метрология. Учебное пособие метрология в вопросах и ответах
 Скачать 1.48 Mb.
|
|
пользуют математическое моделирование, реализующее цепочку: объект – модель – вычислительный алгоритм – программа для компьютера – расчет на компьютере – анализ расчетов – управление исследованием. Алгоритм измерения может быть представлен программно, словесно, аналитически, графически или сочетанием этих методов. Последователь- ность действий при этом непроизвольна, а реализует тот или иной метод ре- шения задачи. Во всех случаях поставленная задача должна быть на столько точно сформулирована, чтобы не осталось места различным двусмысленно- стям. Программное обеспечение ИИС включает в себя системное и общее прикладное программное обеспечение, в совокупности образующее матема- тическое обеспечение, которое реализуется программной подсистемой. Сис- темное программное обеспечение – совокупность программного обеспечения компьютера, используемого в ИИС, и дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме, управлять измери- тельными комплексами; обмениваться информацией внутри подсистем ком- плекса; автоматически проводить диагностику технического состояния. По существу, программное обеспечение ИИС представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реа- лизующих: - типовые алгоритмы эффективного представления и обработка изме- рительной информации, планирование эксперимента и других изме- рительных процедур; - архивирование данных измерений; - метрологические функции комплекса (аттестацию, поверку, экспери- ментальное определение нормируемых метрологических характери- стик и т. п.). Информационное обеспечение определяет способы и конкретные нормы информационного отображения состояния объекта исследования в виде до- кументов, диаграмм, графиков, сигналов для их предоставления обслужи- вающему персоналу и компьютеру для дальнейшего использования в управ- лении. В структуру технической подсистемы ИИС входят: • блок первичных измерительных преобразователей; • средства вычислений электрических величин (измерительные компо- ненты); • совокупность цифровых устройств и компьютерной техники (вычис- лительных компонентов); • меры текущего времени и интервалов времени; • блок вторичных измерительных преобразователей; • устройства ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов с норми- рованными метрологическими характеристиками; • совокупность элементов сравнения, мер и элементов описания; • блок преобразователей сигнала, цифровых табло, дисплеев, элементов памяти и пр.; • различные накопители информации. Кроме указанных элементов в подсистемы ИИС может входить ряд уст- ройств согласования со штатными системами исследуемого объекта, теле- метрией и пр. Важное значение для эксплуатации ИИС имеет эргономическое, эффек- тивное и наглядное построение форм дисплея и управляющих элементов, называемых интерфейсом пользователя, обеспечивающих взаимодействие оператора с персональным (или специализированным) компьютером. В об- щем же случае интерфейсом называют устройство сопряжения персо- нального компьютера со средствами измерений или любыми другими внешними техническими системами (иногда в это понятие включают и про- граммное обеспечение измерительной системы). Эффективность работы интерфейса заключается в быстром, насколько это возможно, развитии у пользователя простой концептуальной модели взаимодействия с ИИС. Дру- гими важными характеристиками интерфейса пользователя являются его на- глядность, дизайн и конкретность, что обеспечивают с помощью последова- тельно раскрываемых окон, раскрывающихся вложенных меню и командных строк с указанием функциональных «горячих» клавиш. Измерительно-вычислительные комплексы Одной из разновидностей ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы. Основными признаками ИВК служат наличие компьютера, нормированных метрологических характеристик, программного управления средствами измерений, блочно-модульной структуры построения, состоящей из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем. По назначению ИВК делятся на типовые, проблемные и специализиро- ванные. Типовые ИВК предназначены для решения широкого круга типовых за- дач автоматизации измерений, испытаний или исследований независимо от области применения. Проблемные ИВК разрабатывают для решения специфичной задачи в конкретной области автоматизации измерений. Специализированные ИВК используют для решения уникальных задач автоматизации измерений, для которых разработка типовых и специализиро- ванных комплексов экономически нецелесообразна. Измерительно-вычислительные комплексы предназначены для сле- дующих задач: • осуществления прямых, косвенных, совместных или совокупных методов измерений физических величин; • представления оператору результатов измерений в нужном виде и управ- ления процессом измерений и воздействия на объект измерений. Чтобы реализовать эти функции, ИВК должен: • эффективно воспринимать, преобразовывать и обрабатывать электри- ческие сигналы от первичных измерительных преобразователей, а также управлять средствами измерений и другими техническими устройствами, входящими в его состав; • вырабатывать нормированные электрические сигналы, являющиеся входными для средств воздействия на объект, оценивать метрологические характеристики и представлять результаты измерений в установленной фор- ме. 7.3. Виртуальные информационно-измерительные системы Современные решения в области промышленной автоматизации пред- полагают отказ от узкоспециализированных решений в пользу широкого ис- пользования персональных компьютеров, оснащенных платами АЦП/ЦАП, цифрового ввода-вывода информации, приборных, а также различных после- довательных и параллельных устройств сопряжения — интерфейсов. Такие персональные компьютеры, работающие в режиме реального масштаба вре- мени (в режиме on-line), могут выполнять все функции специализированного оборудования, сохраняя при этом достоинства компьютера общего назначе- ния, прежде всего — гибкость и перенастраиваемость интерфейса. Понятие «виртуальные приборы» (Virtual Instruments) появилось на сты- ке измерительной, информационной и компьютерной техники. Виртуаль- ный прибор представляет собой комбинацию компьютера, универсальных аппаратных средств ввода-вывода сигналов и специализированного про- граммного обеспечения, которое, собственно, и определяет конфигурацию и функционирование законченной системы. По сути, в руках создателя систе- мы имеется конструктор (набор), из которого даже не искушенный в компь- ютерных технологиях инженер или исследователь может построить измери- тельный прибор любой сложности. Теперь скорее требования задачи и соот- ветствующее этому программное обеспечение, а не возможности прибора определяют функциональные характеристики законченного прибора. В простейшем случае виртуальный прибор — это персональный ком- пьютер в комплексе с соответствующим программным обеспечением и спе- циальная плата сбора данных, устанавливаемая в него (в слот ISA или PCI) или внешнее устройство, подключаемое через LPT-порт, а также через со- временные внешние интерфейсы. Такими интерфейсами могут быть USB, RS-232, FieldBus, FireWire, IrDA, GPIB и т. д. Персональный компьютер имитирует органы управления реального прибора и выполняет его функции, что позволяет инженеру, который умеет работать с этим прибором, продолжить работу с его виртуальным аналогом. Виртуальный прибор может содержать только те индикаторы и органы управления, которые необходимы для решения поставленной задачи. При этом обучение специалистов можно проводить на виртуальных аналогах ре- ального оборудования, сохраняя его ресурс и не подвергая риску выхода его из строя из-за ошибок оператора. К отличительным особенностям виртуальных приборов по сравне- нию с микропроцессорными приборами относятся: • обширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ, дос- тупных для оператора, позволяющий решать широкий круг прикладных за- дач измерений (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками и т. д.); • возможность оперативной передачи данных исследований и измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям (например, сети Интернет); • высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой; • возможность использования внутренней и внешней памяти большой ем- кости, а также составления компьютерных программ для решения конкрет- ных измерительных задач; • возможность оперативного использования различных устройств доку- ментирования результатов измерений. Архитектура построения виртуальных приборов Виртуальный прибор можно строить двумя способами: с последова- тельной или параллельной архитектурой. В виртуальном приборе с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) части системы, преобразующие ана- лизируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому всю соответствующую электронику размещают на слотах компьютера. Виртуальный прибор с параллельной архитектурой содержит ряд параллельных каналов измерения, каждый из которых имеет собственные уз- лы преобразования анализируемых сигналов и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т. е. объединения сигналов). По- добный принцип построения виртуального прибора позволяет проводить оп- тимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В такой систе- ме преобразование сигналов можно выполнять локально в месте расположе- ния источника исследуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме. Одна из самых известных среди специалистов разработок виртуальных приборов — системы LabVIEW, BridgeVIEW и LookOut компании National Instruments (США). Кроме того, существует большое количество библиотек виртуальных приборов от независимых сторонних производителей. Про- граммы в LabVIEW и именуются виртуальными приборами, так как способ общения с ними напоминает реальные приборы. Виртуальные приборы иг- рают ту же роль, что и функции в обычных языках программирования. Пользователь виртуального прибора включает объект графической па- нели с помощью клавиатуры, «мыши» или специализированной прикладной программы. Виртуальные приборы сочетают большие вычислительные и графические возможности компьютера с высокой точностью и быст- родействием АЦП и ЦАП, применяемых в платах сбора данных. По суще- ству виртуальные приборы выполняют анализ амплитудных, частотных, вре- менных характеристик различных радиотехнических цепей и измеряют па- раметры сигналов с точностью примененных АЦП и ЦАП, а также форми- руют сигналы и для процесса собственно измерений, и для автоматизации ИС. Программная часть виртуального прибора может эмулировать (создать) на экране дисплея компьютера виртуальную переднюю управляющую панель стационарного измерительного прибора. Сама управляющая панель с вирту- альными кнопками, ручками и переключателями, сформированная на экране дисплея, становится панелью управления виртуального прибора. В отличие от реальной панели управления стационарного измерительного прибора, виртуальная панель может быть многократно перестроена в процессе работы для адаптации к конкретным условиям эксперимента. В зависимости от пла- ты и программного обеспечения пользователь получает измерительный при- бор под ту или иную метрологическую задачу. Несколько лет назад на пути развития технологии программирования и создания виртуальных приборов появилось новое многообещающее направ- ление. Оно называется IVI (Interchangeable Virtual Instruments — взаимозаме- няемые виртуальные инструменты). Основная идея такова. Все приборы од- ного класса имеют большую, общую для всех приборов группу функций, на- пример, все цифровые мультиметры (DMM) измеряют постоянное и пере- менное напряжение, сопротивление, а также выполняют другие функции. Ес- ли эти функции выделить в IVI Class Driver для класса DMM Class, то часть программы, отвечающая за управление цифровыми мультиметрами, не будет зависеть от конкретного прибора и его драйвера. Следует отметить высокое качество и надежность приборных драйверов VXI «Plug&Play», что не связа- но с концепцией классов драйверов IVI Class Driver, а реализуется другими средствами. Современные программные системы немыслимы без удаленного досту- па. Широкие вычислительные возможности виртуальных приборов позволя- ют реализовать программными методами многие методы повышения точно- сти измерений, эффективности и быстродействия. В настоящее время развивается направление по разработке вирту- альных измерительных систем, широко использующих возможности со- временных компьютеров, компьютерной графики, перспективных методов и средств измерений, цифровой обработки информации и эффективных «Plug&Play» мультимедиа-технологий при создании программного и техно- логического обеспечения. На основе виртуальных измерительных систем проводятся: - экспериментальные научные измерения и исследования реализуемые в виде универсальных (функционально ориентированных) приборов в вирту- альном исполнении (осциллографы, анализаторы, генераторы, синтезаторы сигналов, мультиметры, вольтметры, частотомеры, мультиплексоры и др.) и специальных (проблемно-ориентированных) систем, применяемых в спек- троскопии, акусто- и сверхпроводниковой электронике, в поляризованных исследованиях оптических светодиодов, изучении распространения электро- магнитного излучения в газах и атмосфере, дистанционном зондировании Земли и планет и т. д.; - разработка семейства новых универсальных компьютерных приборов, синтезированных программным путем, среди которых можно выделить при- боры с блоком оценки и представления точности характеристик прибора и измерений; - создание виртуальных систем учебного назначения: практикумы и тренажеры, электронные каталоги и инструкции к серийно выпускаемым приборам, построенные на адекватных моделях устройств. 7.4. Интеллектуальные измерительные системы Интеллектуальные измерительные системы — системы, которые можно индивидуально программировать на выполнение специфических за- дач, используя программируемый терминал (программатор) для ввода пара- метров конфигурирования. Подобные системы снабжены средствами пред- ставления анализируемой информации: дисплеем для визуализации мнемо- нических символов команд, цифровыми индикаторами, представляющими оператору необходимую информацию, и клавишами переключения видов ра- боты. Блок бесперебойного питания обеспечивает сохранность программ при отключении питания на длительное время. Интеллектуальные измерительные системы способны выполнять все функции измерения и контроля в реальном масштабе времени. Это позволяет осуществлять функции измерения и контроля «высокого уровня» без исполь- зования больших компьютеров. При автономном функционировании такая ИС обеспечивает непрерывные измерения и контроль заданных параметров, сбор данных и обработку сигналов. Интеллектуальные измерительные системы имеют существенные преимущества перед традиционными, а именно: • высокое быстродействие контуров управления процессами измерения, а также высокую скорость сбора данных; • универсальность — стандартные интерфейсы обеспечивают простое подключение к любым системам и оборудованию; • высокую надежность на каждом системном уровне — применение уни- версальных методов обеспечивает безотказную работу; • взаимозаменяемость; поскольку интеллектуальные системы — стан- дартные устройства, индивидуально программируемые в расчет на их специ- фические функции, то каждое из них может быть заменено другим устройст- вом того же функционального назначения; каждую систему можно рассмат- ривать как резервную для любого типа систем того же класса, что уменьшает число дополнительных резервных средств измерения, контроля, управления и регулировки и сводит к минимуму аварийный период в маловероятном случае выхода из строя какого-либо элемента. Принципы построения и структуры интеллектуальных ИС интегри- руют в себе все лучшие стороны традиционных измерительных систем, но более насыщены микропроцессорной и компьютерной техникой. Интеллек- туальные измерительные системы позволяют создать алгоритмы измерений, которые учитывают рабочую, вспомогательную и промежуточную информа- цию о свойствах объекта измерений и условиях измерений. Обладая способ- ностью к перенастройке и перепрограммированию в соответствии с изме- няющимися условиями функционирования, интеллектуальные алгоритмы позволяют повысить быстродействие и метрологический уровень измерений 7.5. Вопросы и ответы по автоматизации измерений 7.1. В техническую систему ин- формационно-вычислительного комплекса входят… 1. обменные устройства 2. самопишущие устройства 3. температурные датчики 4. вычислительные компоненты 7.2. ИИС, предназначенная для измерения функциональной ха- рактеристики резистивных дат- чиков и определения соответст- вия ее заданным требованиям относится к системе… 1. технической диагностики 2. автоматического контроля 3. телеизмерительной 4. распознавания образов 7.3. В техническую систему ин- формационно-вычислительного комплекса входят… 1. обменные устройства 2. температурные датчики 3. средства ввода-вывода цифровых и аналоговых сигналов 4. вычислительные компоненты 7.4. Если средство измерения по- зволяет измерять физическую величину, автоматически выпол- нять только выбор предела изме- рения, суммирование нескольких результатов и проводить самока- либровку, то он относится к классу… 1. микропроцессорных приборов 2. информационно-вычислительных комплексов 3. компьютерно-измерительных систем 4. информационно-измерительных сис- тем 7.5. Если средство измерения по- зволяет измерять несколько фи- зических величин, представлять их в цифровом виде, дополни- тельно выполнять только функ- ции накопления результатов и определения статистических ха- рактеристик, то он относится к классу… 1. компьютерно-измерительных систем 2. микропроцессорных приборов 3. информационно-вычислительных сис- тем 4. информационно-измерительных сис- тем 7.6. Измерительно- информационная система – это… 1. средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для не- посредственного восприятия 2. совокупность средств измерений, со- единенных между собой каналами связи и предназначенная для выработки сигна- лов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки 3. совокупность средств измерений, предназначенная для выработки сигна- лов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного наблю- дения человеком и расположенная в од- ном месте 4. средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической вели- чины заданного размера 7.7. Цифровые индикаторы в ав- томатизированной системе кон- троля и управления сбором дан- ных могут использоваться в ка- честве… 1. устройств вывода 2. каналов связи 3. устройств ввода 4. промежуточных преобразователей 7.8. Конструктивная совмести- мость информационно- измерительных систем обеспе- чивает согласованность… 1. конструктивных параметров 2. конструктивных сопряжений блоков при их совместном использовании 3. температурных датчиков 4. устройств ввода 7.9. Конструктивная совмести- мость информационно- измерительных систем обеспе- чивает согласованность… 1. конструктивных параметров 2. устройств ввода 3. адресации 4. температурных датчиков 7.10. Конструктивная совмести- мость информационно- измерительных систем обеспе- чивает согласованность… 1. конструктивных параметров 2. температурных датчиков 3. устройств вывода 4. информационных характеристик 7.11. Основными признаками измерительно-вычислительных комплексов является… 1. наличие нормированных метрологиче- ских характеристик 2. наличие системы электробезопасности 3. наличие компаратора 4. наличие температурных датчиков 7.12. Основными признаками измерительно-вычислительных комплексов является… 1. наличие системы электробезопасности 2. наличие температурных датчиков 3. наличие компаратора 4. наличие системы кодирования 7.13. Основными признаками измерительно-вычислительных комплексов является… 1 температурных датчиков 2. программное управление средствами измерений 3. наличие компаратора 4. наличие системы электробезопасности 7.14. Конструктивная совмести- мость измерительно- вычислительных систем обеспе- чивает согласованность … 1. конструктивных сопряжений блоков при их совместном использовании 2. адресации 3. конструктивных параметров 4. промежуточных преобразователей 7.15 Конструктивная совмести- мость измерительно- вычислительных систем обеспе- чивает согласованность … 1 промежуточных преобразователей 2. адресации 3. конструктивных параметров 4. информационных характеристик 7.16. Типовые измерительно- вычислительные комплексы предназначены для… 1 обеспечения согласованности характе- ристик блоков по надежности 2. решения задач автоматизации измере- ний 3. обеспечения согласованности характе- ристик блоков по стабильности 4. решения специфических задач 7.17. Типовые измерительно- вычислительные комплексы предназначены для… 1. настройки средств измерений 2. обеспечения согласованности характе- ристик блоков по стабильности 3. обеспечения согласованности характе- ристик блоков по надежности 4. решения специфических задач 7.18. Типовые измерительно- вычислительные комплексы предназначены для… 1 обеспечения согласованности характе- ристик блоков по надежности 2. обеспечения согласованности характе- ристик блоков по стабильности 3. испытаний или исследований 4. решения специфических задач 7.19. Измерительно- вычислительные комплексы предназначены для … 1. управления процессом измерения 2. обеспечения согласованности характе- ристик блоков по надежности 3. обеспечения согласованности характе- ристик блоков по стабильности 4. решения специфических задач 7.20. Измерительно- вычислительные комплексы предназначены для … 1. решения специфических задач 2. поддержания параметров в заданных пределах 3. обеспечения согласованности характе- ристик блоков по надежности 4. обеспечения согласованности характе- ристик блоков по стабильности 7.21. Измерительно- вычислительные комплексы предназначены для … 1. обеспечения согласованности характе- ристик блоков по надежности 2. решения специфических задач 3. обеспечения согласованности характе- ристик блоков по стабильности 4. осуществления измерения физических величин 7.22. Измерительно- информационная система, пред- назначенная для измерения функциональной характеристики резистивных датчиков и опреде- ления соответствия ее заданным требованиям, относится к систе- ме… 1. автоматического контроля 2. телеизмерительной 3. технической диагностики 4. распознавания образов 7.23. В измерительно- информационных системах раз- личают совместимость… 1. весовую 2. органическую 3. электрическую 4. тепловую 7.24. В измерительно- информационных системах раз- личают совместимость… 1. весовую 2. конструктивную 3. органическую 4. тепловую 7.25. В техническую систему из- мерительно-вычислительного комплекса входит… 1. обменные устройства 2. температурные датчики 3. вычислительные компоненты 4. средства ввода-вывода цифровых и аналоговых сигналов 7.26. В техническую систему из- мерительно-вычислительного комплекса входит… 1. обменные устройства 2. самопишущие устройства 3. вычислительные компоненты 4. температурные датчики 7.27. Результатом измерения измерительно-информационной системы является… 1. значение погрешности вычисления физической величины 2. состояние объекта измерения 3. значение физической величины 4. значение нескольких физических ве- личин 7.28. Устройство, преобразую- щее пространственно- разделенные аналоговые сигналы в сигналы, разделенные во вре- мени, называется… 1. интерфейсом 2. коммутатором 3. микропроцессом 4. усилителем 7.29. Основным элементом авто- матизированных систем с кана- лом общего пользования являет- ся… 1.персональный компьютер 2. датчик 3. устройство воздействия на объект из- мерения 4. интерфейс 7.30. Измерительная система распознавания образов выполня- ет функции… 1. определения работоспособности эле- мента и локализации неисправности 2. определения принадлежности объекта к одной из известных групп объектов 3. контроля технологических процессов 4. получения максимального количества достоверной измерительной информации об объекте 7.31. Измерительная система технической диагностики вы- полняет функции… 1. получения максимального количества достоверной измерительной информации об объекте 2. определения работоспособности эле- мента и локализации неисправности 3. определения принадлежности объекта к одной из известных групп объектов 4. контроля технологических процессов 7.32. Измерительная система ав- томатического контроля выпол- няет функции… 1. определения работоспособности эле- мента и локализации неисправности 2. получения максимального количества достоверной измерительной информации об объекте 3. определения принадлежности объекта к одной из известных групп объектов 4. контроля технологических процессов |