Автоматизація вимірювального процесу

За останні роки завдяки великим успіхам, що досягнуті у мікроелектроніці, обчислювальній техніці і приладобудуванні, з'явилася можливість створювати вимірювальні засоби, які відповідають самим високим вимогам (у відношенні точності, швидкодії, діапазонів вимірювання, надійності, габаритних розмірів, маси, споживаної потужності, способів індикації і реєстрації результатів вимірювання). Застосування мікропроцесорів дозволяє різко підвищити степінь автоматизації вимірювань, надати засобам вимірювання властивість само налагодження на оптиРисьне виконання покладених на них функцій.

Виконання вимірювань без безпосередньої участі людини, тобто автоматично, дає змогу різко підвищити продуктивність праці, забезпечити високу об'єктивність отриманих результатів внаслідок усунення похибок вимірювань, які вносяться оператором.

Автоматизація дає змогу забезпечити:

збір вимірювальної інформації у місцях, які недоступні для
безпосередньої участі людини у процесі вимірювання і контролю;

тривалі, багатократно повторні вимірювання;

одночасне вимірювання великої кількості величин;

вимірювання параметрів швидкоплинних процесів, час
вимірювання параметрів яких порівнюється з часом самого
вимірювання, обробки отриманих результатів, і прийняття
рішення;

вимірювання, які характеризуються великими масивами
отриманої інформації і складними алгоритмами її обробки.

Намагання отримати все більш ширші і точні відомості про фізичні об'єкти, інтенсифікація потоків отриманої і перероб­люваної вимірювальної інформації стимулюють безперервний процес розвитку засобів вимірювання, який виражається у під­вищенні точності вимірювань та збільшенні швидкодії засобів вимірювання, що забезпечує підвищення достовірності отриманої при вимірюваннях інформації.

Вимірювальна інформація, яка отримується у ході виконання сучасних наукових досліджень або під час проведення техноло­гічних процесів, в основному не може бути сприйнята і інтер­претована людиною без додаткової її обробки і подання у формі, що є зручною для аналізу (графік, таблиця, гістограма та ін.). Складність алгоритмів обробки вимірювальної інформації є різною, і часто час, що витрачається на обробку інформації без використання обчислювальної техніки, стає суттєво великим, ніж вимагається для забезпечення норРисьного функціонування керованого об'єкту досліджень або виробничого процесу. Це викликає необхідність створення автоматичних пристроїв, які дають змогу максиРисьно звільнити людину від збору і переробки вимірювальної інформації.

Потрібно розрізняти повну і часткову автоматизацію вимі­рювань. У першому випадку весь процес вимірювання від отри­мання первинної інформації про об'єкт вимірювання до виводу кінцевих результатів вимірювання на реєструючий пристрій або у коло зворотнього зв'язку керування об'єктом здійснюється без участі людини (автоматичні вимірювання).

При частковій автоматизації (автоматизовані вимірювання) оператор є однією з ланок у колі отримання вимірювальної інформації. В його функції входить в основному підтримання норРисьного функціонування засобів вимірювання, ввід початко­вих умов і програми вимірювання, аналіз результатів вимірювання та задання керуючих дій на виконавчі механізми для керування об'єктом. Після виконання оператором цих операцій технічні засоби виконують вимірювання автоматично.

Автоматизація вимірювань не принижує ролі дослідника, інженера або техніка, які планують і використовують результати вимірювань. Навпаки, вона підвищує продуктивність їхньої праці, вимагає від них більш високого рівня знань не тільки засобів вимірювання, але і тих завдань, які розв'язуються при прийомі та обробці вимірювальної інформації, вміння правильно застосувати ці засоби, закласти оптиРисьну програму вимірювань і дати правильне трактування результатів вимірювання. Застосування автоматичних засобів вимірювання звільняє людину від нетворчої, механічної роботи, виключає можливість виникнення суб'єк­тивних похибок.

Автоматичні засоби вимірювання у процесі свого розвитку пройшли ряд етапів становлення. Причому ці етапи не є повністю незалежними один від одного у часі існування, має місце накладання етапів, самостійний їх розвиток, взаємний вплив. У зв'язку з цим виділення етапів розвитку засобів вимірювання є досить наближеним і залежить від тих напрямків науки і техніки, в яких досліджується питання застосування вимірювальної техніки.

Розглянемо етапи розвитку автоматичних засобів вимі­рювання і контролю, які застосовуються у системах керування технологічними процесами і складними об'єктами.

На першому етапі розвитку автоматизації підлягали тільки засоби збору вимірювальної інформації та її реєстрації на аналогових індукуючих і реєструючих пристроях. Обробку результатів вимірювання і вироблення відповідних рішень і виконавчих команд здійснював оператор.

У подібних системах керування об'єктом засоби вимірювань являли собою набір окремих вимірювальних приладів. У резуль­таті при вимірюванні великої кількості параметрів об'єкту оператор був не у стані охопити всю отриману інформацію і прийняти оптиРисьне рішення щодо керування об'єктом. Це, у свою чергу, призводило до розширення штату обслуговуючого персоналу, і до зниження надійності та якості керування, і зростання експлуатаційних витрат.

На другому етапі всезростаючі вимоги до засобів вимі­рювання, зумовлені інтенсифікацією потоків вимірювальної інформації, призвели до створення інформаційно-вимірювальних систем. На відміну від вимірювального приладу інформаційно-вимірювальна система забезпечує вимірювання великої кількості параметрів об'єкту і здійснює автоматичну обробку вимірювальної інформації за допомогою вбудованих у систему обчислювальних засобів. В завдання оператора системи керування тепер стали входити тільки прийняття рішень за результатами вимірювань і виробітка команд керування. Централізований збір інформації та її обробка за допомогою засобів обчислювальної техніки різко підвищили продуктивність праці оператора, але не звільнили його від відповідальності за керування об'єктом, який обслуговується системою.

На третьому етапі розвитку з'явилися інформаційно-керуючі системи та інформаційно-обчислювальні комплекси, в яких здійснюється повний замкнутий цикл передачі вимі­рювальної інформації від її отримання до обробки, прийняття відповідних рішень і видачі команд керування на об'єкт без участі оператора.

До складу таких систем входять обчислювальні машини різних класів, універсальні або спеціалізовані, з різною про­дуктивністю, їх застосування дає змогу обробляти величезні масиви вимірювальної інформації. Головна перевага таких систем полягає у тому, що алгоритм роботи систем став програмно-керованим, легко переналагоджується при змінах режимів роботи або умов експлуатації об'єкту. Крім того, праця оператора зводиться у цьому разі до діагностики стану системи керування, забезпеченню її працездатності розробці методик вимірювання і програм функціонування.

Характерною особливістю другого і третього етапів є бурхливий розвиток цифрових вимірювальних приладів. Найбільший розвиток отриРиси вимірювальні прилади електричних величин, оскільки у практиці вимірювань неелектричних фізичних величин вони, переважно, перетворюються в електричні — як найбільш зручні для передачі, реєстрації, точного відтворення мір і т.д. У цілому більшість цих приладів, володіючи високою точністю і швидкодією, автоматизують тільки процес збирання і реєстрації вимірювальної інформації, оскільки обчислювальні і керуючі функції у них розвинуті погано через обмеження, які накладаються елементною базою, допустимими габаритними розмірами, масою і т.д.

На даний час завдяки досягненням мікроелектроніки значно зменшуються габаритні розміри, маса і вартість засобів вимі­рювання та контролю. Застосування мікропроцесорних вимі­рювальних пристроїв у засобах вимірювання — це якісно новий щабель розвитку процесів вимірювання. В автоматичних засобах вимірювання і контролю завдяки мікропроцесорним приладам керування і обробки інформації у значній мірі сти­раються грані відмінностей міме вимірювальним пристроєм та системою. Обидва засоби вимірювань характеризуються у цьому випадку одними і тими ж програмно-керованими прин­ципами функціонування. Відмінність їх полякає лише у кіль­кості вимірюваних величин, в об'ємі пам'яті і оснащеності периферійними пристроями.

Аналіз найбільш загальних принципів вимірювальної інфор­мації дає змогу визначити узагальнену структурну схему засобів вимірювань (рис. 11.1), що є властива практично будь-якому відомому вимірювальному приладу, пристрою, системі і т.д. На практиці у структуру реального вимірювального засобу можуть не входити деякі елементи узагальненої структури, наприклад, засоби керування об'єктом або реєстрацією результатів.

З точки зору автоматизації процесів вимірювання, аналіз узагальненої структурної схеми засобів вимірювання (рис. 11.1) дає змогу сформувати основні шляхи вирішення поставленого завдання.

1. Автоматизація збору, вимірювальної інформації.

Для автоматизації збору інформації необхідно забезпечити уніфікацію вихідних сигналів вимірювальних перетворювачів фізичних величин, програмно-керовану комутацію цих сигналів на загальний канал зв'язку, автоматичний вибір діапазонів вимірювання.

2. Автоматизація операцій вимірювального кола.
Вимірювальне коло засобів вимірювання представляє собою

сукупність перетворюючих елементів, що забезпечує здійснення всіх перетворень сигналу вимірювальної інформації. Приймання інформації з об'єкту, фільтрація, попередня аналогова обробка сигналів, підсилення, аналогове-цифрове перетворення і т.д. утворюють типовий набір операцій, які виконуються у вимі­рювальному колі (каналі) приладу або системи. Автоматизація вказаних операцій повинна виконуватись таким чином, щоб у процесі функціонування вимірювального приладу (системи) були відсутні ручні операції налагодження, регулювання і пере­ключення.

3. Автоматизація передачі інформації з вимірювального кола
у цифровий обчислювальний пристрій (ЕОМ, мікро ЕОМ).

Під цим розуміється відповідне узгодження вимірювального кола з інформаційною шиною обчислювального пристрою (технічні засоби узгодження отриРиси назву "інтерфейс"). Інтерфейс визначає формат інформації, яка передається і приймається, рівні сигналів ліній зв'язку, а також організацію керуючих сигналів і відповідні часові співвідношення для них.

4. Автоматизація обробки вимірювальної інформації.
Вмикання у вимірювальне коло обчислювальних засобів дає

змогу значно підвищити точність вимірювальних пристроїв. Обчислювальні засоби можуть бути виконані на основі як універсальних, серійних ЕОМ, так і шляхом розробки спеціалізо­ваних машин. З метою вимірювання можуть застосовуватися як аналогові, так і цифрові обчислювальні засоби (поширення цифрових засобів стало можливим завдяки розвитку мікро­процесорних засобів).

5. Автоматизація індикації і документальної реєстрації
результатів вимірювання.

Автоматизація цих процесів забезпечується шляхом осна­щення вимірювальних пристроїв (систем) різними периферійними вихідними пристроями: цифро-букводрукуючими, перфо­руючими із записом на паперову або магнітну стрічку, графо-побудовувачами, цифровими індикаторними табло, дисплеями і т.д. При цьому повинні бути забезпечені автоматичний вибір необхідного периферійного забезпечення і автоматичний вивід інформації з ЕОМ.