Измерительные системы

Измерительная информация - информация о значениях физических величин. В измерительную информацию могут также входить данные о погрешности измерений, о числе измерений и др.

Измерительная система (ИC) – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

Измерительная система предназначена для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и/или использования в автоматических системах управления.

Измерительные системы обладают основными признаками средств измерений и являются их специфической разновидностью.

Основными областями применения собственно измерительных систем являются научные исследования, испытания различных объектов, учетные операции, и др.

Наиболее крупной структурной единицей, для которой могут нормироваться метрологические характеристики, является измерительный канал ИС.

Измерительная система может быть частью автоматизированной системы.

Автоматизированная система (АС) - комплекс технических, программных и других средств, предназначенный для автоматизации различных процессов. В общее понятие автоматизированная система включают также обслуживающий систему персонал.

В зависимости от назначения измерительные системы подразделяются на:

· измерительные информационные;

· измерительные контролирующие;

· измерительные управляющие и др.

Измерительная информационная система (ИИС) - измерительная система, предназначенная для целей представления измерительной информации в виде необходимом потребителю.

Измерительная контролирующая система - измерительная система, предназначенная для целей контроля параметров технологического процесса, явления, объекта или его состояния.

Могут выполняться в виде систем автоматического контроля (САК), которые осуществляют контроль соотношения между текущим (измеренным) состоянием объекта и установленной "нормой поведения" по известной математической модели объекта. По результатам обработки полученной информации выдается суждение о состоянии объектов контроля. Функцией таких САК является отнесение объекта к одному из возможных качественных состояний.

Измерительная управляющая система - измерительная система, предназначенная для целей автоматического управления технологическим процессом, автоматическим производством. Может быть представлена в виде измерительной контролирующей системы, включающей в себя устройства обратной связи для воздействия на контролируемый объект для поддержания заданных значений параметров, изменения их по заданному алгоритму и т. д.

Измерительный сигнал — сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине.

Измерительный сигнал представляет собой физический носитель информации, один или несколько параметров которого функционально связаны с измеряемой величиной. Например, электрическое напряжение на выходе термопары, частота электрического тока на выходе турбинного расходомера.

Измерительный канал (ИК) – это конструктивно или функционально выделенная совокупность элементов измерительной системы, выполняющая законченную функцию, начиная с восприятия измеряемой величины до получения результата ее измерений, выражаемого числом или соответствующим ему кодом, или до получения аналогового сигнала, один из параметров которого — функция измеряемой величины.

ИК можно представить в виде последовательного соединения измерительных преобразователей, некоторые из которых сами могут быть многоканальными.

Одноканальная измерительная система - измерительная система, в которой измерительная информация от разных точек объекта или среды поступает по одному измерительному каналу.

Многоканальная измерительная система - измерительная система, в которой имеется два и более измерительных каналов.

Типовая структура ИК может включать в себя следующие устройства:

· первичный измерительный преобразователь;

· связующий компонент измерительной системы – техническое устройство или часть окружающей среды, предназначенные или используемые для передачи с минимально возможными искажениями сигналов, несущих информацию об измеряемой величине от одного компонента ИС к другому (проводная линия связи, радиоканал, телефонная линия связи, линия электропередачи с соответствующей каналообразующей аппаратурой, а также переходные устройства — клеммные колодки, кабельные разъемы и т. п.);

· промежуточный (нормализующий) измерительный преобразователь;

· аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

· процессор;

· цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Протяженность ИК может составлять от десятков метров до нескольких сотен километров. Измерительная система может включать десятки, сотни и тысячи измерительных каналов.

Измерительные сигналы

В измерительных каналах приборов и измерительных систем информация о значении физических величин передается с помощью сигналов.

Физическая природа сигналов, несущих измерительную информацию, может быть различной: электрический ток или напряжение, давление сжатого воздуха, световой поток, деформация, перемещение и др.

В связи с бурным развитием электроники и вычислительной техники наиболее удобным и распространенным видом сигналов для передачи, преобразования и анализа измерительной информации являются электрические сигналы.

Наиболее часто в качестве исходных сигналов для передачи измерительной информации используются:

а) сигналы постоянного уровня (например, постоянные электрические токи и напряжения, давление сжатого воздуха, световой поток);

б) синусоидальные сигналы (переменный электрический ток или напряжение);

в) последовательность прямоугольных импульсов (электрических или световых).

Для того, чтобы исходный сигнал стал измерительным, необходимо, чтобы один из его параметров был связан функциональной зависимостью с измеряемой физической величиной. Параметр сигнала, выбранный в качестве такового, называется информативным, а все остальные параметры - неинформативными.

Сигналы, перечисленные выше (а, б, в), могут характеризоваться одним или несколькими параметрами.

В первом случае единственным параметром сигнала является его уровень.

Синусоидальный сигнал характеризуется своей амплитудой, частотой и фазой: любой из этих параметров может быть выбран в качестве информативного, при этом два других будут неинформативными.

Параметрами, характеризующими последовательность прямоугольных импульсов, являются: амплитуда, частота, фаза, ширина импульсов, комбинация импульсов различного уровня.

Процесс преобразования исходного сигнала в измерительный, т. е. преобразование одного из параметров исходного сигнала, вырабатываемого некоторым источником, в информативный параметр, называется модуляцией. В зависимости от вида модуляции измерительные сигналы можно классифицировать следующим образом.

Сигналы постоянного уровня могут быть модулированы только по уровню. Уровень сигнала является при этом мерой измеряемой величины.

Синусоидальные сигналы могут быть модулированы по амплитуде, фазе или частоте. В зависимости от того, который из этих параметров сигнала является мерой измеряемой величины, различают амплитудно-модулированные, фазомодулированные или частотно-модулированные сигналы.

Последовательность прямоугольных импульсов может быть модулирована по амплитуде (амплитудно-импульсная модуляция), по частоте (частотно-импульсная модуляция), по фазе (фазоимпульсная модуляция) или по ширине импульсов (широтно-импульсная модуляция). Сигнал, в котором различным значениям измеряемой величины поставлена в соответствие определенная комбинация импульсов различного уровня, называется кодоимпульсным, или цифровым.

В зависимости от характера изменения информативного параметра сигнала по уровню и во времени измерительные сигналы подразделяются на:

· аналоговые (непрерывные по уровню); их информативный параметр является функцией времени и может принимать любые значения в заданном диапазоне;

· дискретные (квантованные по уровню); их информативный параметр представлен в виде последовательности отдельных (дискретных) значений в определенные моменты;

· непрерывные во времени, если они существуют в течение всего времени измерения и в любой момент могут быть выведены на регистрацию;

· дискретизированные, или квантованные по времени, если они несут информацию о значении измеряемой физической величины, лишь в течение некоторых промежутков времени. К этой группе относятся, например, все виды импульсно-модулированных сигналов.

При анализе измерительный сигнал обычно представляют двумя различными способами – временным и частотным. Соответственно говорят об анализе сигнала во временной и частотной областях.

В первом случае сигнал представляют в виде функции времени x(t), характеризующей изменение его параметра. Например, гармонический сигнал

х(t) = A·cos(ω·t + φ).

Кроме этого, измерительные сигналы анализируют, представляя их в виде функций частоты. При этом любой сложный сигнал может быть представлен в виде суммы более простых сигналов, например, в виде суммы простейших гармонических колебаний, совокупность которых называется частотным спектром сигнала.