контрольная работа. контр.раб. Контрольная работа по дисциплине Измерительные информационные системы

• Название: Контрольная работа по дисциплине Измерительные информационные системы
• Анкор: контрольная работа
• Дата: 16.01.2022
• Размер: 54.85 Kb.
• Имя файла: контр.раб.docx
• Тип: Контрольная работа; #332488

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Тюменский индустриальный университет»

Институт геологии и нефтегазодобычи

Кафедра кибернетических систем

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Измерительные информационные системы»

Вариант № 1
Выполнил:

ст.гр. АТПбз-19-1

Тельцов В.Н

Проверил: ст.преподаватель каф. КС

Лапик Н.В

Тюмень

ТюмИУ

2022

Оглавление

1.

Список использованной литературы 16

1. 
   Назначение и виды измерительных систем
   

Система измерений - комплекс технически соединенных действий, измерительных приборов, преобразователей, компьютеров и других технических средств, которые располагаются в различных местах на контролируемом объекте и т.п. для измерения одной или нескольких физических величин, типичных данному объекту, и для образования измерительных сигналов различного назначения.

Система измерений - комплекс средств измерений и других технических устройств (комбинированных частей системы измерений), которые связанны определенным способом и которые образуют каналы измерений, реализующих процесс измерений и гарантирующих автоматическое получение показателей измерений (которые выражены в числах или их соответствующие коды), которые изменяются во времени, и распределенные в пространстве физические величины, характеризующие те или иные свойства объекта измерения [6].

Каналы измерения могут состоять как из автономных измерительных систем, так и из более сложных систем: управления, диагностики, распознавания образов, других информационно-измерительных систем, а также систем автоматического управления технологическими процессами. В сложных системах измерительные каналы рационально интегрировать в отдельную подсистему с конкретно определенными ее пределами как на входной стороне (точка подключения к объекту измерения), так и на выходной стороне (точка получения результатов измерений). [3].

Измерительные системы имеют отличительные особенности в основных характеристиках средств измерений и представляют собой их специфическую разновидность.

Системы измерения рассматриваются как составные части более сложных структур - информационно-измерительных систем, которые реализовывают следующие функции: информационно-измерительная, логическая, диагностика, информатика.

Самыми важными характеристиками систем являются: область применения; метод подбора; структура, типы входных сигналов; виды измерений; режим работы, функциональные свойства компонентов.

По организации алгоритма функционирования различают следующие виды ИИС:

− заранее заданным алгоритмом работы, правила функционирования которых не меняются, поэтому их можно использовать только для исследования объектов, работающих в постоянном режиме;

− программируемые, в которых изменяют алгоритм работы по программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования;

− адаптивные, алгоритм работы которых, а часто и структура изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условной работы объекта;

− интеллектуальные, обладающие способностью к перенастройке в соответствии с изменяющимися условиями функционирования и иные выполнять все функции измерения и контроля в реальном и масштабе времени.

По области применения ИИС делят на группы:

− для научных исследований;

− для испытаний и контроля сложных изделий;

− для управления технологическими процессами.

По способу комплектования различают следующие информационно-измерительные системы [6]:

− агрегатированные;

− неагрегатированные, которые состоят из компонентов, специально разработанных для конкретных систем.

Агрегатированные информационно-измерительные системы обычно содержат универсальное ядро, на основе которого построены информационно-измерительные системы различного назначения с применением датчиков различных физических размеров.

По структурным свойствам информационно-измерительные системы делят на:

− системы параллельно-последовательной структуры. Главным отличием такой структуры является наличие измерительного канала циклически коммутируемого с большим количеством датчиков;

− системы параллельной структуры, которые включают огромное количество одновременно работающих каналов, выходные системы которых модифицируются функциональным единым преобразователем и обрабатываются в одном вычислительном устройстве.

Сигналы на входе могут быть непрерывными или дискретными, детерминированными или случайными [3].

В зависимости от связи между быстродействием изменения входных сигналов и инерционными свойствами системы дифференцируют два основных режима работы информационно-измерительных систем: статический и динамический.

В динамическом режиме на конечный результат измерения влияют инерционные свойства системы.

Под компонентом информационно-измерительной системы понимаются технические устройства, которые входят в состав информационно-измерительных систем и выполняют одну из функций, обеспечиваемых процессом измерения и преобразования измерительной информации в другие виды данных. По своему назначению компоненты делятся на измерительные, соединительные, расчетные и информационные.

Измерительный компонент или средство измерений - это измерительный прибор, измерительный преобразователь, мера, измерительный коммутатор.

Измерительные элементы делятся на аналого-цифровые и цифро-аналоговые по характеру функциональных преобразований.

Аналоговые измерительные компоненты могут быть линейными и нелинейными, аналого-цифровые по своей природе являются нелинейными устройствами.

Связующий компонент измерительной системы (или линия связи) - техническое устройство или часть окружающей среды, предназначенное или используемое для передачи с минимально возможными искажениями сигналов, несущих информацию об измеряемой величине от одного компонента системы к другому (проводная линия связи, радиоканал, телефонная линия связи, высоковольтная линия электропередачи с соответствующей каналообразующей аппаратурой, а также переходные устройства - клеммные колодки, кабельные разъёмы и т.п.)

Вычислительный компонент системы – это цифровое вычислительное устройство (или его часть) совместно с программным обеспечением, выполняющее функцию обработки результатов наблюдений для получения расчетным путем результатов измерений, выраженных в виде числа или соответствующего кода [3].

Вычислительные компоненты подразделяются на:

− аналогово-вычислительные – аналоговые устройства, выходной сигнал которых является функцией двух или более сигналов;

− цифровые вычислительные – устройства, выходной цифровой сигнал которых является функцией двух или более сигналов.

Комплексный компонент системы - конструктивно объединенная или территориальная локализованная совокупность компонентов, составляющая часть измерительной системы, завершающая, как правило, измерительные преобразования, вычислительные операции, предусмотренные процессом измерений и алгоритмами обработки результатов измерений в иных целях, а также выработки выходных сигналов системы.

Вспомогательный компонент - техническое устройство, обеспечивающее нормальное функционирование измерительной системы, но не участвующие непосредственно в измерительных преобразованиях.

Информационная составляющая системы представляет собой техническое средство, предназначенное для получения информации, хранения, обработки и передачи информации.

С точки зрения теории информации средств измерений процесс измерения, выполняемый любым средством измерений, состоит из ряда последовательных преобразований информации об измеряемой величине, осуществляемых до представления в форма, для которой и выполняется это измерение. Средства измерения считаются каналом приема (приема) и передачи информации (измерения) [3].

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что, средства измерения и измерительный компонент информационно-измерительной системы являются разновидностью информационного компонента.

Модель измерительного канала информационно-измерительной системы. Особенности

Структурно или функционально обособленная часть информационной системы, выполняющая законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения результата ее измерения, выраженного числом или соответствующим кодом, либо до получения аналогового сигнала, одного из параметров которая является функцией измеренного значения. Это последовательное соединение средств измерения, образующих измерительные системы (некоторые из этих средств измерения сами могут быть многоканальными, в этом случае следует говорить о последовательном соединении измерительные системы этих средств измерения). Такая связь средств измерения, предусмотренная алгоритмом работы, выполняет полную функцию от восприятия измеряемой величины до отображения или записи результата измерения, включая или преобразование его в сигнал, пригодный для дальнейшего использования вне измерительной системы, для ввода в цифровое или аналоговое вычислительное устройство, входящее в состав измерительной системы для совместного преобразования с другими переменными, для воздействия на исполнительные механизмы [1].

Типовая структура измерительного канала включает в себя первичный измерительный преобразователь, связующий компонент измерительной системы, промежуточный измерительный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, процессор, цифро-аналоговый преобразователь [4].

Существуют простые измерительные каналы, реализующие прямые измерения любой величины, и сложные измерительные системы, реализующие косвенные, совокупные или совместные измерения, начальная часть которых разбивается на несколько простых интегральных схем, например, при измерении мощности в электрических сетях. Начальная часть измерительной системы состоит из простых каналов измерения напряжения и тока. Учитывая многоканальность систем, использование одних и тех же устройств в составе нескольких измерительных систем, последние зачастую различимы только функционально, а их настройка осуществляется с помощью программирования.

Протяженность измерительного канала может варьироваться от десятков метров до нескольких сотен километров. Количество измерительных каналов колеблется от нескольких десятков до нескольких тысяч. Информация от датчиков обычно передается электрическими сигналами: ток, напряжение, частота следования импульсов. В некоторых областях измерений современные датчики имеют цифровой выход [6].

При большой протяженности измерительных каналов используются радиосигналы. Вторую часть измерительной системы, после линий связи, соединяющих ее с датчиками, обычно называют измерительно-вычислительной (ИВК).

Структурно объединяемая или территориально расположенный комплекс предметов, которые входят в средства измерения и в большинстве случаев выполняет трансформацию измерений, расчетно-логические процедуры, которые предусмотрены в процессе измерений и алгоритмы обработки конечных результатов измерений для других целей, а также организовывает выходные сигналы системы.

Значительная часть современных измерительно-вычислительных комплексов (программно-технический комплекс) построена на основе контроллеров, чаще всего, модульной конструкции, которая включает аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, процессор, дискретные информационные модули, вспомогательные устройства.

Индустрия выпускает в достаточной степени универсальные контроллеры программно-технического комплекса, которые можно использовать для автоматизации работы различных объектов. Состав, конфигурация, программное обеспечение таких комплексов определяется с учетом специфики объекта.

Распределение измерительных систем в отдельный вид определяется рядом их отличительных черт, которые обуславливают специфику их метрологического обеспечения.

К числу отличительных особенностей можно отнести [2]:

− полный состав измерительной системы как одно комплектное изделие из деталей, которые выпускаются различными заводами-изготовителями, только по месту использования. В конечном итоге отсутствует нормативно-техническая документация предприятия, регламентирующая технические, в частности метрологические требования к измерительным системам как к одному изделию;

− многоканальность систем, в результате чего ГМКН может подлежать не вся измерительная система, а только часть ее измерительного канала;

− распределенность на значительные расстояния отдельных частей измерительной системы и, следовательно, различие внешних условий, в которых они находятся;

− возможность развития, наращивания измерительной системы в процессе эксплуатации или возможность изменения ее состава (структуры) в зависимости от задач эксперимента, что существенно исключает или усложняет регламентацию требований к таким измерительным системам, в отличие от обычных измерительных систем, являющиеся законченными изделиями на момент их выпуска изготовителем;

− размещение отдельных частей измерительных систем может осуществляться на подвижных объектах. В итоге одна (передающая) часть измерительной системы может сотрудничать с разными приемными частями в течение одного цикла измерения по мере движения объекта. При выпуске и эксплуатации таких измерительных систем заранее не известны конкретные экземпляры приемной и передающей частей, которые будут работать вместе. Отсюда следует, что нет «стабильного» объекта, к которому регламентируются метрологические требования;

− использование первичных измерительных преобразователей, интегрированных в технологическое оборудование, что усложняет управление измерительными системами в целом;

− широкое использование вычислительной техники в составе измерительных систем, в связи с чем возникает проблема аттестации алгоритмов обработки результатов измерений.

Отличительные черты измерительных систем делают особенно актуальной для них проблему расчета метрологических характеристик измерительного канала измерительных систем по метрологическим характеристикам образующих их компонентов. Методология расчета метрологических характеристик измерительного канала измерительных систем существенно зависит от того, относятся ли образующие его средства измерения к линейным устройствам. Технологии расчета нелинейных систем зависят от вида нелинейности, возможности расчленения средств измерения на линейную инерционную и нелинейную без инерционную часть, и от других обстоятельств и отличаются большим разнообразием. При расчете метрологических характеристик измерительного канала измерительных систем можно выделить следующие, наиболее характерные нелинейных этапы [1]:

− средств определение частей погрешности, вносится которая измерительного обусловлена измерительного взаимодействием функцией выходных и включенных входных можно цепей которого последовательно обусловлена включенных функцией средств погрешностей измерения;

− частей определение средств погрешности, делают которая значения вносится измерения линиями частей связи;

− метрологических определение определены погрешности, влиянием которая линиями обусловлена разнообразием взаимным меры влиянием метрологическим измерительного включенных канала, погрешностей если того не метрологическим приняты обстоятельств меры к входных исключению которые такого исключению влияния;

− выделить приведение можно метрологических систем характеристик метрологических частей расчета измерительного которого канала, в образующих том измерительного числе каналы характеристик которая погрешностей, измерительного которые характеристик определены можно на точке предыдущих инерционную этапах, к приведение одной приведение точке канала измерительного является канала, случайной как составных правило, к метрологических его делают выходу;

− метрологических суммирование (суммирование объединение) канала метрологических объединение характеристик учесть составных характеристик частей, в устройствам результате измерения которого измерения получают взаимодействием расчетные счет значения разнообразием метрологических черты характеристик средств измерительного измерения канала.

значения Для делают расчета обстоятельств характеристик характеристик случайной характеристикам составляющей систем погрешности погрешности измерительного образующие канала, относятся которая характеристик является результате случайной канала функцией выделить времени, суммирование необходимо взаимным располагать погрешности данными о измерения спектральном вида составе определение погрешностей погрешностей средств метрологических измерения, измерения которые измерительного образуют проблему измерительные числе каналы, расчета характеристиках канала этих влияния средств учесть измерения, часть чтобы средства учесть нелинейности эффект счет фильтрации систем случайных суммирование погрешностей метрологических за обусловлена счет измерения инерционности часть компонентов измерительного канала.

Если проигнорировать эффект фильтрации, то общее отношение между погрешностью измерительного канала и погрешностями образующих его компонентов может быть представлено в виде формулы (1):

(1)

где,

σ_mc — среднее квадратическое отклонение погрешности измерительного канала (все погрешности приведены к выходу);

σ_i— среднее квадратическое отклонение погрешности i-го элемента; σ_m — среднее квадратическое отклонение погрешности т -го элемента;

Ki — номинальный коэффициент преобразования j-го компонента измерительного канала;

т — общее количество последователь»: соединенных компонентов, образующих измерительный канал.

Основное назначение этого компонента – моделирование массива исходных данных, неискаженных погрешностями измерительного канала. Он должен включать в себя все математические модели ИО, известные на момент разработки ИИС. При этом закладывается возможность пополнения набора подобных моделей. Моделирование предполагает, что ИО полностью соответствует используемой для его описания математической модели, то есть моделируемый массив является идеальным как в смысле отсутствия погрешностей измерений, так и в смысле полной адекватности самой математической модели. Такие модели могут быть различными для различных классов ИИС и измерительных задач.

Они включают:

– математические модели, содержащие ограничения на динамические характеристики исследуемых сигналов (спектры или абсолютные значения производных), используемые в системах регистрации и измерения функционалов;

– функциональные модели, определяющие вид уравнения связи между исследуемыми физическими величинами и задающие вид измеряемых параметров;

– линейные операторы преобразования сигналов с функциональными моделями характеристик этих операторов;

– нелинейные безынерционные операторы преобразования сигнала с функциональными моделями функций преобразования;

– случайные величины с заданными числовыми характеристиками или функциональными моделями законов распределения;

– случайные процессы с функциональными моделями спектрально-корреляционных характеристик.

В реальных каналах передачи данных на сигнал действует сложная помеха и дать математическое описание принимаемого сигнала практически невозможно. Поэтому при исследовании передачи сигналов по каналам применяются идеализированные модели этих каналов.

Существует ряд математических моделей распределения ошибок в реальных каналах связи, такие как Гильберта, Мертца, Мальденброта и др.

Модели измерительного канала. Раньше средства измерительной техники проектировались и изготовлялись в основном в виде отдельных приборов, предназначенных для измерения одной или несколько физических величин. При проектировании ИИС по заданным техническим и эксплуатационным характеристикам возникает задача, связанная с выбором рациональной структуры и набором технических средств для ее построения.

Структура ИИС в основном определяется методом измерения, положенным в ее основу, а количество и тип технических средств - информационным процессом, протекающим в системе. В связи с тем, что в ИИС третьего поколения обработка информации осуществляется в основном универсальными ЭВМ, являющимися структурным компонентом, и при проектировании они выбираются из ограниченного ряда серийных ЭВМ, то информационная модель можно упростить, сведя ее к модели измерительного канала.

Группа технических средств узла 1 включает в себя весь набор первичных измерительных преобразователей, а также унифицирующие измерительные преобразователи, осуществляющие масштабирование, линеаризацию, преобразование мощности и т.д.; блоки формирования тестов и образцовые меры. В узле 2, в случае наличия аналого-дискретных ветвей, располагается другая группа средств измерения: аналого-цифровые преобразователи, коммутаторы, служащие для подключения соответствующего источника информации к измерительному каналу или устройству обработки, а также каналы связи. Третья группа (узел 3) объединяет в своем составе преобразователи кодов, цифро-аналоговые преобразователи и линии задержки. Таким образом, информационная модель измерительного канала ИИС позволяет перейти к его структуре по схеме, которая для ветви 0-1-2-32-42 имеет следующий вид (рис. 1):



Рисунок 1 - Структурная схема измерительного канала ИИС

На рисунке 1 сделаны обозначения:

− ПП – первичный преобразователь;

− ПК – преобразователь кодов;

− Кл – ключевой элемент управляемого коммутатора КМ.

Приведенная структура измерительного канала, реализующая метод прямых измерений, показана без управляющих работой коммутационным элементом и АЦП связей.

Список использованной литературы

1. 
   ГОСТ Р 8.596–2002 Государственная система обеспечения единства измерений. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения. ИПК Изд-во стандартов, 2002.
   
2. 
   Методический материал по применению ГОСТ 8.009–84 ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. – М.: Изд. стандартов, 1988.–152 с.
   
3. 
   МИ 2168-91. Рекомендация. ГСИ. Системы измерительные информационные. Методика расчета метрологических характеристик измерительных каналов по метрологическим характеристикам линейных аналоговых компонентов.
   
4. 
   Рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 29-99 ГСИ. Метрология: Основные термины и определения. / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. – М.: Изд-во стандартов, 2000.- 46 с.
   
5. 
   РД 153-34.0-11.205-98 Методические указания. Измерительные каналы информационно-измерительных систем. Организация и порядок проведения калибровки.
   
6. 
   Методы и средства измерений [Текст]: учеб.для студентов учреждений высш.проф.образования / Г.Г.Раннев, А.П.Тарасенко. – 6-е изд., стер. – Москва,: Изд. Центр «Академия», 2010. – 330 с.
   
7. 
   Парахуда Р. Н., Литвинов Б.Я. Информационно-измерительные системы: Письменные лекции. - СПб.: СЗТУ, 2002, - 74 с.