Конспект лекцій для студентів базового напрямку 0913 " Метрологія та вимірювальна техніка" стаціонарної та заочної форм навчання
 Скачать 0.92 Mb.
|
|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА” ВСТУП ДО ТЕОРІЇ ВИМІРЮВАЛЬНО - ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ для студентів базового напрямку 6.0913 “ Метрологія та вимірювальна техніка” стаціонарної та заочної форм навчання 2 Затверджено на засіданні кафедри “Інформаційно-вимірювальні технології” Протокол № 8 -07/08 Від 7 травня 2008 р. Львів 2008 3 Вступ до теорії вимірювально - інформаційних систем: Конспект лекцій для студентів базового напрямку “Метрологія та вимірювальна техніка”/ Укл.: Петровська І.Р. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2008. – 91 с. Укладач Петровська І.Р., канд. тех. наук, доц. Рецензент д.т.н., проф. Скоропад П.І. 4 З М І С Т Стор. ВСТУП .......................................................................................................... 5 КЛАСИФІКАЦІЯ ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ .......... 7 ВИМІРЮВАЛЬНИЙ КАНАЛ .................................................................. 8 ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ ................................................................. 9 ВИМІРЮВАЛЬНО-ІНФОРМАЦІЙНІ СИСТЕМИ (ВІС) ................ 11 Класифікація ВІС ...................................................................................... 11 Класифікація ВІС “згідно із застосуванням” ........................................... 13 Визначення поняття " вимірювально- інформаційна система" .............. 15 Призначення ВІС ......................................................................................... 16 ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВІС ................................................. 18 Пропускна здатність ВІС .......................................................................... 18 Надійність ВІС .......................................................................................... 18 Імовірність безвідмовної роботи ВІС ....................................................... 18 Швидкодія ВІС .......................................................................................... 18 Похибки ВІС .............................................................................................. 19 Інформаційна швидкість ВІС ................................................................... 19 Технічна швидкість ВІС ........................................................................... 19 Ефективність ВІС ........................................................................................ 19 КРИТЕРІАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВІС ..................................... 20 Критерії питомих затрат ВІС ................................................................... 20 Взаємозв`язок критеріїв питомих затрат ВІС ........................................ 20 База сигналу ВІС ....................................................................................... 21 Вимоги до потужності сигналу ВІС ........................................................ 22 УЗАГАЛЬНЕНА СТРУКТУРА ВИМІРЮВАЛЬНО- ІНФОРМА- ЦІЙНОЇ СИСТЕМИ ................................................................................ 23 Інтерфейси ВІС ........................................................................................... 24 Інтерфейс приладів НР-ІВ .................................................................. 25 Вимірювально-обчислювальні комплекси (ВОК) ................................... 27 5 Призначення та особливості побудови ВОК ..................................... 27 Структура ВОК .................................................................................... 28 Вимірювально-обчислювальні мережі (ВОМ) ......................................... 29 Локальні вимірювально-обчислювальні мережі (ЛВОМ) .............. 30 Структура ЛВОМ ................................................................................ 30 БАГАТОКАНАЛЬНІ ВИМІРЮВАЛЬНО – ІНФОРМАЦІЙНІ СИСТЕМИ ................................................................................................ 32 Класифікація чутливих елементів ВІС ................................................... 32 Структурна схема багатоканальної ВІС ................................................. 33 Ортогональні сигнали ............................................................................... 34 Класифікація ВІС по виду ознаки розділення сигналів ........................ 34 РОЗДІЛЕННЯ КАНАЛІВ ЗА ФОРМОЮ (РКФ) ............................... 36 Застосування функцій Уолша для розділення каналів ........................... 36 Реалізація функцій Уолша ........................................................................ 38 Застосування матриць Адамара для розділення каналів ...................... 38 Сигнали з РКФ, що використовують складувані сигнали ..................... 39 Вибір вагових чинників ...................................................................... 40 Нелінійне ущільнення / розділення каналів ........................................... 41 Система з розділенням каналів за рівнем ........................................... 42 ЦИФРОВА МАЖОРИТАРНА СИСТЕМА З НЕЛІНІЙНИМ УЩІЛЬНЕННЯ ТА ЛІНІЙНИМ РОЗДІЛЕННЯМ КАНАЛІВ .................................................................... 44 Основні елементи і показники ефективності систем ................... 44 Принципи функціонування системи .............................................. 45 СИСТЕМИ З ЧАСТОТНИМ РОЗДІЛЕННЯМ КАНАЛІВ ............ 49 Структурна схема передаючої частини радіосистеми з частотним розділенням каналів ............................................................ 50 Структурна схема приймальної частини радіосистеми з частотним розділенням каналів ............................................................ 51 Класифікація завад систем з частотним розділенням каналів ............. 52 Перехресні завади ............................................................................. 52 Критерії вибору амплітуди канальних сигналів ..................... 55 6 Завади по сусідньому каналу .......................................................... 57 Для випадку амплітудної модуляції .......................................... 57 Для випадку частотної модуляції .............................................. 59 Аналіз систем з РКФ та ЧРК ..................................................................... 60 ЧАСОВЕ РОЗДІЛЕННЯ КАНАЛІВ (ЧасРК) ..................................... 61 Вибір частоти опитування ВІС з часовим розділенням каналів .......... 61 Аналіз систем з ЧРК та Час РК ................................................................. 62 Комутатори ВІС з часовим розділенням каналів .................................... 64 Головні характеристики комутаторів .......................................... 64 ЗАВАДОСТІЙКЕ КОДУВАННЯ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ІНФОРМАЦІЇ 65 Принципи формування кодека Хемінга ................................................... 69 СИСТЕМИ ІНТЕНСИВНОСТІ ........................................................... 71 Переваги систем інтенсивності ............................................................... 71 Класифікація систем інтенсивності ........................................................ 71 Телевимірювальна система інтенсивності .............................................. 73 СТАТИСТИЧНІ СИСТЕМИ ................................................................ 76 Критерії серій ............................................................................................. 77 СИСТЕМИ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛІЗУ ...................................... 79 СИСТЕМИ АВТОМАТИЗОВАНОГО КОНТРОЛЮ ...................... 83 СИСТЕМИ РОЗПІЗНАВАННЯ ОБРАЗІВ .......................................... 86 Класифікація системи розпізнавання образів ......................................... 88 Застосування систем розпізнавання образів ........................................... 88 ПЕРЕЛІК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ .............................. 90 7 В С Т У П Вимірювальний експеримент покликаний забезпечувати необхідною інформацією практичну діяльність людини. При цьому, для виконання певної мети експерименту, необхідно вимірювати десятки й сотні різноманітних параметрів та передавати їх лініями зв’язку споживачеві. З цією метою використовують вимірювально-обчислювальні комплекси, мережі та системи. Останні є основною підсистемою двох попередніх. Найчастіше системи – багатоканальні, тобто використовують для зв’язку між передавальною (яка починається сукупністю джерел вимірювальної інформації – первинними перетворювачами) та приймальною (яка завершується споживачем вимірювальної інформації) частинами одну лінію зв’язку. Шлях від перетворювача до споживача (й зокрема, через спільні для всіх джерел елементи) називається вимірювальним каналом. Процедура формування групового сигналу від усіх джерел називається ущільненням каналів, а виділення із групового сигналу інформації про сигнал окремого джерела – розділенням. Надійне ущільнення та розділення каналів може бути лінійним та нелінійним. В першому випадку операції над канальними сигналами лінійні (додавання та множення на сталий коефіцієнт – підсилення та масштабування), в другому – нелінійні. Серед лінійних відоме ущільнення і розділення за часом, частотою та формою; тобто відповідно: - кожному з джерел виділяється свій проміжок часу, протягом якого воно передаватиме лінією зв’язку свій вимірювальний сигнал; - кожному джерелу виділяється своя смуга частот, в межах якої передаватиметься його вимірювальний сигнал; - кожне із джерел свою вимірювальну інформацію переносить сигналом, форма якого відрізняється від сигналів інших джерел. Оскільки, переважно, системи – цифрові, а вимірювальні сигнали – аналогові, тому, отже, виникає потреба здійснення операцій дискретизування їх в часі та квантування за рівнем (а часто і завадостійкого кодування), то найчастіше використовують розділення каналів у часі, яке реалізується при допомозі мультиплексорів, а вибір частоти опитування базується на використанні теореми відліків Найквіста – Котельникова, орієнтованій на найвищу частоту в сукупності спектрів вимірювальних сигналів. Краще погодження частотних властивостей джерел і процедури опитування забезпечує метод суб- та супер- комутування. Для забезпечення кращої завадостійкості здійснюється завадостійке кодування цифрової інформації, зокрема блоковими чи циклічними кодами. 8 Мета викладання дисципліни. Зростання складності об'єктів народного господарства, розширення обсягу досліджень обумовило перехід від приладів, через багатоточкові прилади до інтелектуалізованих систем, вимірювально- обчислювальних комплексів та мереж. Викладання дисципліни має на меті вивчення загальних принципів побудови багатоканальних систем, спряження вимірювальної та обчислювальної техніки. Ця дисципліна є дисципліною загально - технічної підготовки. Завдання вивчення дисципліни. Внаслідок вивчення дисципліни студент повинен знати: - основні компоненти систем; - принципи лінійного та нелінійного розділення каналів; - основи аналізу похибок систем; Внаслідок вивчення дисципліни студент повинен вміти: - скомпонувати систему конкретного призначення; - проаналізувати похибки системи; - розрахувати необхідні технічні характеристики системи. 9 КЛАСИФІКАЦІЯ ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ Вимірювання здійснюють з застосуванням призначених для цього спеціальних технічних засобів - засобів вимірювальної техніки (ЗВТ). Ці засоби приводять до взаємодії з об’єктом в результаті чого на їх входах отримують сигнали, що містять інформацію про вимірювану величину. До ЗВТ (рис.1) відносять засоби вимірювань (ЗВ), які самостійно забезпечують повну процедуру вимірювання величини, тобто отримання результату вимірювання, та вимірювальні пристрої (ВП), які виконують лише одну з вимірювальних операцій і самостійно не забезпечують отримання результату вимірювання, а лише в сукупності з іншими [1]. Засоби вимірювальної техніки Засоби вимірювань Вимірювальні пристрої Вимірювальні прилади Вимірювальні системи Вимірювальні канали Вимірювальні устави Міри Компаратори Вимірювальні перетворювачі Обчислювальні компоненти Рис. 1. Класифікація засобів вимірювальної техніки. Засобами вимірювань є: вимірювальні прилади: термометр, вольтметр, штангенциркуль, тощо; вимірювальна система температурного поля; канал вимірювання напруги в системі вимірювань експлуатаційних параметрів генератора енергоблоку електричної станції; устава для дослідження магнітних властивостей матеріалів, тощо. Вимірювальними пристроями є: міра маси, багатозначні міри (магазини) електричного опору, ємності; компаратор напруги, терези (компаратор маси), магнітний компаратор електричного струму; вимірювальний перетворювач температури в е.р.с. (термоелектричний перетворювач), перетворювач механічної деформації в зміну електричного опору (тензорезистивний перетворювач), вимірювальний подільник, підсилювач, трансформатор (масштабні перетворювачі); обчислювач витратоміра, обчислювач статистичних параметрів випадкового процесу, обчислювач характеристик температурного поля котлоагрегату ТЕС, обчислювач коефіцієнтів аналітичної залежності функції 10 перетворення вимірювального перетворювача. 11 ВИМІРЮВАЛЬНИЙ КАНАЛ Це сукупність засобів вимірювальної техніки, засобів зв’язку та інших пристроїв, призначена для отримання вимірювальної інформації про одну вимірювальну величину. Переважно вимірювальний канал складається з декількох блоків, серед яких найважливішими є (рис.2) [1]: - вимірювальний перетворювач, або сенсор (С), який сприймає вимірювану величину і перетворює її у вихідну, придатну для подальшого перетворення і пересилання; - кондиціонер (нормалізатор) сигналу (КС), в якому відбуваються низка вимірювальних операцій над вихідним сигналом сенсора з метою допровадження цього сигналу (переважно електричної напруги) до рівня, придатного до подальшого аналого-цифрового перетворення; - АЦП – аналого-цифровий перетворювач, що здійснює автоматичне перетворення розміру аналогового сигналу (переважно, електричної напруги) у її цифрове (числове) значення; - І – інтерфейс – це група технічних пристроїв (перетворювачів кодів, формувачів і модуляторів сигналів, з’єднувачів, кабелів, тощо) і відповідних програм керування, які призначені для пересилання вимірювальної інформації між ЗВТ, обчислювальними, відліковими та реєструючими пристроями. Вимірю- вальний перетворювач ( Сенсор,С) Кондиціонер ( нормалізатор) сигналу ( КС) Аналого- цифровий перетворювач ( АЦП) Інтерфейс ( І) Х Y U nx N x D x Рис. 2. Передача вимірювальної інформації у вимірювальному каналі. На рис. 2 використано позначення: Х - вимірювана величина; Y – вихідна величина сенсора ; U nx – нормалізований рівень сигналу, придатний для подальшого аналого-цифрового перетворення N x – результат аналого-цифрового перетворення; D x - цифрові дані, що пересилаються з виходу АЦП до подальшого опрацювання, зберігання чи (і) реєстрації Оскільки аналого-цифрові перетворювачі звичайно виготовляються на задані рівні вхідних сигналів (переважно вхідною величиною АЦП є напруга у заданому діапазоні, наприклад, одно полярна в діапазонах 0-1 В; 0-2 В; 0-5 В; 0- 10 В чи інші, або у двох полярних діапазонах), тому незалежно від роду і виду вихідного сигналу вимірювального перетворювача (сенсора) на виході КС мусить бути сформований сигнал з заданими властивостями, найголовніша з яких – це заданий діапазон її зміни. Тому даний елемент вимірювального каналу називають нормалізуючим 12 перетворювачем, чи перетворювачем з уніфікованим вихідним сигналом, а останнім часом в зарубіжній літературі з вимірювальної техніки такі пристрої називають кондиціонерами сигналів. Відповідні вимірювальні операції носять назву кондиціонування вимірювального сигналу. Дослівно англійський термін conditioning означає покращувати стан, а термін conditioned – відповідний нормі чи стандарту. Тобто кондиціонований сигнал – це сигнал, що відповідає встановленим нормам. Набір перетворень сигналів в кожному конкретному випадку залежить від роду, виду та інших властивостей вимірювальної величини. Наприклад, цими операціями можуть бути перетворення вихідної величини сенсора в електричні напругу чи струм як, підсилення (сигнал замалий) чи послаблення (сигнал завеликий) сигналу, зміщення його початкового рівня (ненульовий вихідний сигнал сенсора при нульовому значенні величини), аналогове фільтрування (сигнал з перетворювача спотворений завадами та шумами), перетворення роду величини (при вимірюваннях характеристик змінних сигналів – середньо квадратичного, середньо випрямленого, амплітудного значень), тощо. ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ Це сукупність вимірювальних каналів, засобів вимірювальної техніки і зв’язку, обчислювальних та інших технічних пристроїв, а також керуючих та обчислювальних програм об’єднаних для отримання вимірювальної інформації про стан досліджуваного об’єкту в цілому. Вимірювальні системи призначаються для вимірювання не однієї величини, а сукупності величин, які характеризують стан об’єкту. При цьому ці величини можуть бути як одного виду, так і різного виду, що характеризують різні властивості об’єкту. Наприклад, для вимірювання температури в різних просторових точках об’єкту (температурного поля у топці котлоагрегату) використовують багатоканальну вимірювальну систему, що має однотипні елементи. Для дослідження параметрів двигуна внутрішнього згорання використовують вимірювальну систему з різними вхідними величинами; температура та тиск газів в циліндрі, напруга запалювання, швидкість обертів, витрата палива, потужність, тощо. Узагальнена функціональна схема вимірювальної системи приведена на рис.3 [1]. 13 Пристрої збирання вимірю- вальної інформації Пристрої формування сигналів збудження та регулювання об’єкту До інших систем і мереж, або Об’єкт дос- лід- же- ння Вимірювальні перетворювачі Пристрої обробки вимірю- вальних даних Пристрої відображення зберігання та пересилання даних Х1 Х 2 Х 3 Х n оператор Рис. 3. Узагальнена функціональна схема вимірювальної системи. На досліджуваному об’єкті встановлюються необхідні вимірювальні перетворювачі, які створюють сигнали про значення параметрів. Вихідні сигнали сенсорів за допомогою пристроїв збирання вимірювальних даних (англ. Data acquisition boards (systems)) перетворюються у цифрові дані, які пересилаються до обчислювальних пристроїв, де відбувається необхідна їх обробка. Етап обробки вимірювальних даних включає широкий спектр математичних, в т.ч. логічних операцій, серед яких: розв’язування обернених вимірювальних задач для знаходження значень параметрів об’єкту за результатами вимірювань вихідних сигналів перетворювачів, цифрове згладжування, фільтрація та усереднення сигналів, їх статистичне опрацювання з метою визначення числових характеристик, лінеаризацію функцій перетворення сенсорів та вимірювальних каналів в цілому, корекцію статичних та динамічних похибок, порівняння результатів вимірювань контрольованих параметрів об’єкта з їх заданими допусками і формування відповідних сигналів, формування сигналів збудження об’єкта в процесі його діагностики, тощо. Ці функції виконують обчислювальні пристрої різної продуктивності, від найпростіших до надскладних. Як обчислювальні засоби у вимірювальних системах можуть використовуватися мікро-контролери, мікропроцесори, одно- платні та одно-кристальні ЕОМ, персональні комп’ютери широкого застосування, мультипроцесорні обчислювальні системи, спеціалізовані процесори, тощо. Аналогічно програмне забезпечення вимірювальних систем також може бути різної складності, бути універсальним чи спеціалізованим. 14 Пристрої відображення, зберігання та пересилання (транспорту) даних забезпечує комунікацію вимірювальної системи з персоналом та системами інших ієрархічних рівнів, документування та архівування результатів вимірювань, контролю та діагностики об’єкту. При цьому відображення результатів може відбуватися як в цифровій, так і в аналоговій формі, за допомогою типових цифрових та аналогових відлікових пристроїв та табло, а також віртуальним способом на екранах моніторів. З метою діагнозування стану об’єкту необхідно здійснювати його збудження зовнішніми впливами і далі вимірювати реакцію об’єкта на ці збудження. Для цього служать пристрої керування (формування сигналів збудження), в яких відбуваються зворотні операції: цифрові дані – цифро-аналогове перетворення – аналогове згладжування (фільтрація) – підсилення – зворотне перетворення електричного сигналу у вихідну неелектричну величину. Об’єкт дослідження може бути просторово зосередженим або розпорошеним, може характеризуватися однотипними або різнотипними параметрами, тому збирання вимірювальних даних може здійснюватися зосередженим чи розподіленим способом на основі використання відповідних вимірювальних каналів, пересилання та комутації потоків даних. Важливими елементами вимірювальних систем є їх інтерфейсні компоненти, які забезпечують різні види погоджень між складовими системи: конструктивні, інформаційні, сигналові та програмні. 15 |