ОИИС лекция. Принцип сочетания системности и агрегирования
 Скачать 4.66 Mb.
|
|
Общие принципы организации структуры сложных технических систем Принцип сочетания системности и агрегирования. Этот принцип является основным в создании систем и предполагает обязательный учет двух факторов. Во- первых, система рассматривается как единое целое со своими функциональными, информационными и конструктивными связями и показателями. Во-вторых, образующие систему элементы, сохраняя определенную автономность и заменяемость, должны быть совместимы: конструктивно, информационно (уровни входных и выходных сигналов, интерфейсы), по характеристикам питания, условиям эксплуатации и т. д. Общие принципы организации структуры сложных технических систем Принцип однородности иерархического уровня. На одном иерархическом уровне не должны присутствовать устройства, принадлежащие другому иерархическому уровню. Например, в одном функциональном уровне не должны сосуществовать первичные и вторичные преобразователи, хотя конструктивно устройства младшего иерархического уровня могут быть размещены в устройствах соответствующего старшего уровня. Обеспечение этого принципа позволит четко определить функциональную принадлежность каждого устройства. Общие принципы организации структуры сложных технических систем Принцип максимальной функциональной замкнутости. Этот принцип предполагает создание такой иерархической структуры, при которой любое более крупное (старшее) объединение делится на более мелкие (младшие) объединения по функциональному признаку. Принцип максимальной функциональной замкнутости предполагает, что каждое структурное объединение способно функционировать без привлечения каких-либо структур, размещенных в других структурных объединениях. Говоря о возможности функционирования без привлечения других структур, имеется в виду функциональные и информационные аспекты. Для выполнения важных, но вспомогательных функций, например для обеспечения электропитания, могут привлекаться элементы других уровней. Общие принципы организации структуры сложных технических систем Необходимость обеспечения максимальной функциональной замкнутости выдвигает два следующих правила отнесения младших структурных объединений к старшим: 1. Каждое старшее структурное объединение должно включать в свой состав те младшие структуры, функционирование которых при невозможности их полной автономии обеспечивается другими младшими структурными объединениями, принадлежащими этому старшему структурному объединению. 2. Каждое старшее структурное объединение должно включать в свой состав те младшие структурные объединения, которые обеспечивают функционирование этого старшего объединения. Общие принципы организации структуры сложных технических систем Принцип минимизации старших иерархических информационных связей. Отработка всякой системы тем сложнее и тем длительнее, чем больше устройств нужно сопрячь для совместной работы. Представляет трудность отработка каждой функции, которая должна решаться несколькими устройствами совместно. Поскольку количество таких функций обычно прямо пропорционально объему информации, которой обмениваются эти устройства, то следует стремиться к сокращению этого объема, тем самым сокращая и число совместно реализуемых функций. Общие принципы организации структуры сложных технических систем Принцип наращиваемости аппаратуры. Этот принцип заключается в возможности добавления или, наоборот, съема части аппаратуры системы без каких-либо изменений в оставшейся части. Выполнение этого принципа оказывается крайне полезным как в условиях эксплуатации, так и при наращивании функций ИИС. Реализацией этого принципа, наряду с возможностью наращивания программно-математического обеспечения, обеспечивается гибкость ИИС в части выполняемых функций. Принцип наращиваемости аппаратуры предполагает использование таких технических решений, которые позволят изменять состав аппаратуры в большую или меньшую сторону без какого бы то ни было изменения любых звеньев ИИС, в том числе в их аппаратной или функциональной части. Общие принципы организации структуры сложных технических систем Принцип физической однородности распределения функций Непосредственно измеренная датчиками первичная информация о физических величинах не всегда пригодна для непосредственной математической обработки совместно с результатами измерения других величин. Первичная информация должна пройти предварительную первичную обработку - фильтрацию, усреднение, совместную математическую обработку с другими однородными физическими величинами и т. п. Развитие вычислительной техники и возможность применения малогабаритных вычислителей относительно небольшой мощности позволяют разделить всю математиче-скую обработку на первичную и вторичную. Первичную обработку могут выполнять микропроцессорные устройства, объединенные с первичными или вторичными преобразователями (интеллектуальные датчики), а вторичную - центральная ЭВМ. 2. Структура и технические средства ИИС 2.1. Обобщенная структура ИИС Примем следующие условные обозначения сигналов: Обобщенная структура ИИС Обобщенная структура ИИС Обобщенная структура ИИС В зависимости от организации взаимодействия функциональных блоков выделяют следующие виды структуры ИИС: - цепочечная; - радиальная; - магистральная с централизованным и децентрализованным управлением; - радиально-магистральная. В зависимости от организации сбора измерительной информации выделяются структуры: - одноканальная; - сканирующая (последовательная); - многоканальная (параллельная); - мультиплицированная (параллельная с общим набором образцовых мер); - многоточечная (параллельно-последовательная). Обобщенная структура ИИС Обобщенная структура ИИС Исследуемый объект описывается физическими величинами х 1 , ..., х n . Номенклатура измеряемых величин определяется заказчиком (пользователем) ИИС, исходя из физических представлений об объекте. Первичные измерительные преобразователи (ПИП), или датчики, преобразуют величины x i в электрические величины у i (напряжение, ток, сопротивление, емкость, индуктивность и др.). Датчики являются обязательными компонентами ИИС. Вид датчика в первую очередь определяется видом преобразуемой величины. Однако для измерения одной и той же физической величины могут использоваться различные первичные преобразователи, отличающиеся принципом действия и своими характеристиками. Поэтому в рамках одной ИИС, если даже преобразуемые величины одинаковы по физическому смыслу, первичные преобразователи могут быть различными, в частности, в зависимости от требуемого диапазона измерения. Обобщенная структура ИИС Вспомогательным устройством в ИИС является базирующее устройство, с которым могут быть связаны исследуемые объекты и первичные преобразователи. Вид базирующего устройства определяется видом исследуемого объекта и необходимыми воздействиями на него в процессе измерения. Базирующее устройство может быть простым механическим приспособлением для установки датчиков. В других случаях оно может быть сложным устройством, обеспечивающим относительное перемещение датчиков и объекта, подачу на объект необходимых воздействий: нагрев объекта, воздействие на него различными полями, подача входных испытательных сигналов и т. п. Величины у i выдаваемые первичными преобразователями, подаются на вторичные измерительные преобразователи (ВИП), которые преобразуют их в напряжения U i . Вторичные преобразователи в некоторых каналах могут отсутствовать, если выходной величиной датчика является напряжение, уровень которого достаточен для аналого-цифрового преобразования. Обобщенная структура ИИС В ряде случаев вторичный преобразователь может представлять собой каскадное соединение нескольких вторичных преобразователей. Вид вторичного преобразователя определяется только видом величины у i Поэтому в каналах измерения физически различных величин могут использоваться одинаковые вторичные преобразователи, если выходные величины датчиков одинаковы. Конструктивно вторичные преобразователи могут быть совмещены с первичными преобразователями или выполнены в виде отдельных плат (устройств). В состав вторичных преобразователей могут входить простейшие вычислительные устройства. Напряжения U i поступают на аналого-цифровые преобразователи (АЦП), где преобразуются в цифровые коды C i подаваемые на ЭВМ. Обобщенная структура ИИС АЦП могут быть индивидуальными для каждого канала или один АЦП используется для всех или нескольких каналов, работая в мультиплексном режиме. Для некоторых измерительных преобразователей функции АЦП выполняют сами первичные или вторичные преобразователи. АЦП может быть самостоятельным элементом, может входить в состав первичных или вторичных преобразователей, а также в виде отдельных плат конструктивно может быть размещен в составе ЭВМ. Каналы связи между элементами ИИС могут иметь различный характер. В простейшем случае для локально сосредоточенной ИИС это проводная связь. Для ИИС, распределенных в пространстве, могут использоваться радиоканалы или волоконно-оптическая связь. Обобщенная структура ИИС Последовательность преобразователей (ПИП, ВИП, если они есть, и АЦП) и каналов связи, обеспечивающая преобразование измеряемой физической величины в цифровой код, называется измерительным каналом (ИК). Измерительный канал - это вся совокупность технических средств, преобразующих измеряемую величину в код, поступающий в ЭВМ. В качестве измерительных каналов могут использоваться электронные измерительные приборы, имеющие цифровой выход. Коды, выдаваемые АЦП, подаются для обработки на вход ЭВМ, в качестве которой может использоваться персональный компьютер (ПК) или специализированное микропроцессорное вычислительное устройство. Цель обработки определяется функциональным назначением ИИС. Обобщенная структура ИИС Обработка первичной информации производится в соответствии с заложенным в ЭВМ программно- математическим обеспечением (ПМО). Функции ЭВМ могут заключаться не только в обработке первичной измерительной информации, но и в управлении самим процессом измерения. Один из аспектов этого управления - сбор данных с АЦП. Второй аспект заключается в управлении путем подачи воздействий на исследуемый объект. Эти воздействия могут иметь различный характер в зависимости от цели измерения и характера объекта. В ряде случаев требуется перемещение объекта относительно датчиков. При изучении операторов линейных или нелинейных исследуемых систем на их вход необходимо подавать тестовые воздействия (тестовые сигналы). Для реализации этих воздействий в состав базирующего устройства могут входить специальные исполнительные устройства, работающие под управлением ЭВМ. Обобщенная структура ИИС Сканирующие структуры (Структуры последовательного действия) Операции получения информации выполняются последовательно во времени с помощью одного измерительного канала. Если измеряемая величина распределена в пространстве, то восприятии информации в таких структурах осуществляется с помощью одного сканирующего датчика. Сканирующие структуры По виду взаимодействия сканирующего датчика с информационным полем различают следующие способы сканирования : - контактные; - бесконтактные. Контактные обладают высокой точностью, простотой реализации, но невысокой надежностью, и их не всегда возможно применить. Большее распространение получили бесконтактные способы. В зависимости от вида обмена энергией между объектом и ИИС, способы сканирования делятся на активные и пассивные. Активные способы предусматривают некоторое воздействие, т.е. вносимую на объект энергию; о состоянии объекта судят по его реакции на это воздействие. Пассивные способы основаны на использовании энергии объекта. Они значительно проще в реализации, т.к. при их использовании необходимо осуществлять сканирование лишь приемника информации (при активном - еще источника энергии), однако активные способы позволяют получить при измерениях более высокую точность и чувствительность. Обобщенная структура ИИС Многоканальные структуры (структуры параллельного действия) ИИС параллельного действия представляют собой совокупность одноканальных автономных ИИС, каждая из которых решает свою автономную измерительную задачу, а результаты измерения имеют самостоятельное значение. Они позволяют параллельно получать информацию от всех или части точек информационного поля, одновременно ее обрабатывать и синтезировать один или несколько параметров или образов, характеризующих состояние объекта. Многоканальные структуры Достоинства - возможность измерения разнородных физических величин, использование одноканальных измерительных преобразователей, достижение высокого быстродействия и высокой схемной надежности. Основной недостаток - большее по сравнению с другими структурами количество элементов. Обобщенная структура ИИС Многоточечные структуры (параллельно-последовательные структуры) Датчики располагаются в каждой исследуемой точке информационного поля. Информация от датчиков последовательно во времени поступает в измерительный канал, где она преобразуется и обрабатывается. Подключение датчиков к измерительному каналу осуществляется с помощью системных коммутаторов. Такое построение многоканальных систем значительно сокращает аппаратные затраты, связанные с наличием однотипных блоков в каждом измерительном канале. Многоточечные структуры Многоточечные структуры При построении многоточечных ИИС важное значение имеет последовательность опроса точек информационного поля. Датчики могут опрашиваться: - циклически (регулярно); - адресно (программно); - инициализировано (адаптивно). При циклическом опросе датчики подключаются к измерительному каналу поочередно на равные промежутки времени. При программном опросе датчики подключаются на различные промежутки времени в соответствии с присвоенными им адресами. При адаптивном опросе датчики подключаются лишь тогда, когда есть определенное изменение информации на их выходе, и в соответствии с их весом, то есть приоритетом измеряемого параметра. Первичные и вторичные измерительные преобразователи Первичные измерительные преобразователи (датчики) в ИИС обеспечивают преобразование некоторой физической величины в электрическую величину. Различают датчики генераторного типа, когда выходной величиной является ток, напряжение или электрический заряд, и параметрические, когда выходной величиной является параметр электрической цепи: активное сопротивление, емкость, индуктивность, комплексное сопротивление. Параметрические датчики иногда называют активными, поскольку для выполнения своих функций они требуют внешних источников энергии, а генераторные - пассивными, поскольку для выдачи сигнала они во внешних источниках не нуждаются. Принципы действия датчиков основаны на использовании различных физических законов и эффектов. Первичные и вторичные измерительные преобразователи Характеристиками датчиков являются следующие показатели: 1. Функция преобразования. Ее вид определяется принципом работы датчика. Она может быть линейной, квадратичной, экспоненциальной и др. 2. Диапазон значений преобразуемой величины. 3. Диапазон значений выходной величины. 4. Характеристики погрешности: нелинейность, погрешность задания чувствительности, нестабильность, насыщение, зона нечувствительности, гистерезис, разрешающая способность, воспроизводимость. 5. Показатели, характеризующие возможность сопряжения датчиков с другими устройствами. 6. Динамические характеристики, описываемые частотными или переходными характеристиками. 7. Условия эксплуатации, надежность, масса, габариты и другие общетехнические показатели. Первичные и вторичные измерительные преобразователи Основным классификационным признаком датчиков является преобразуемая (измеряемая) величина. Основной функцией вторичных измерительных преобразователей (ВИП) является преобразование информации, выдаваемой первичными преобразователями, в напряжение, подаваемое на АЦП. В каждом конкретном случае вид и функции вторичного преобразователя определяются видом первичного преобразователя. При выборе ВИП определяющим является вид выходной величины, а преобразуемая первичным преобразователем физическая величина уже не имеет существенного значения. ВИП характеризуются теми же показателями, что и ПИП, то есть, прежде всего, функцией преобразования и показателями погрешности. Кроме того, появляется специфический показатель - требования к источникам питания, поскольку качество питающего напряжения (величина, стабильность, отклонение формы, фон и другие помехи) существенно влияет на качество выполнения преобразователем своих функций. Электрические датчики механических величин Индуктивные датчики Принцип работыоснован на изменении индуктивности или взаимоиндуктивности обмотки с магнитопроводом вследствие изменения магнитного сопротивления магнитной цепи датчика под воздействием измеряемой величины. 1 - сердечник; 2 – подвижный якорь; 3 – обмотка питания (измерительная обмотка); 4 – измерительный прибор. Цепочка преобразования где X – измеряемое перемещение; - воздушный зазор между сердечником и якорем; R М – магнитное сопротивление цепи датчика; L – индуктивность обмотки 3; Z – ее полное сопротивление; I – ток в обмотке. Электрические датчики механических величин Емкостные датчики Принцип действия основан на изменении емкости конденсатора под воздействием измеряемой величины. Различают три типа емкостных датчиков: - датчик с переменной площадью перекрытия пластин S; - датчики с переменным зазором ; - датчики с переменной диэлектрической проницаемостью среды. 1, 2 – подвижная и неподвижная обкладки конденсатора; 3 – ось вращения Электрические датчики механических величин Индукционные датчики Принцип действия основан на зависимости ЭДС, индуктируемой в обмотке при изменении магнитного потока, пронизывающего ее витки, от скорости его изменения в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. Индукционные датчики скорости перемещений: а, в – линейных; б, г – угловых; 1 – обмотка; 2 - источник перемещений; 3 – магниты; 4 - якорь Электрические датчики механических величин Вихретоковые датчики Вихретоковый метод контроля основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых им в электропроводящем объекте контроля. В качестве источника электромагнитного поля чаще всего используется индуктивная катушка (одна или несколько), называемая вихретоковым преобразователем (ВТП). Синусоидальный (или импульсный) ток, действующий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. Регистрируя напряжение на катушках или их сопротивление, получают информацию о свойствах объекта или о положении преобразователя относительно него. Электрические датчики механических величин Вихретоковые датчики 1 – электронный блок; 2- вихревой пробник; 3 – соединительный кабель; 4 – металлический цилиндрический корпус с резьбой; 5 – диэлектрический наконечник; 6 – плоская катушка индуктивности Электрические датчики механических величин Пьезоэлектрические датчики Принцип действия основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте, т. е. появлении электрических зарядов на гранях некоторых диэлектриков при их деформации. 1 – пластинка кварца; 2 – корпус; 3 – станиолевая прокладка; 4 – изоляционная прокладка Электрические датчики механических величин Тензометрические датчики (тензорезисторы) Принцип действия основан на явлении тензоэффекта – изменении активного электрического сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при деформации под воздействием механических усилий. Измерение температуры Термометры расширения Действие термометров расширения основано на изменении объема жидкостей и твердых тел при изменении температуры. Из термометров расширения наиболее широко применяют жидкостные стеклянные термометры. Такой термометр заполняется жидкостью (ртуть, толуол, этиловый спирт и др.), которая с увеличением темпера туры расширяется и поднимается вверх по капилляру. Таким образом, температура, измеряемая жидкостным термометром, преобразуется в линейное перемещение жидкости. Шкала наносится прямо на поверхность капилляра или прикрепляется к нему снаружи. 1- капилляр ; 2 – термобаллон; 3 – шкала; 4 – защитный корпус Измерение температуры Манометрические термометры 1 – термобаллон; 2 – капилляр; 3 – пружинный манометр Манометрические термометры Принцип действия основан на зависимости давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры. В соответствии с агрегатным состоянием рабочего вещества в термосистеме манометрические термометры подразделяют: - газовые; - жидкостные; - конденсационные. Газовые манометрические термометры заполняют химически инертным газом с малой теплоемкостью (азот, гелий). Манометрические жидкостные термометры заполняют жидкостью под некоторым начальным давлением (ртуть, ксилол, толуол, пропиловый спирт, силиконовые жидкости). Измерение температуры Измерение температуры Манометрические термометры В конденсационных (парожидкостных) манометрических термометрах термобаллон заполняется на 2 / 3 объема низкокипящей жидкостью. В замкнутой системе термометра всегда существует динамическое равновесие одновременно протекающих процессов испарения и конденсации. При повышении температуры усиливается испарение жидкости и увеличивается упругость пара, а в связи с этим усиливается также процесс конденсации. В результате этого насыщенный пар достигает некоторого определенного давления, строго отвечающего измеряемой температуре. Давление пара, изменяясь с температурой, передается через среду, заполняющую капилляр, манометрической трубке. Термобаллон термометра заполняют с таким расчетом, чтобы при наиболее низкой температуре в нем осталось некоторое количество пара, а при наиболее высокой — некоторое количество неиспарившейся жидкости, причем капилляр должен оставаться погруженным в жидкость во всем диапазоне измерения. В качестве термометрического вещества в конденсационных манометрических термометрах используются легкокипящие жидкости(пропан, ацетон, толуол, этиловый эфир и т.д.). Термометры сопротивления Принцип действия основан на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Используют металлические и полупроводниковые термометры сопротивления. 1 – корпус; 2 – проволока; 3 – каркас; 4 – изоляционные трубки; 5 – разъем; 6 – соединительная головка; 7 – штуцер Измерение температуры Термоэлектрические термометры Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. Термоэлектродвижущей силой (термоэдс) называется электродвижущая сила, появляющаяся в нагретых до разных температур спаях двух электродов из разнородных материалов. Проводники, из которых собирается термоэлектрический термометр, называются термоэлектродами. Нагреваемый конец термоэлектрического термометра называется рабочим, а холодный конец – свободным. Если свободный конец термоэлектрического термометра не сваривать, а замкнуть на прибор, который может измерять напряжение, например милливольтметр, то прибор покажет величину, пропорциональную термоэдс. Измерение температуры Термоэлектрические термометры а – без подключения измерительного прибора; б – с подключенным измерительным прибором; 1 – горячий (рабочий) спай; 2 – холодный (свободный) спай; А и В – проводники (термоэлектроды); С – соединительные провода; ИП – измерительный прибор; Е АВ – ЭДС термоэлектрической цепи Измерение температуры Измерение уровня Уровнем называют высоту заполнения технологического объекта рабочей средой (жидкостью или сыпучим веществом). По принципу действия уровнемеры подразделяют на следующие группы: - визуальные; - поплавковые; - буйковые; - гидростатические; - электрические; - акустические; - радарные; - радиоизотопные. Средства измерения уровня делятся также на приборы для непрерывного слежения за уровнем (уровнемеры) и приборы для сигнализации о предельных значениях уровня (сигнализаторы уровня). Измерение уровня Визуальные уровнемеры К визуальным уровнемерам относятся мерные рейки, рулетки, уровнемерные стекла и т.д. Наиболее распространенными являюся уравнемерные стекла, действующие по закону сообщающихся сосудов. 1 – емкость; 2 – краны; 3 – уровнемерное стекло Измерение уровня Поплавковые уровнемеры Принцип действия основан на определении положения поплавка, находящегося на поверхности жидкости или на границе двух сред. 1 – поплавок; 2 – трос; 3 – мерная линейка; 4 – груз с указателем; П – рычажный передаточный механизм Измерение уровня Буйковые уровнемеры Принцип действия основан на измерении выталкивающей силы, действующей на массивное тело (буек), частично погруженное в жидкость. По закону Архимеда эта сила равна массе жидкости, вытесненной телом. Чувствительным элементом является цилиндрический буек, изготовленный из материала с плотностью, большей плотности жидкости. 1 – буек; 2 – штанга; 3 – рычаг; 4 – противовес; 5- преобразователь; 6 – уплотнительная мембрана Измерение уровня Гидростатические уровнемеры Принцип действия основан на измерении гидростатического давления столба жидкости. Определение уровня жидкости в технологическом резервуаре с помощью измерения гидростатического давления столба жидкости датчиком давления ДГ: а) резервуар находится под атмосферным давлением; б) резервуар находится под избыточным давлением. Измерение уровня Емкостные уровнемеры Принцип действия основан на зависимости электрической емкости чувствительного элемента от уровня жидкости. Конструктивно емкостные чувствительные элементы выполняются в виде коаксиально расположенных цилиндрических электродов или параллельно расположенных плоских электродов. Для измерения уровня электропроводящей жидкости электроды конденсатора покрывают слоем диэлектрика. 1, 2 – электроды; 3 – преобразователь; 4 – показывающий прибор Измерение уровня Акустические уровнемеры Уровень определяют по времени прохождения звуковых волн расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. 1- акустический преобразователь; 2 – генератор; 3 – усилитель; 4 – схема измерения времени; 5- преобразователь; 6 – вторичный прибор; 7 – блок температурной компенсации Измерение уровня Радарные уровнемеры Принцип действия основывается на явлении отражения электромагнитных волн от границы раздела сред, различающихся электрическими и магнитными свойствами. 1 – излучатель; 2 – приемник электромагнитной энергии; 3 – преобразователь измерения интервала времени Измерение давления Давлением называется отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Различают следующие виды давления: - атмосферное; - абсолютное; - избыточное; - вакуум. Атмосферное (барометрическое давление) – это давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы. Абсолютное давление – это давление, отсчитанное от абсолютного нуля, за который принимается давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух. Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным и барометрическим давлениями. Вакуум (разряжение) представляет собой разность между барометрическим и абсолютным давлениями. Измерение давления Приборы для измерения давления в зависимости от измеряемого давления делятся на: - манометры (для измерения избыточного давления); - барометры (для измерения атмосферного давления); - вакуумметры (для измерения разряжения); - мановакуумметры (для измерения избыточного давления и разряжения); - напоромеры и тягомеры (для измерения малых избыточных давлений и разряжений соответственно); - дифференциальные манометры или дифманометры (для измернеия разности давлений). Измерение давления Жидкостные манометры Измеряемое давление уравновешивается гидростатическим давлением столба рабочей жидкости, высота которого будет являться мерой измеряемого давления. 1, 2 – колена U-образной трубки; 3 – основание; 4 - шкала Измерение давления Деформационные манометры Принцип действия основан на упругой деформации чувствительных элементов под действием измеряемого давления. В качестве чувствительных элементов применяются трубчатые пружины, сильфоны и мембраны. Манометр с трубчатой пружиной а,б – процесс деформации трубки Бурдона; в – схема; 1- трубчатая пружина; 2 – держатель; 3 – тяга; 4 – зубчатый сектор; 5 – шестерня; 6 – стрелка; 7 – шкала; 8 – штуцер; Р – измеряемое давление Измерение давления Деформационные манометры Сильфонный дифманометр Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с кольцевыми гофрами на боковой поверхности. 1, 2 – сильфоны; 3 – шток; 4 – рычаг; 5 – стрелка: 6 – шкала; P 1 , P 2 – измеряемое давление Измерение давления Деформационные манометры Мембранный манометр Мембраны (или пластинчатые пружины) представляют собой гибкие плоские или гофрированные диски, способные получать прогиб под действием давления. Различают упругие (изготовляются из из стали, бронзы, латуни и т.д.) и эластичные мембраны (изготовляются из прорезиненной ткани, тефлона и т.д. и предназначенные для измерения малых давлений и разности давлений). 1 – гофрированная мембрана; 2 – фланцы; 3 – шток; 4 – зубчатый сектор; 5 – шестерня; 6 – стрелка; 7 – шкала; 8 – штуцер; Р – измеряемое давление Измерение давления Грузопоршневые манометры Принцип действия основан на уравновешивании измеряемого давления калиброванным грузом, действующим на поршень. 1 - регулятор настройки; 2 - насос; 3 - резервуар; 4 - образцовые грузы; 5 - приёмник давления, 6 - указатель подъёма, 7 - поршень Измерение давления Измерительные преобразователи давления Пьезоэлектрические преобразователи Принцип действия основан на пьезоэлектрическом эффекте, т. е. появлении электрических зарядов на гранях некоторых диэлектриков при их деформации. 1 – мембрана; 2 – кварцевые пластины; 3 – обкладки; Р – измеряемое давление Измерение давления Измерительные преобразователи давления Тензорезисторные преобразователи Принцип действия основан на явлении тензоэффекта – изменении активного электрического сопротивления материалов при деформации под воздействием механических усилий. а – технология «Кремний на сапфире» (КНС); б – технология «кремний на кремнии» (КНК) Измерение давления Измерительные преобразователи давления Емкостные преобразователи Измеряемое давление воспринимается металлической мембраной, являющейся подвижным электродом конденсатора. Емкость конденсатора зависит от перемещения мембраны, которое, в свою очередь, зависит от давления. а – схема чувствительного элемента; б – изображение чувствительного элемента в разрезе; 1 – капсульная защита; 2 – пластины конденсатора; 3 – сенсорная мембрана; 4 – разделительные мембраны; 5 – заполняющая жидкость; 6 – соединительные провода Измерение давления Измерительные преобразователи давления Резонансные преобразователи В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Резонатор возбуждается переменным током и окружающим магнитным полем. В зависимости от знака приложенного давления резонатор растягивается или сжимается, что приводит к увеличению или уменьшению соответственно частоты его собственных механических колебаний. Колебания резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура и на выходе чувствительного элемента образуется пропорциональный величине измеряемого давления частотный сигнал. Измерение расхода Расходом вещества называется количество вещества (объем или масса), протекающее через данное сечение канала в единицу времени. Различают объемный расход (измеряется в м 3 /с), и массовый расход (измеряется в кг/с). Расход может быть: - средним; - мгновенным. Средний расход – это отношение количества вещества (V, m) к некоторому промежутку времени ∆t Мгновенный расход – это производная от количества вещества по времени Расходомеры измеряют мгновенный расход. Для измерения количества вещества за определенный период времени применяют счетчики. t V Q ср t m G ср dt dV Q dt dm G t V Q ср t m G ср dt dV Q dt dm G Измерение расхода Расход и количество жидкостей и газов измеряется сследующими средствами измерений: - объемные счетчики; - турбинные (скоростные) расходомеры; - расходомеры переменного перепада давления (дроссельные); - расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры); - электромагнитные расходомеры; - тепловые (калориметрические) расходомеры; - ультразвуковые расходомеры; - вихревые расходомеры; - кориолисовые расходомеры; - другие. Измерение расхода Объемные счетчики Принцип действия основан на непосредственном отмеривании объемов измеряемой среды с помощью мерных камер известного объема и подсчета числа порций, прошедших через счетчик. а…в – принцип действия; 1 –корпус; 2, 3 – овальные шестерни; V 1 , V 2 – измерительные полости Измерение расхода Турбинные (скоростные) расходомеры и счетчики Чувствительным элементом турбинных расходомеров является турбина, приводимая во вращение потоком жидкости, протекающим через расходомер. Число оборотов турбины в единицу времени пропорционально скорости омывающего ее потока. Существуют турбины двух типов: - аксиальная (представляет собой многозаходный винт, ось вращения которого параллельна направлению движения измеряемого потока); - тангенциальная (представляет собой турбину с лопастями, ось вращения которых перпендикулярна направлению движения измеряемого потока). Измерение расхода Турбинные (скоростные) расходомеры и счетчики с аксиальной турбиной с тангенциальной турбиной Турбинный счетчик Измерение расхода Расходомеры переменного перепада давления (дроссельные) В трубопроводе устанавливается сужающее устройство. При протекании измеряемого потока через отверстие этого устройства скорость потока увеличивается по сравнению со скоростью до сужения. Благодаря этому давление потока на выходе из сужающего устройства уменьшается, и на нем создается перепад давления, который зависит от скорости в сужении, т.е. от расхода потока. 1- отрезок трубопровода; 2 – сужающее устройство Измерение расхода Расходомеры переменного перепада давления (дроссельные) Стандартные сужающие устройства а – диафрагма; б – сопло; в – труба Вентури Измерение расхода Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры) Принцип действия основан на восприятии динамического напора потока измеряемой среды чувствительным элементом - поплавком, помещённым в коническую трубку, по которой вверх проходит поток измеряемой среды. Каждому значению расхода соответствует определенное положение поплавка (высота его подъма) 1 – конусная трубка; 2 – поплавок; 3 - прорези Измерение расхода Электромагнитные (индукционные) расходомеры Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущимся в магнитном поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. Роль проводника выполняет электропроводящая жидкость, протекающая по трубопроводу и пересекающая магнитное поле. 1 – немагнитный участок трубы; 2 – постоянный магнит; 3 – изолированные электроды; 4 – измерительный прибор Измерение расхода Тепловые расходомеры (калориметрические) Принцип действия основан на нагреве потока вещества и измерении разности температур до и после нагревателя. Измерение расхода Ультразвуковые расходомеры Принцип действия основывается на изменении скорости распространения ультразвуковых колебаний в неподвижной и подвижной среде. Существует три метода измерения с помощью ультразвука: 1. По разности времен распространения ультразвуковых колебаний, направленных по потоку и против него. 2. По степени отклонения ультразвуковых колебаний, направленных перпендикулярно к потоку, от первоначального направления. 3. Метод, основанный на эффекте Доплера. Измерение расхода Ультразвуковые расходомеры а – основанные на измерении разности времен распространения ультразвуковых колебаний, направленных по потоку и против него; б – основанные на измерении степени отклонения ультразвуковых колебаний, направленных перпендикулярно к потоку, от первоначального направления; в – доплеровские расходомеры; , , -углы; W – скорость движения вещества; L – расстояние между источниками ультразвуковых колебаний; D – диаметр трубы; x – линейное отклонение луча на приемном элементе Измерение расхода Расходомеры Кориолиса Принцип действия основан на обеспечении условий возникновения в трубопроводах с потоком жидкости силы Кориолиса, которая пропорциональна массовому расходу жидкости, с последующим преобразованием этой силы в деформацию, временной интервал или разность фаз двух сигналов. а – чувствительный элемент; б – силы, действующие на трубку Измерение расхода Расходомеры Кориолиса Пусть закругленная часть U-образной трубки движется вверх (рис. б). Во входной трубке жидкость движется от центра «малых вращений», следовательно, сила Кориолиса направлена против направления вращения, т. е. вниз. Поток жидкости через выходную трубку направлен к центру «малых вращений», поэтому сила Кориолиса направлена по направлению вращения, т.е. вверх. При движении закругленной части вниз силы Кориолиса направлены в противоположные стороны. Таким образом, во входной половине трубки сила Кориолиса препятствует смещению трубки, а в выходной половине - способствует. Это приводит к отставанию колебаний входной трубки от выходной во времени (по фазе). Запаздывание во времени (по фазе) колебаний входной и выходной трубок прямо пропорционально силе Кориолиса, следовательно, массовому расходу. В существующих расходомерах, как правило, измеряют не время запаздывания, а пропорциональную ему разность колебаний входной и выходной трубок. Измерение расхода Вихревые расходомеры Принцип действия основан на зависимости от расхода частоты колебаний давления, возникающих в потоке в процессе вихреобразования или колебания струи. используемые тела обтекания Выбор ЭВМ ЭВМ в составе ИИС выполняет следующие основные функции: - управление процессом сбора первичной измерительной информации путем подачи соответствующих команд на АЦП, вторичные преобразователи и устройства, оказывающие воздействие на исследуемый объект; - обработка первичной измерительной информации в соответствии с алгоритмом, определяемым целевым назначением ИИС; - отображение результатов обработки в форме, удобной пользователю; - хранение массивов первичной измерительной информации и результатов измерений и их дальнейшая обработка при постановке задач более высокого уровня. К числу вспомогательных функций ЭВМ относятся: - тестирование состояния отдельных узлов и ИК ИИС; - организацию самонастройки отдельных узлов и ИК ИИС; - управление каналами связи и некоторые другие. Выбор ЭВМ Используют два варианта ЭВМ: - серийно выпускаемый персональный компьютер; - специализированное вычислительное устройство, спроектированное и выпускаемое для конкретной ИИС или достаточно узкого круга ИИС. При выборе учитываются следующие аспекты: - функциональные возможности; - условия эксплуатации; - эргономичность; - возможность наращивания числа решаемых задач; - стоимость; - обслуживание. Выбор ЭВМ |