции за счет повторяемости операций, увеличения числа измерений и получения более полных данных о свойствах изделий. 2. Повышение надежности изделий за счет получения более полных данных о процессах старения и их предшественниках. | 1. Экономия трудовых ресурсов за счет замены труда человека трудом машины. 2. Сокращение затрат в промышленности за счет уменьшения трудоемкости работ. 3. Повышение производительности труда на основе оптимального распределения работ между человеком и машиной и ликвидации неполной загрузки при эпизодическом обслуживании объекта | 1. Повышение интеллектуального потенциала за счет поручения рутинных операций машине. 2. Ликвидация случаев занятости персонала операций в нежелательных условиях. 3. Освобождение человека от тяжелого физического труда и использование сэкономленного времени для удовлетворения духовных потребностей. |
Обобщенная структурная схема СИ, присущая любому измерительному прибору, устройству, системе, приведена на рис. 1.
Рисунок 1 – Общая структурная схема средств измерений
Анализ этой схемы приводит к определению основных задач автоматизации:
1) При автоматизации сбора измерительной информации необходимо обеспечить:
- унификацию выходных сигналов измерительных преобразователей;
- программно-управляемую коммутацию сигналов на общий канал связи;
- автоматический выбор диапазонов измерений.
2) При автоматизации операций измерительной цепи (канала) типовой набор операций:
- прием информации;
- фильтрацию;
- усиление;
- аналого-цифровое преобразование.
3) При автоматизации передачи информации в ЭВМ:
- согласование измерительной цепи с информационной магистралью вычислительной устройства (интерфейс). Интерфейс определяет формат передаваемой и принимаемой информации, уровни сигналов, организацию управляющих сигналов и т.д.
4) Автоматизация обработки измерительной информации предполагает:
- включение в измерительную цепь вычислительных средств (серийно выпускаемых ЭВМ);
- разработку специализированных средств на базе микропроцессорных средств.
5) Автоматизация индексации и документальной регистрации результатов измерений обеспечивается:
- периферийными выходными устройствами;
- цифро-буквопечатающими устройствами;
- графопостроителями;
- дисплеями;
- цифровыми индикаторными табло и т.д.
Выбор необходимого устройства и вывод информации на ЭВМ при этом должен осуществляться автоматически.
Необходимость измерения огромного количества разнообразных физических величин потребовала разработки средств измерений, позволяющих получать необходимую информацию без непосредственного участия человека, т.е. выполняющих измерения автоматически.
Автоматизация позволяет обеспечить:
- сбор измерительной информации в местах, недоступных для человека;
- длительные, многократные измерения;
- одновременное измерение большого числа величин;
- измерение параметров быстропротекающих процессов;
- измерения, характеризующиеся большими массивами информации и сложными алгоритмами ее обработки.
Следует различать полную и частичную автоматизацию. Процесс измерения, при котором обратная связь управления осуществляется без участия человека называется автоматическим. Если оператор является одним из звеньев в цепи получения измерительной информации – речь идет об автоматизированных измерениях.
Автоматизация измерений не принижает роль исследователя, инженера или техника, планирующих и использующих результаты измерений. Наоборот, она повышает производительность их труда, требует от них более высокого уровня знаний не только средств измерений но и тех задач, которые решаются при приеме и обработке измерительной информации, умения заложить оптимальную программу измерений и дать правильное толкование результатов измерения.
Типовая схема автоматизированных измерений изображена на рис. 2.
Рисунок 2 – Типовая схема автоматизированных измерений
Объектом измерения может быть некоторый процесс, явление или устройство. Измеряемые величины воспринимаются датчиками, с выходов которых электрические сигналы поступают на коммутатор. Коммутатор повышает коэффициент использования измерительной установки при многоканальных измерениях. Опрос датчиков может быть циклическим (параметры однородны и стационарны), программным (параметры стационарны, но неоднородны) или адаптивным (параметры нестационарны).
Электрический сигнал с выбранного коммутатором датчика преобразуется в цифровой код в АЦП. Интерфейс обеспечивает сопряжение измерительного канала с ЭВМ. Далее измерительная информация подвергается обработке по заданной программе в ЭВМ и представляется в удобной форме на экране дисплея или отпечатанной на бумаге. База данных (БД) предназначена для хранения необходимой измерительной и справочной информации.
Автоматические средства измерений в процессе своего развития прошли ряд этапов становления.
На первом этапе развития автоматизации подвергались лишь средства сбора измерительной информации и ее регистрации на аналоговых индицирующих и регистрирующих устройствах. Обработку результатов измерений и выработку соответствующих решений и исполнительных команд осуществлял оператор. В подобных системах управления объектом средства измерений представляли собой набор отдельных измерительных приборов. В результате при измерении большого числа параметров объекта оператор был не в состоянии охватить всю полученную информацию и принять оптимальное решение по управлению объектом. Это приводило к расшерению штата обслуживающего персонала, к снижению надежности и качества управления и возрастанию эксплуатационных расходов.
На втором этапе все возрастающие требования к средствам измерений, обусловленные интенсификацией потоков измерительной информации, привели к созданию информационно – измерительных систем. В отличие от измерительного прибора информационно – измерительная система обеспечивает измерение большого количества параметров объекта и осуществляет автоматическую обработку получаемой информации с помощью встроенных в систему вычислительных средств. В задачу оператора системы управления теперь стали входить только принятие решений по результатам измерений и выработка команд управления. Централизованный сбор информации и ее обработка с помощью средств вычислительной техники резко повысило производительность труда, но не освободило его от ответственности за управление объектом, обслуживаемого системой.
На третьем этапе развития появились информационно-управляющие системы и информационно – вычислительные комплексы, в которых осуществляется полный замкнутый цикл обращения информации от ее получения до обработки, принятия соответствующих решений и выдачи команд управления на объект без участия оператора. Главное достоинство таких систем заключается в том, что алгоритм работы систем стал программно – управляемым, легко перестраиваемым при изменении режимов работы или условий эксплуатации объекта. Труд оператора сводится к диагностике состояния системы управления, разработке методик измерения и программ функционирования.
Выделение этапов развития СИ является приближенным и зависит от тех направлений науки и техники, в которых исследуются вопросы применения измерительной техники.
ЦАП используется для двух целей: представление результатов измерений в аналоговой форме с дальнейшим их преобразованием в графическую форму и преобразования команд ЭВМ в аналоговые сигналы с целью управления объектом измерений. Канал управления позволяет активно воздействовать на объект (нагревать, охлаждать, облучать, деформировать, перестраивать), следя одновременно за реакцией его на эти воздействия. Наличие ЭВМ позволяет производить вычислительный эксперимент.
Сейчас средства электрорадиоизмерений достигли достаточно высокого уровня развития и в большинстве имеют наивысшие точности. Переход к построению цифровых средств измерений привел к созданию автоматизированных измерительных систем с использованием микропроцессоров. Автоматизированными средствами измерений считают автономные непрограммируемые приборы и гибкие измерительные системы (ГИС), построенные на базе цифровой техники.
Автономные непрограммируемые приборы работают по жесткой программе и предназначены для измерений определенных параметров сигналов и характеристик цепей. В этих приборах автоматически выполняется только часть измерительных операций, например, таких,какопределение полярности входного сигнала и установка пределов измерения.
ГИС позволяют программным способом перестраивать систему для измерения различных физических величин и менять режим измерений. При этом аппаратная часть измерительной системы не изменяется.
По структурному построению ГИС подразделяются на интерфейсные, микропроцессорные и компьютерно-измерительные.
Наиболее мощные типы ГИС — измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) — создаются путем объединения с помощью специальной многопроводной магистрали в одну измерительную систему компьютера, измерительных приборов и устройств отображения информации. Связь между компьютером и всеми остальными узлами и их совместимость обеспечиваются с помощью совокупности аппаратных, программных и конструктивных средств.
Устройство сопряжения компьютера со средствами измерений или любыми другими внешними системами называют интерфейсом. Иногда в это понятие включают и программное обеспечение автоматизированной системы. Обычно в ИВК используются стандартные устройства (модули), подключенные к общей магистрали, и стандартные интерфейсы (в России — это интерфейсы типа МЭК 625.1, КАМАК и др.). При этом для решения новой метрологической задачи достаточно сменить часть модулей, используемых в качестве источника или приемника информации, и программное обеспечение.
В микропроцессорных ГИС все узлы подключаются непосредственно к магистрали микропроцессора. Встроенные микропроцессоры осуществляют сервисные операции, обеспечивают различные режимы измерений и определяют ряд параметров сигнала или цепи. Работа таких приборов выполняется в соответствии с программами, заложенными в запоминающем устройстве.
В настоящее время во многих измерительных системах применяются персональные компьютеры. Это, прежде всего, связано с тем, что компьютер делает измерительную систему исключительно гибкой, так как пользователь может легко изменить его программное обеспечение. Компьютерно-измерительные системы объединяют средства измерений, обработки, вычислений и управления на собственной шине персонального компьютера.