Седалищев В.Н. Методы и средства измерений электрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

данных, но и с функционально-модульным интерфейсом. Для работы с таким

интерфейсом используют приборные драйверы, т.е. программы, которые

управляют отдельными приборами. labVIEW имеет свою библиотеку

приборных драйверов, но это не исключает возможность создания любых

других необходимых драйверов.

13.11 Принципы построения интеллектуальных и виртуальных

измерительных устройств

Создание МП, а затем и ПК в 80-х годах привело к развитию

аппаратно-программных средств обработки данных. Стало доступно

множество плат для сбора данных, обработки, анализа и отображения

информации. Стали появляться датчики с встроенными МП

(«интеллектуальные» или «умные» датчики). Программное обеспечение с

использованием искусственного интеллекта используется для интерпретации

данных, полученных

от датчиков. В датчиках осуществляется дискретизация

данных и преобразование измерительного сигнала в цифровой код.

Специализированные МП для цифровой обработки сигналов (ЦОС)

применяются для целей фильтрации, Фурье – анализа сигнала и т.п. Это

позволяет производить сбор данных с большой скоростью и затем передавать

их на ПК. Это обеспечивает работу измерительных систем в

режиме

«реального» времени.

Для ввода измерительной информации в ПК используют специальные

платы сбора данных. В настоящее время на рынке представлено большое

разнообразие ПСД. Поэтому необходимо знать характеристики, по которым

нужно производить выбор плат. Разница в стоимости плат обусловлена

отличием в скорости, разрешении и сложности систем сбора данных. В

простой

плате обычно используется 12-разрядный АЦП с быстродействием в

1 мс без возможности обработки измерительной информации, а только для

передачи ее в ПК. Более дорогие платы имеют собственную память и

средства обработки информации с возможности промежуточной записи

данных на носитель. Определяющей цену платы характеристикой является

скорость съема информации. Высокоскоростные платы включают в

себя 16-

разрядные АЦП с временем преобразования 10мкс. Имеют мало каналов, что

позволяет повысить их быстродействие (если отключить неработающие

каналы, то быстродействие возрастет).

Критерии выбора плат сбора данных:

• требуемая частота сбора данных;

• требуемое разрешение по напряжению, разрядность;

• количество каналов:

• диапазон изменения измерительного сигнала;

• возможность изменения диапазона измерений

• тип измерительного сигнала (одно- или двухполярный;)

• наличие дифференциального входа;

• по виду напряжения;

• нужен ли аналоговый вход;

• уровень шумов;

• линейность;

• температурная стабильность.

Рис. 13.4 Структура встраиваемой платы сбора данных.

Сменная встраиваемая плата сбора данных и управления (ПСДУ)

содержит обычно следующие основные элементы:

• мультиплексор, обеспечивающий параллельный ввод сигналов;

• устройство выборки и хранения (УВХ);

• АЦП;

• цифровой сигнальный МП.

Обмен информацией между ПСДУ и компьютером происходит либо через

механизм прерываний, либо

в режиме прямого доступа к памяти.

Информационный сигнал поступает с датчиков на плату через

устройство согласования сигналов (УСС), которые могут выполнять

различные функции: усиление, питание датчиков, переключение,

фильтрацию сигналов и т.п.

«Умные» датчики со встроенными МП позволяют производить

обработку информации в самом датчике. Выходной сигнал может быть в

аналоговой

или цифровой форме. Используют системы пожаро- и

взрывозащиты. Для них используют специальные микропроцессоры с

усеченным набором инструкций. Для повышения производительности

создают микроконтроллеры. Это МП с дополнительной памятью, ЦАП и

АЦП, специальное программное приложение с возможностью обкатки

программ на симуляторе. Разрабатывают и специализированные ЦОС МП

для цифровой фильтрации, быстрого преобразования Фурье…

Программируемые интегральные логические схемы (ПЛИС) используют для

разработки простых устройств, но есть и специальные заказные ИС.

Рис. 13.5 Лицевая панель виртуального осциллографа.

В некоторых случаях требуется обрабатывать и анализировать

информацию, поступающую от нескольких датчиков, но при этом оператор

не успевает оценить информацию с требуемой скоростью или показания

одних должны быть взаимоувязаны с другими и т.п. Задачи такого рода

стимулировали развитие систем с искусственным интеллектом на

основе

устройств с нечеткой логикой и искусственных нейронных сетей.

13.12 Интерфейсы ИИС

Интерфейс – это совокупность цепей, объединяющих различные

устройства и алгоритмы, определяющая порядок передачи информации

между этими устройствами.

Цепи интерфейса подразделяются на три группы: информационные,

адресные и управляющие. Различают программные и физические

интерфейсы. Информация передается в виде кодов. Для различения

байтов

данных, команд, и адресов используются дополнительные сигналы. Для

инициирования передач, синхронизации работы устройств и завершения

передачи служат управляющие сигналы.

Рис. 13.6 Графическое представление различных типов интерфейсов:

ПР – преемник; Пер – передатчик.

Основной характеристикой интерфейса является скорость передачи

информации, которая зависит от алгоритма передачи и технических

характеристик цепей связи. В целях модульного принципа построения систем

разработаны стандартные интерфейсы, обеспечивающие информационную,

электрическую и конструктивную совместимость различных устройств.

В настоящее время используются следующие структуры

интерфейсов:

одно-, двух- и трехступенчатые с возможными вариантами исполнения:

цепочечная, радиальная, магистральная, радиально-магистральная, каждая из

которых может быть с централизованным или децентрализованным

управлением. Обмен информацией может быть осуществлен синхронным

или асинхронным методом. Синхронный метод передачи и приема сигналов

производится в фиксированные моменты времени. Темп обмена

информацией при асинхронном методе

определяется сигналом квитирования.

Этот метод особенно эффективен при обмене информацией с различным

быстродействием функциональных блоков.

В ИИС используются следующие основные интерфейсы HP-IB,

КАМАК, PDP-11, RS-232, RS-422, RS-423, ЕВРОБАС, ФАСТБАС, а также

системные интерфейсы микроЭВМ. Приборный интерфейс предназначен для

взаимодействия программируемых и непрограммируемых приборов и

построения на их основе ИИС.

Соединение приборов осуществляется посредством многопроходного

магистрального канала общего пользования (КОП) (зарубежный аналог IEEE-

488) длиной не более 20 м. Число приборов, подключаемых к магистрали,

не

должно превышать 15. Обмен информацией между приборами происходит

под управлением контроллера. Всего регламентируется 10 интерфейсных

функций. Каждая функция позволяет прибору выполнять прием, передачу и

определенную обработку сообщений. Функции могут быть реализованы как

аппаратно, так и программно.

Интерфейс КАМАК применяется для разветвленных систем сбора

информации с большим числом первичных преобразователей, и представляет

возможность

построения ИИС с двумя уровнями централизации.

Основными конструктивными элементами являются крейт, модуль,

стойка. Крейт (каркас) имеет 25 ячеек, в которые устанавливаются модули,

из них 23 – рабочие и две станции отводятся для контроллера крейта.

Функциональные блоки могут занимать произвольное расположение.

Магистраль крейта состоит из 81 сквозной шины, проходящей через все

модули, и двух индивидуальных

шин связи каждого управляемого модуля с

контроллером крейта. Крейты связываются между собой и с центральной

ЭВМ верхнего уровня.

Основной недостаток системы – большая аппаратная избыточности

наличие сложной системной части практически в каждом модуле, большая

стоимость интерфейса и всей системы в целом. Поэтому стандарт КАМАК

следует использовать только в сложных ИИС.

Последовательными интерфейсами

периферийных устройств

являются, например, RS-232С, RS-422, RS-423. Основные параметры этих

интерфейсов представлены в таблице.

Технические

характеристики

RS-232 RS-423 RS-422

Вид связи Однопроводная Однопроводная,

несогласованная

Дифференци-

альная,

согласованная

Максимальная длина

линии, м

15 600 1200

Скорость передачи

информации, кбод

20 300 10000

Выходное напряжение ±5…±15, ±3,6 2,0

передатчика, В

Скорость нарастания

выходного сигнала,

В/мкс

Менее 30 Зависит от длины

кабеля и частоты

сигнала

Не ограничена

Входное

сопротивление

приемника, кОм

37 Не более 4 Не более 4

Максимальное

значение напряжения

на приемнике, В

±3 ±0,2 ±0,2

Число линий

интерфейса

1 1 2

Режим обмена Симплексный Симплексный Полудуплексн

ый

В основе интерфейсов RS-232, RS-423 лежит однопроводная

несогласованная линия, по которой информация передается двухполярными

посылками со скоростью до 20 Кбод и до 300 кБод для RS-423 при длине

кабеля 15 и 600 м соответственно. В однопроводной линии для передачи

сигнала используется один провод, напряжение на котором сравнивается в

приемнике с напряжением линии «Общая земля», общий для всех

сигнальных проводов.

Этот способ построения линии наиболее прост, но имеет существенный

недостаток: на информационный сигнал накладываются помехи в линии. Так

как помехи в линии пропорциональны длине линии связи и ширине полосы

рабочих частот, то в интерфейсах наложены ограничения на оба параметра.

Например, в интерфейсе RS-423 при скорости передачи информации 3 кБод

длина линии

может достигать 1200 м, а при скорости 300 кБод – всего лишь

12 м. Кроме того, для уменьшения взаимных помех скорость нарастания

фронтов передаваемых сигналов ограничивается до 30 В/мкс.

Интерфейс RS-422 распространяется на симметричные

дифференциальные линии (витая пара, радиочастотный кабель), обладающие

лучшими характеристиками, чем для однопроводных линий. В частности, по

линии RS-422 возможна передача информации со

скоростью 100 кбод на

расстояние до 1200м и со скоростью 10 Мбод на расстояние до 12м.

Дифференциальный режим достигается применением

дифференциального передатчика, согласованной линии связи (в виде витой

пары или радиочастотного кабеля)и дифференциального приемника. Сигнал

передатчика появляется на входе приемника в виде разностного напряжения,

тогда как помехи в линии остаются синфазными.

Благодаря этому

дифференциальный приемник с достаточным диапазоном подавления

синфазной составляющей может отличать сигнал от помехи. К тому же этот

интерфейс позволяет наряду с симплексным режимом передачи организовать

полудуплексный режим работы и мультиплексный режим последовательной

передачи данных. В последнем случае, применяемом для связи между

периферийными устройствами микропроцессорных систем, для передачи

информации в одном направлении используются две дифференциальные

симметричные линии связи, например, витые пары. В исходящем

направлении включены один передатчик и несколько приемников. Такой

режим позволяет обслуживать до 12 абонентов. Основные трудности

заключаются в обеспечении хорошего заземления системы.

Интерфейс «Общая шина» разработан для связи центрального

процессора семейства

IBM, где используется магистральная система шин с

раздельными шинами для адресных сигналов и данных, а также с отдельной

шиной для сигналов управления. К каналу обмена информацией между

отдельными функциональными блоками ЭВМ можно подключить

дополнительные блоки памяти и различные устройства ввода – вывода. Такое

расширение возможностей ЭВМ позволяет использовать его в ИИС, АСУТП

и строить на ее базе ИВК. Обмен информацией между функциональными

блоками происходит асинхронно по каналу, который представляет собой

магистраль, состоящую из 38 линий.

13.13 Принципы построения беспроводных систем сбора первичной

измерительной информации

Предлагаемые в настоящее время на рынке современных технологий

беспроводные способы соединения модулей в единые измерительно-

информационные комплексы основаны на

использовании в качестве

несущего сигнала оптического и радиоизлучения. Для этих целей

международными соглашениями закреплено несколько частотных

интервалов безлицензионного использования, в том числе диапазон 2,4 ГГц

(ISM – Industry, Science, Medicine). В нем, в зависимости от желания

заказчика, условий «видимости», расстояний, наличия помех выбор

разработчика может быть остановлен на той или иной стандартизированной

технологии передачи данных, например, Bluetooth, WiFi, WiMax, ZigBee,

NanoNet и др. В таблице приведены характеристики приемопередатчиков

различных производителей, выпускающих чипы для радиосвязи.

Характеристика ZigBee NanoNet WiFi USB ATR2406 Bluetooth

Скорость

передачи

данных, Кбит/с

250 500-2000 1000-

11000

64 1152 1000

Дальность, м 70 900 200 300 160 100

Ток передачи,

мА

19,7 55-78 600 69,1 57 70

Ток приема, мА 17,4 40 - 57,7 42 45

Спящий режим,

мкА

1 1 - 1 1 2000

Выходная

мощность, мВт

1 8 100 1 6 100

По значению энерговклада на передачу одного бита лидером является

немецкая фирма Nanotron Technologies Gmbh, выпускающая продукцию для

сетей NanoNet. Именно этот параметр (затраты энергии на передачу

определенного объема информации) является определяющим в выборе

технологии при разработке сетей датчиков, большинство которых питается

от батарей, аккумуляторов.

При разработке беспроводных систем сбора данных рассматривают

следующие важные аспекты проектирования

• протоколы маршрутизации в сетях;

• экономия расходуемой энергии;

• стоимость обслуживания;

• обеспечение безопасности сетей датчиков;

• надежность связи между узлами;

• проблемы, связанные с накоплением собранных данных;

• организация соответствующей базы данных.

В настоящее время реализуют три типа таких измерительных сетей. В первом

случае используется только один узел-

сток сбора измерительной

информации. Во втором типе сетей узлов может быть много, их число

зависит от требуемой зоны покрытия, радиуса действия связи, конфигурации

и режима работы сети, периода опроса датчиков, специфики решаемой

задачи и других факторов. Третий тип узлов – это ретрансляторы

(маршрутизаторы). Возможно также существование смешанных типов узлов

сбора измерительной

информации.

Принцип работы сетей данного типа основан на том, что датчики измеряют

некоторый параметр, затем передают измерительную информацию в

пакетном режиме узлу-стоку либо напрямую, либо через цепочку

ретрансляторов. Пункт сбора информации подключен к компьютеру, на

котором осуществляется обработка данных, их визуализация, накопление,

передача через глобальные сети пользователям сети датчиков.

состав узла-датчика входят четыре основных компонента:

• источник питания;

• преобразователь измеряемой физической величины в сигнал цифрового

вида;

• вычислительный блок (микроконтроллер);

• приемопередатчик.

Иногда в состав узла может быть включен модуль для определения

координаты (географической).

При разработке измерительных сетей данного типа необходимо учитывать

ряд особенностей.

• Зачастую топология

сети и местоположения датчиков не является

детерминированными.

• Датчики, маршрутизаторы и пункт сбора могут быть мобильными.

Поэтому такие сети должны быть способными к

самоконфигурированию, к самоорганизации.

• Более остро, по сравнению с проводными сетями стоит проблема

организации доступа к среде передачи информации. Например, в

случае одновременного прихода информации от нескольких датчиков,

возрастает влияние помех. Для решения этих проблем используют

различные методы разделения во времени режимов приема и передачи

информации.

• Существенное влияние на выбор аппаратуры, алгоритмов

маршрутизации

оказывает энергетический фактор. Такие датчики-узлы

должны быть недорогими.

13.15 Метрологическое обеспечение ИИС

В зависимости от состава метрологического обеспечения ИИС

подразделяются на группы:

• общего применения, выпускаемые серийно и предназначенные

для эксплуатации на предприятиях;

• не стандартизированные единичного производства;

• не стандартизированные, комплектуемые из серийных АС ИИС

на объектах эксплуатации

, в том числе в составе АСУТП.

Основные положения метрологического обеспечения ИИС на стадиях

их разработки, производства и эксплуатации устанавливает принятые

обозначения: МХ – метрологические характеристики; ИК – измерительный

канал; НТД – нормативно-техническая документация и др.

Головная организация по метрологическому обеспечению ИИС –

Российский НИИ метрологии измерительных и управляющих систем

(РНИИМИУС) научно-производственного объединения

«Система».

Метрологическую экспертизу проектов технических заданий на

разработку ИИС общего применения должны проводить РНИИМУС или

головные организации по метрологии министерств или ведомств.

14. Подготовка и проведение измерений

14.1 Планирование эксперимента

Теория планирования эксперимента формулирует приемы и способы

оптимальной организации экспериментирования при исследовании объектов

различной физической природы. Она является прикладной математической

наукой, в основе которой лежат теория вероятностей и математическая

статистика. Появление науки о планировании эксперимента связывают с

именем английского ученого Р.Фишера, монография которого впервые в этой

области была опубликована

в 1935 г.

Экспериментальные исследования включают в себя различные формы

эмпирического познания: наблюдение, сравнение, контроль, измерение.

Правильно выбранный план проведения эксперимента позволяет:

• отобрать наиболее существенные факторы, влияющие на объект

исследования и, тем самым ускорить процесс исследований, снизить

его стоимость

• разработать научно обоснованную программу исследований, дающую

достоверную оценку результатов эксперимента при снижении затрат на

его проведение.

Экспериментом называется строгая последовательность заранее

определенных действий, которая

ведет к получению одной или множества

величин, представляющих результат эксперимента.

Эксперимент должен обладать свойством воспроизводимости,

повторяемости. Это означает, что при повторении экспериментов его

результаты должны быть близкими предыдущим.

Соотношение полезного эффекта, полученного в результате

эксперимента, и затрат на его проведение определяет эффективность

эксперимента.

Структура планирования эксперимента должна охватывать следующие

основные задачи:

• Выбор цели эксперимента,

• Выбор исходных данных,

• Выбор оборудования,

• Проведение эксперимента,

• Обработка результатов,

• Анализ результатов.

Задача выбора цели эксперимента важна и определяет все аспекты его

планирования.

Для проведения эксперимента нужно:

• Иметь представление о диапазоне, характеристике измеряемой

величины.

• Обосновано выбрать метод измерения

, наиболее подходящий для

решения поставленной задачи.

• Выбрать средство измерения для данного метода.

• Продумать и составить рациональную методику измерения для данного

метода и средства.

• Оценить, с какой точностью нужно производить измерения.

• Знать какие погрешности и вследствие чего могут возникнуть, искать

способы исключения уменьшения погрешности.

Целью эксперимента может

являться нахождение ответа на конкретный

вопрос, оценка состояния физической системы, исследование системы,

поведение которой определяется множеством факторов.

По характеру цели эксперимента выделяют следующие его

разновидности:

• Эксперимент для выяснения механизма явления, при котором

необходимо исследовать поведение объекта в целом. Например, при