Применение вычислительной техники при измерениях
03.10.2009 19:24
Индекс материала
Применение вычислительной техники при измерениях
Страница 2
Страница 3
Страница 4
Все страницы

При автоматизации производства и технологических процессов требуется за ограниченное время одновременно измерять, регистрировать значительное количество параметров и преобразовывать большие потоки информации. Успешное решение этих задач во многом зависти от взаимосвязанного развития таких направлений, кК информатика, вычислительная техника и автоматизации. Автоматизация методов и средств измерений, процессов управления, получения, хранения и анализа полученных данных привели к созданию информационно - вычислительных комплексов на основе мини-, микро- и персональных ЭВМ.

Модульный принцип создания систем стал основным в связи с переходом на широкое использование микропроцессоров. Одно из последних достижений измерительной техники - использование в приборах, встроенных микропроцессоров для решения задач вычислений по определенному алгоритму. Увеличиваются многофункциональные приборы; аналоговые приборы вытесняются цифровыми, выполненными на интегральных схемах, которые позволяют уменьшать габариты цифровых приборов, мощность их потребления, упрощать технологию изготовления и автоматизировать их производство. Цифровые приборы, кроме визуальной индикации измерительной информации в десятичной системе, имеют выход в двоично-десятичном коде для ввода в ЭВМ и на цифропечатающее устройство, тем самым расширяется непрерывный контроль параметров систем с регистрацией контролируемых значений сигнализацией на выходе за пределы нормы.
Наличие микропроцессорной системы дает возможность полностью автоматизировать работу цифрового осциллографа с программным управлением, что повышает эффективность экспериментального исследования многих процессов.
Разнообразие задач, решаемых с помощью средств измерительной техники, влечет за собой разработку разных по структуре и назначению измерительных систем от простейших, где ЭВМ является внешним звеном, предназначенным лишь для обработки результатов измерений, до сложны структур, где мини- и микроЭВМ используются не только для обработки информации, но и для управления процессом ее получения. Развитие этих систем вызвано необходимостью в новых средствах получения измерительной, контрольной и диагностической информации за ограниченное время и при минимальном участии человека.
Взаимообусловленное развитие измерений, электроники и вычислительной техники определяет уровень экономики в целом и общий рост производительного труда.

Измерение - единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические явления или процессы. Поэтому разработка новых машин, механизмов, аппаратов, а также непосредственное осуществление сложных технических производственных процессов в промышленности связаны с необходимостью измерения многочисленных физических величин.
При этом число подлежащих измерению механических, тепловых, химических, оптических, акустических и т.д. величин, то есть так называемых неэлектрических величин, интересующих науку и производство, во много раз больше числа всех возможных электрических и магнитных величин. Поэтому измерение неэлектрических величин достигло сейчас высокого развития и образует наиболее крупную, разветвленную и стремительно развивающуюся я область современной измерительной техники, а производство приборов для измерения различных физических величин составляет основную часть приборостроительной промышленности.
До появления автоматических управляющих устройств и ЭВМ потребителем измерительной информации на выходе измерительных приборов был человек (экспериментатор, оператор, диспетчер). Теперь же очень часто измерительная информация от приборов непосредственно поступает в автоматические управляющие устройства. В этих условиях главное положение при измерении любых физических величин заняли электрические средства измерений благодаря присущим им следующим основным преимуществам.
1. Исключительная простота измерения чувствительности в весьма широком диапазоне значений измеряемой величины, то есть широкий амплитудный диапазон. Использование электроники позволяет в тысячи раз усиливать электрические сигналы, а следовательно в такое же число раз увеличивать чувствительность аппаратуры. Благодаря этому электрическими методами можно измерять такие величины, которые другими методами вообще не могут быть измерены.
2. Весьма малая инерционность электрической аппаратуры, то есть широкий частотный диапазон. Это дает возможность измерять как медленно протекающие, так и быстро протекающие во времени процессы с их регистрацией светолучевыми и электронными осциллографами.
3. Возможность измерения на расстоянии, в недоступных местах, вредных условиях, возможность централизации и одновременности измерения многочисленных и различных по своей физической природе величин, то есть возможность создания комплексных информационно-измерительных систем, возможность передачи результатов измерений на большие расстояния, математической обработке и использования их для управления.
4. Возможность комплектования измерительных и обслуживаемых или автоматических систем из блоков однотипной электрической аппаратуры, что имеет важнейшее значение для создания информационно-измерительных систем, как для научного, так и для промышленного измерения.

Измерительные преобразователи

Для того, чтобы неэлектрические величины можно было измерить с помощью электрической измерительной аппаратуры, необходимы устройства. которые преобразовывали бы измеряемую величину сначала в нескорую промежуточную электрическую величину, а затем в окончательный результат измерения. Устройства, осуществляющие однозначную функциональную зависимость одной неэлектрической или электрической величины от другой, называются измерительными преобразователями.
Наиболее важную роль в технике электрических измерений неэлектрических величин играют преобразователи неэлектрических величин в электрические (например, термопара, развивающая Э.Д.С. пропорциональную температуре; фотоэлемент, дающий величину электрического тока, пропорциональную падающего на него светового потока и т.д.)
Кроме этого, в аппаратуре для измерения неэлектрических величин применяются чисто неэлектрические преобразователи (рычажные и зубчатые передачи, пружины, мембраны, сильфоны и т.д.), чисто электрические преобразователи (линии связи, делители напряжения и тока, мосты, усилители, выпрямители и т.д.), а также так называемые обратные преобразователи, то есть преобразователи электрических величин в неэлектрические.

Принцип построения измерительных устройств

Составление структурной схемы измерительного устройства рассмотрим на примере, представленном на рис.8, где схематично показана конструкция электрического устройства для измерения уровня бензина в баке автомобиля.

Высота измеряемого уровня бензина х воспринимается поплавком 1, который с помощью рычажной передачи 2 перемещает движок реостата R. Таким образом эта часть устройства обеспечивает однозначную функциональную зависимость перемещения от измеряемой величины х. Реостат с равномерной намоткой (реостатный измерительный преобразователь) дает однозначную зависимость . Электрическая измерительная цепь (при постоянстве напряжения Е источника питания и всех сопротивлений цепи, кроме сопротивления реостата) осуществляет однозначную зависимость тока I от сопротивления R. Поэтом шкала электроизмерительного прибора (указателя), по которой отсчитываются показания "n" может быть отградуирована непосредственно в значениях измеряемого уровня бензина х. Таким образом, все измерительные преобразования, используемые в уровнемере, могут быть представлены последовательной цепью

где преобразование есть снятие отсчета и регистрация показаний, производимые при использовании визуального указателя человеком-оператором, а в регистрирующих приборах осуществляемые автоматически без участия человека.
Приборы для измерений как электрических, так и неэлектрических величин конструктивно чаще всего разделяются на три самостоятельных узла:
" датчик;
" измерительное устройство;
" указатель(регистратор),
которые могут размещаться отдельно друг от друга и соединяются между собой лишь кабелем.
Датчиком прибора для измерения той или иной величины называется конструктивная совокупность ряда измерительных преобразователей, размещаемых непосредственно у объект измерения.
Требования и эксплутационные условия на объекте измерения, как правило, более суровы (повышенная температура, вибрации, влажность т т.д.), чем в месте отсчета при регистрации. Поэтому непосредственно в точку пространства, в которой необходимо произвести измерение, помещается минимум измерительных преобразователей, которые могут воспринимать информацию о значении измеряемой величины и преобразовывать её в вид, пригодный для передачи хотя бы на небольшое расстояние.
Используя возможность дистанционной передачи, остальную часть измерительной аппаратуры (измерительные цепи, усилители, источники питания и т.д.), называемую обычно измерительными устройством, выполняют в виде отдельного самостоятельного конструктивного узла, который может быть размещен в более благоприятных условиях и не отягощать объект измерения.
К последнему конструктивному узлу измерительного прибора - устройству представления информации (указателю результата измерения), - вновь предъявляются специфические требования по его размещению, на приборных щитках операторах, доступных для визуального наблюдения.
Раздельное конструктивное выполнение датчиков, измерительных устройств и указателей обеспечивает большую гибкость, взаимозаменяемость, быстрый ремонт и универсальность электрической аппаратуры.
Из структурной схемы прибора на рис. 9 видно, что датчиком этого прибора, вынесенным непосредственно на объект измерения, является конструктивная совокупность двух первых преобразователей структурной схемы: предварительного преобразователя, воспринимающего измеряемый уровень - поплавка с рычажной передачей, и основного - реостатного измерительного преобразователя. Измерительное устройство прибора включает в себя остальные звенья структурной схемы и соединяется с датчиком и указателем только линией связи. Однако основной принцип, заключающийся в том, что любое измерительное устройство представляет собой канал приема и преобразования информации о размере измеряемой величины, образованной последовательной цепью более простых и сложных измерительных преобразователей, всегда остается справедливым.

Классификация измерительных преобразований неэлектрических величин

Существующие преобразователи электрических величин в неэлектрические основаны на различных физических явлениях. Одним из основных классификационных признаков является физический принцип, построены в основу построения преобразователей.
Потенциометрические (реостатные) преобразователи. В основу их построения заложено преобразование измеряемой физической величины в изменение омического сопротивления. При этом измеряемая механическая величина предварительно преобразуется в линейное или угловое перемещение.
Электромагнитные преобразователи. К этой группе относятся преобразователи, использующие взаимодействие магнитных потоков, создаваемых протекающим по контурам электрическим током. В свою очередь электромагнитные преобразователи подразделяются на:
индуктивные;
трансформаторные (взаимоиндуктивные);
индукционные.
Тензорезисторные (тензометрические) преобразователи. В основе их работы лежит явление тензоэффекта, сущность которого состоит в изменении активного сопротивления проводника (тензорезистора) при его механической деформации.
Термоэлектрические преобразователи. Основаны на явлении возникновения термозависимой ЭДС в спаянных или сваренных разнородных проводниках (электродах).
Механотронные преобразователи - электронный преобразователь механических величин в электрический сигнал.

Физические основы и конструкции основных типов преобразователей.

Потенциометрические (реостатные) преобразователи

Входным параметром преобразователя может быть линейное или угловое перемещение (при непосредственном воздействии на движок реостата) или давление, сила (при наличии промежуточного элемента: мембраны, сильфоны или поршня).
Электрические схемы преобразователей обычно бывают двух видов: потенциометрические и мостовые.

В свою очередь, мостовые схемы могут быть с уравновешенным и неуравновешенным мостом. В потенциометрических схемах реостат питается постоянным напряжением Uвх, а выходное напряжение Uвых пропорционально перемещению движка преобразователя и напряжения Uвх
Схемы эти просты, но имеют недостаток - значительную нелинейную зависимость Uвых от (в зависимости от сопротивления преобразователя R, добавочного сопротивления RД и входного сопротивления RИ измерительной схемы. Только при большом входном сопротивлении RИ связь между Uвых и становится линейной.
Мостовые схемы обычно имеют малую нелинейность характеристики, поэтому находят большее применение. Потенциометрические преобразователи изготавливают либо в виде обмотки из изолированного провода, намотанного на каркас, либо в виде реохорда.
Материал провода: манганин, константан.
Движок выполняется либо из сплава платины с иридием, либо из серебра. Каркас изготавливается из текстолита, пластмассы или алюминия.

Индуктивные, трансформаторные и индукционные электромагнитные преобразователи.

Электромагнитные преобразователи основаны на использовании зависимости характеристик магнитной цепи (магнитного сопротивления, магнитной проницаемости, магнитного потока и т.д.) при механическом воздействии на элементы этой цепи.
Преобразователи, преобразующие перемещение в изменение индуктивности называют индуктивными

Преобразователи, преобразующие в изменение взаимоиндуктивности называются трансформаторными

В трансформаторных преобразователях изменение взаимоиндуктивности можно получить не только при изменении полного сопротивления, но и при перемещении одной из обмоток.
Преобразователи, основанные на изменении магнитного сопротивления, обусловленном изменением магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации называются магнитоупругими.

 



Преобразователи, в которых скорость изменения измеряемого механического параметра преобразуется в индуктированную ЭДС, называют индукционным или магнитоэлектрическим (рис. 20).

Индуктивные датчики представляют собой дроссель с изменяющимся воздушным зазором или изменяющейся площадью S поперечного сечения магнитопровода. Выходным параметром является изменение индуктивности L (или полного сопротивления Z) обмотки, надетой на сердечник. Широко распространены также индуктивные преобразователи соленоидного типа с разомкнутой магнитной цепью.
Индуктивные преобразователи с переменным зазором имеют ограниченный диапазон изменений (от 0,01 до 2 мм), так как при большем рабочем зазоре зависимость становится нелинейной. Преобразователи с регулируемой площадью поперечного сечения магнитопровода имеют большую линейность (в диапазоне до 5 8 мм). Преобразователи соленоидного типа пригодны для измерения больших перемещений (до 50-60 мм).
Недостатком индуктивных преобразователей является наличие на выходе постоянной составляющей сигнала, для компенсации которой применяют мостовые или дифференциальные схемы.

 

Рассмотренные ранее приборы предназначаются для измерения одновременно только одной величины и лишь отдельные виды регистрирующих приборов позволяют фиксировать функциональные зависимости от времени нескольких величин. Кроме того, большинство из этих приборов не может быть удалено из места измерения на сколько-нибудь значительное расстояние. Однако при современном состоянии науки и техники управление различного рода технологическими процессами и энергетическими устройствами, оценка технического состояния разнообразных механизмов и эксплуатируемых объектов и проведение сложных научных исследований предъявляют такие требования к измерительной технике, которые не могут быть реализованы рационально с помощью указанных приборов. Требуются измерения большего числа величин, различных как по физической природе, так и по диапазонам их значений, в большом числе точек и за очень ограниченное время. Результаты измерений при этом должны быть сосредоточены в одном центре, причем объекты измерения могут быть удалены на значительное расстояние о этого центра. Очевидно, что возможности человека при использовании обычных измерительных приборов оказываются недостаточными даже для простого наблюдения за их показаниями. Вопрос значительно усложняется, если результатам измерения отдельных величин нельзя сразу сделать требуемых выводов и заключений, а для этого необходима сложная, иногда и срочная обработка получаемой измерительной информации. В то же время не вся поступающая измерительная информация является одинаково важной. В ряде случаев не требуется знать значения всех параметров, характеризующих исследуемый процесс, достаточно иметь информацию только о тех из них, которые вышли за определенные пределы. В этих случаях объем информации, поступающей к оператору, может быть резко сокращен.
Для решения указанным задач применяются измерительные устройства, получившие названия информационно-измерительных систем (ИИС). В этих системах функции отдельных измерительных приборах выполняются единым централизованным автоматическим устройством, связанным с первичными измерительными преобразователями, воспринимающими измерительную информацию о множестве величин или в большом числе точек, и осуществляющим измерение этих величин и обработку полученных результатов измерения по определенной программе с последующей выдачей комплексных данных, общих выводов или команд человеку или управляющей машине.
В соответствии с этим, типовая ИИС включает следующие основные узлы:
1. Комплект измерительных преобразователей, воспринимающих измеряемые физические величины и соединяющих ИИС с исследуемым объектом;
2. Комплектующие устройства, предназначенные для поочередного подключения измерительных преобразователей к системе или временного разделения каналов;
3. унифицирующие (или нормализующие) устройства, осуществляющие преобразование всех измеряемых величин в единую физическую величину, а также операции масштабирования (т.е. изменения по значению) и линеаризации входных величин;
4. измерительные устройства, выполняющие собственно измерительные операции (сравнение с мерой, квантование, кодирование);
5. устройства математической и логической обработки измерительной информации (например, при проведении косвенных или совокупных измерений);
6. устройства хранения информации, состоящие из запоминающих устройств и преобразователей информации в такой вид, который удобен доя дальнейшей переработки (например, ввод в ЭВМ);
7. выходные или регистрирующие устройства, предназначенные для передачи информации человеку.
Кроме того, в ИИС обычно включают логические устройства, которые позволяют, например автоматически, в зависимости от характера измерительных процессов, выбирать шаг квантования по времени и уровню, опрашивать нужный канал и т.д.

Виды ИИС

По признаку выполняемых функций ИИС модно разделить на три группы:
1 группа - ИИС в прямом смысле, выполняющие прямые, косвенные и совокупные измерения; в последних двух случаях - на основе прямых измерений других величин и соответствующей математической обработки. Области применения этих систем - всевозможного рода комплексные исследования научного и производственного характера.
2 группа - ИИС, осуществляющие функции измерения и контроля либо технологического процесса, либо качества выпускаемой продукции. Системы, выполняющие только функции контроля, получили название систем автоматического контроля (САК). Следует только различать системы, предназначенные для контроля технологических процессов, которые называют также машинами централизованного контроля, и системы, выполняющие контроль качества продукции и ее сортировку.
Контролем называют процесс получения информации и состоянии контролируемого объекта путем сравнения значений параметров, характеризующих объект, с значениями этих параметров, принятых за нормальные (допустимые). Таким образом, результатом контроля является не численное значение контролируемого параметра, и этим контроль отличается от измерения, а лиши информация о том, находится ли значение в норме или отклоняется от нее, о чем дается соответствующий сигнал. Это, естественно, относится к простейшему случаю контроля отдельных, независимых параметров. В более сложных случаях, когда требуется иметь суждение о контролируемом процессе в целом, характеризуемом многими параметрами, часть функционально между собой связанными, САК должна либо сама выполнять автоматически обработку получаемой информации, либо выдавать эту информацию в соответствующей форме для ввода в вычислительные и управляющие машины. Хотя контроль по результатам выдаваемой информации отличается от измерения, однако СК по устройству отдельных элементов и выполняемых ими функций имеют много общего с ИИС. Кроме того, ряд САК помимо контроля производят и измерения. Все это дает основание рассматривать САК как одну из разновидностей ИИС.


В связи с повышением требований к точности измерений и необходимостью автоматизации процессов измерений большого числа параметров при использовании систем автоматического контроля и управления, а также в связи с применением вычислительной техники появились и широко применяются измерительные приборы, получившие название цифровые.
Цифровыми называются приборы, которые измеряют дискретные (отдельные) значения х1, х2, х3,… (рис. 8)

Непрерывной во времени величины x или ее аналога (то есть величины, пропорционально измеряемой) и результат измерения выдают в цифровой форме. Дискретное представление измеряемой величины отличает эти приборы от давно существующих приборов с цифровым отсчетом, таких, например, как счетчики электрической энергии.
Цифровые приборы следует отнести к автоматическим приборам сравнения с непосредственным отсчетом, работающим на принципе компенсации измеряемой величины образцовой мерой. Результат измерения, например, значения х1 (рис. 8) получается в момент равенства с некоторым приближением этой величины к образцовой мере или величине, пропорциональной образцовой мере.
Измеренное значение x кодируется тем или иным способом, и затем результат измерения (эквивалент кода) фиксируется счетным устройством в цифровой форме на шкале прибора или печатается на бумаге специальным печатающим устройством, основанном на электромеханическом принципе.
Кодирование может быть выполнено, например, числом импульсов, числом одинаковых ступеней, образцового напряжения или определенной комбинацией различных по величине образцовых напряжений. Число импульсов или ступеней напряжений и комбинации образцовых напряжений могут применить только определенные дискретные значения. Наименьшей ступенью дискретности в этих случаях является ил один импульс, или наименьшая величина ступени напряжения. Следовательно, при измерении цифровыми приборами осуществляется замена текущего значения измеряемой величины ближайшим дискретным значением кода. Такое измерение называется дискретным по величине иди по уровню.
Измерение непрерывной величины цифровым прибором производится только в определенные фиксированные моменты времени t1,t2,t3 (рис. 8 (???? 21)), поэтому такое измерение осуществляется дискретно и по времени. Представление текущего значения измеряемой величины прижженным значением, лежащим между двумя ближайшими образцовыми величинами, различающимися на элементарную величину, называется квантованием по величине или по уровню. Замена непрерывной величины дискретными значениями (рис. 10 (???? 22)) называется квантованием по времени.

Основные характеристики

К основным характеристикам цифровых измерительным приборов относятся:
погрешности;
диапазон измерений;
входное сопротивление прибора;
порог чувствительности;
быстродействие;
помехоустойчивость.
Основная погрешность ЦИП складывается из следующих составляющих погрешностей:
дискретности = ;
реализации дискретности уровней = ;
порога чувствительности = ;
Составляющие и обусловлены несовершенством прибора, то есть относятся к инструментальной погрешности; составляющая - к методической погрешности. Погрешность возникает от несоответствия принятых и реальных значений уровней квантования, так как измеряемая величина квантуется в соответствии с реальными значениями уровней, а отсчет производится в соответствии с принятыми значениями. Погрешность возникает от наличия порога чувствительности (порога срабатывания).
В реальном приборе составляющие погрешности изменяются случайным образом, и поэтому их надо суммировать как случайные величины, с учетом их распределения. В силу равной вероятности любого значения измеряемой величины в пределах одного шага квантования плотность нормального распределения погрешности
)
)
Диапазон измерений ЦИП - это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности. Если ЦИП предназначен для измерения величин, изменяющихся в Широких пределах, то с целью повышения точности измерения предусматривается несколько диапазонов.
Порог чувствительности - наименьшее изменение измеряемой величины, вызывающее изменение показаний прибора, характеризует возможность прибора измерять малые значения и малые приращения измеряемой величины.
Входное сопротивление прибора влияет на потребляемую от измеряемой цепи энергию U, в конечном итоге, на результат измерения. Для приборов переменного тока указывают значения активной и емкостной составляющих входного сопротивления, рассматриваемых как включенные параллельно.
Быстродействие - число измерений, выполняемых средством измерений с нормированной погрешность за единицу времени (чаще всего за 1 сек.)
Помехоустойчивость помех ЦИП характеризуется коэффициентом подавления помех B
,
где -напряжение источника помехи;
- погрешность, обусловленная воздействием этого напряжения.
Для уменьшения действия помех применяют фильтры или изолируют входную цепь прибора от корпуса, возможны и другие решения.

Классификация цифровых измерительных приборов (ЦИП)

ЦИП классифицируются:
по роду измеряемой величины;
по методу квантования (кодирования);
По роду измеряемой величины ЦИП подразделяются на вольтметры, вольтамперметры, омметры, вольтомметры, частотомеры, фазометры, хронометры и др.
По методу квантования (кодирования) ЦИП можно разделить на:
приборы пространственного квантования;
приборы с квантованием частотно-временных параметров измерительных сигналов (число-импульсное, время-импульсное, частотно-импульсное);
приборы с квантованием параметров интенсивности (метод последовательного взвешивания или кодоимпульсный метод).
ЦИП пространственного квантования основаны на взаимодействии измеряемой величины (обычно линейное или угловое перемещение) x на квантующее устройство КВУ (рис. 9 (???? 23))


преобразующее перемещение в пропорциональное число импульсов . Импульсы подсчитываются пересчетным устройством ПУ и фиксируются устройством индикации УИ.


На рис. 10 (???? 24) показано квантующее устройство для углового перемещения . При повороте вала на угол диск модулирует световой поток лампы EL. Под действием этого потока фотодиод VД выдает на выходе импульсы, число которых пропорционально . Измеритель перемещения может применятся для измерения любых величин, которые могут быть преобразованы в перемещение.
ЦИП число-импульсного квантования преобразуют измеряемую величину x в число импульсов амплитуды f. Для этого используется источник со ступенчатого изменяющимся (возрастающим или убывающим) компенсирующим сигналом. ( Рис.11 (???? 25)))


Число ступеней этого сигнала к моменту компенсации, т.е. при . Таким образом, измеряемая величина преобразуется в число импульсов , равное числу ступеней компенсирующего сигнала, то есть

где -шаг квантования.
ЦИП время-импульсного квантования преобразует измеряемую величину в промежуток времени путем сравнения измеряемой величины с пилообразным компенсирующим сигналом (обычно напряжением), изменяющимся до некоторого максимального значения пропорционально времени ( Рис.12 (???? 26))), то есть

где - частота квантующих импульсов ( Рис.12 (???? 26)))


ЦИП частотно-импульсного квантования преобразует измеряемую величину в импульсы, частота которых пропорциональна измеряемой величине ( Рис.13 (???? 27))), т.е. число импульсов за определенное (заданное) время


ЦИП кодо-импульсного квантования измеряемую величину преобразует в код в результате последовательного сравнения с мерами из набора, образованного по определенным правилам. Код, образуемый в процессе этой операции, соответствует совокупности мер, воспроизводящих величину, наиболее близкую к значению измеряемой величины.

Элементы и узлы цифровых измерительных приборов

Цифровые средства измерений реализуют с использованием аналоговых и цифровых (логических узлов). Основными элементами, применяемыми для построения аналоговых узлов, являются операционные усилители. Среди цифровых узлов наибольшее распространение получили:
ключи;
логические схемы;
триггеры;
запоминающие устройства;
счетчики импульсов;
генераторы импульсов;
дешифраторы;
устройства индикации (отсчетные устройства) и др.
Ключи - устройства, предназначенные для замыкания или размыкания электрической цепи. В ЦИП нашли применение транзисторные ключи и ключи, построенные на базе логического элемента И.
Логические схемы - это элементы релейного действия, которые могут находиться в двух противоположных устойчивых состояниях, обозначаемых условно "логической 1" и "логическим 0". Этим состояниям на входе или выходе схемы обычно соответствует напряжение 5 и 0 В.
Основные элементы, из которых составлены узлы и блоки ЦИП делят на:
Логические - совокупность элементов, с помощью которых осуществляется обработка поступающей в них двоичной информации и выполнение определенных логических операций.
Запоминающие - схемные элементы, которые обладают свойством длительно сохранять поступившую в них информацию без изменения ее содержания.
С помощью логического элемента можно выполнить одну из простейших логических операций:
операция И (операция конъюнкция).
Схема, реализующая операцию И, называется схемой совпадения. В этой схеме сигнал определенного знака на выходе появится лишь в том случае, если на все её входы поданы сигналы того же знака, т.е. выполняется операция логического умножения.
Операция ИЛИ (операция дизъюнкция)
Схема, реализующая операцию ИЛИ, называется схемой объединения. В этой схеме сигнал 1 на выходе появится лишь в том случае, если хотя бы на один из её входов будет подан сигнал 1, т.е. выполняется операция логического сложения.
Операция НЕ (операция инверсия).
Схема, реализующая операцию НЕ, называется схемой отрицания. В этой схеме сигнал на ёё выходе появится в отсутствии сигнала на входе.

Триггер - логическая схема с двумя устойчивыми состояниями, способная скачкообразно переходить из одного состояния в другое под действием внешнего сигнала. Каждое устойчивое состояние триггера сохраняется до тех пор, пока другой внешний сигнал не изменит его.
Счетчики импульсов служат для подсчета импульсов, число которых определяет значение измеряемой величины, и представляют собой пересчетное устройство, выполненное из n последовательно соединенных триггеров и обычно объединенное с устройством индикации. Двум входным импульсам на выходе триггера соответствует один импульс, поэтому частота импульсов, снимаемых с его выхода, в два раза ниже частоты импульсов на входе.
Следовательно, если соединить n триггеров последовательно, то можно получить пересчетное устройство с коэффициентом пересчета .
Генераторы импульсов (генераторы образцовой частоты) используют для выработки счетных импульсов в ЦИП. Эти генераторы применяют также и в качестве тактирующих устройств для управления программой работы ЦИП. Они создают сигналы с напряжением определенной частоты и формы:
синусоидальная;
прямоугольная;
пилообразная;
в виде отдельных импульсов.
Дешифраторы - устройства для преобразования кода в сигналы, управляющие звуковыми индикаторами.
На рис. 21 (28) приведена схема одной декады двоично-десятичного счетчика импульсов с дешифратором типа диодная матрица.


Число декад счетчика равно числу десятичных разрядов кода. Индикаторные лампы EL1-EL10 подключены к источнику питания G через балластные резисторы R0-R9. Диодная матрица состоит из изолированных вертикальных и горизонтальных шин, которые соединяются между собой в соответствии с заданной программой выполнения логических операций. Входное напряжение может появится только на одной из горизонтальных шин в зависимости от комбинации переключателей (триггеров). Примем, что до подачи первого импульса на вход S1 на выходе EQ=0 (логический 0), а на выходе E = 5В (логическая 1). При подаче на вод S1 первого импульса - на выходе QE = -5В (логическая 1), на выходе = -5В (логический 0)


1 Электромеханические приборы

Аналоговые электромеханические измерительные приборы имеют широкое распространение.

Она включает в себя измерительную цепь, измерительный механизм и отсчетное устройство. Измерительная цепь служит для преобразования входного сигнала в промежуточную величину, непосредственно воздействующую. на измерительный механизм. Использование в качестве измерительной цепи преобразователей рода величин (выпрямительного, термоэлектрического и др.) определяет название прибора.
Измерительный механизм преобразует входной электрически сигнал в механическую энергию перемещения подвижной части. Перемещение, как правило, представляет собой поворот подвижной части относительно неподвижной оси на угол альфа.
Отсчетное устройство состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. Подвижная часть преобразует угловое перемещение механизма в перемещение указателя, при этом величина ? отсчитывается в единицах деления шкалы.
Вращающий момент Мвр, действующий на подвижную систему, определяется производной от энергии поля по углу отклонения подвижной части

В зависимости от характера явления, используемого для создания вращающего момента, различают следующие системы электромеханических измерительных механизмов и приборов:
" магнитоэлектрическую;
" электромагнитную;
" электродинамическую;
" ферродинамическую;
" электростатичсекую;
" индукционную;
В любом электромеханическом преобразователе действует также уравновешивающий противодействующий момент М?, зависящий от "?" и направленный в сторону, обратную Мвр.
В зависимости от способа создания противодействующего момента электромеханические преобразователи (приборы) подразделяют на две группы:
" с механическим противодействующим моментом;
" с электрическим противодействующим моментом (логометры);
В приборах первой группы механический противодействующий момент создается с помощью спиральных пружинок и тонких нитей - растяжек и подвесов. При повороте подвижной части эти упругие элементы закручиваются и создают противодействующий момент

В приборах второй группы противодействующий момент создается Также, как и вращающий момент.
При установившемся отклонении подвижной части вращающий и противодействующий моменты оказываются равны между собой:

В табл. 1 приведены уравнения шкал для различных измерительных механизмов. Кроме указанных моментов на подвижную часть измерительного механизма действуют моменты, обусловленные трением в опорах, трением подвижной части о воздух и вихревыми токами, возникающими от взаимодействия металлических масс и магнитных полей.
Для уменьшения времени успокоения подвижной части в измерительный механизм вводят успокоитель, создающий момент успокоения
Этот момент направлен в сторону, противоположную направлению движения подвижной части, и равен нулю в момент равновесия. Момент успокоения пропорционален коэффициенту успокоения и угловой скорости движения подвижной части.
Кроме перечисленных электротехнических приборов применяются также тепловые, вибрационные и др..
Рассмотрим особенности и принципы действия Электротехнических, измерительных механизмов.
Магнитоэлектрический измерительный механизм (таблица 1)состоит из постоянного магнита 1 с полюсами N-S, неподвижного цилиндрического сердечника 2 с рамкой, двух спиральных противодействующих пружинок и стрелки 3, жестко укрепленной на подвижной оси.
Вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного потока постоянного магнита и тока, проходящего по катушке; происходит отклонение подвижной части из мерительного механизма относительно неподвижной. Различают механизмы с подвижной рамкой и подвижным магнитом. Наиболее распространены механизмы с подвижной рамкой. По конструкции магнитной системы измерительные механизмы подразделяют на механизмы с внешним и внутренним магнитом. Измеряемый ток проходит в обмотку через две спиральные пружины, которые одновременно создают также противодействующий момент.
Из уравнения шкалы магнитоэлектрического механизма (таблица 1) видно, что шкала равномерная
К достоинствам магнитоэлектрических измерительных механизмов относятся высокая чувствительность, незначительное влияние на режим работы внешних магнитных полей.
К недостаткам магнитоэлектрических механизмов относятся сложная и дорогая конструкция, возможность использования лишь в цепях постоянного тока.
Магнитоэлектрические измерительные механизмы с механическим противодействующим моментом применятся в амперметрах и гальванометрах постоянного тока, а также в некоторых типах омметрах.
В магнитоэлектрических логометрах противодействующий момент создается не механическим путем. а электрическим. С этой целью подвижную часть выполняют в виде двух жестко скрепленных между собой рамок, по обмоткам которых проходят токи I1 и I2. Для создания противодействующего момента пружинки не используются, а ток к обмоткам проводится с помощью безмоментных проводников. На рамки действуют моменты, направленные в противоположные стороны. Один из моментов можно считать вращающим, а другой противодействующим.
При этом зависимость угла поворота является функцией отношения токов:

Принцип действия электромагнитных измерительных механизмов основан на взаимодействии магнитного поля, созданного неподвижной катушкой, по обмотке которой протекает измеряемый ток I, с подвижным сердечником, эксцентрично насаженный на ось вращения. Противодействующий момент создается спиральными пружинами. Измеряемый ток при прохождении по катушке 1 (таблица 1) создает магнитное поле, которое воздействую на подвижный сердечник 2, стремится расположить его так, чтобы энергия магнитного поля была наибольшей. При этом закручивается пружина, перемещая стрелку 3, и возникает противодействующий момент М?. Электромагнитные приборы могут применятся для измерения в цепях постоянного и переменного токов. Форму сердечника подбирают так, что шкала становится практически равномерной, начиная с 15-20% ее конечного значения.
Электромагнитные измерительные механизмы используются в амперметрах, вольтметрах, фазометрах и частотомерах. Главным достоинством электромагнитных приборов являются простота их конструкции, способность выдерживать большие перегрузки, возможность применения для измерений в цепях постоянного и переменного тока. Недостатки приборов - малая точность и невысокая чувствительность.
Принцип действия измерительных механизмов электродинамической системы основан на взаимодействии магнитных полей неподвижной 1 и подвижной 2 катушек с токами I1 и I2. Неподвижная катушка обычно состоит из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором. Благодаря этому обеспечивается требуемая конфигурация магнитного поля и удобство расположения оси 3. Подвижная катушка, укрепленная на оси или растяжках, может поворачиваться внутри неподвижной. Неподвижная и подвижная катушки механизма имеют круглую и прямоугольную форму. Они изготавливаются из медного или алюминиевого провода и обычно бывают бескаркасными. При одновременном изменении направления токов I1 и I2 знак угла отклонения не меняется. Поэтому приборы в этой системе могут применятся для измерений и постоянного, и переменного токов.
Основными достоинствами электродинамических механизмов являются высокая точность и стабильность показаний во времени.
К недостаткам относятся малая чувствительность, влияние внешних магнитных полей на показания прибора, большая мощность потребления, ограниченный частотный диапазон.
Электродинамические механизмы используются в амперметрах. вольтметрах, ваттметрах высоких классов точности 0,1; 0,2; 0,5 для измерений на постоянном и переменном токах, а также в фазометрах.
В ферродинамическом измерительном механизме неподвижная катушка 1 (таблица 1) имеет магнитопровод из магнитомягкого материала, что приводит к существенному возрастании. магнитного потока и, следовательно, вращающего момента катушки 2. В результате уменьшается собственное потребление мощности и влияние внешних магнитных полей.
Точность ферродинамических приборов ниже, а частотный диапазон ?же по сравнению с диапазоном электродинамических приборов. Ферродинамические приборы используются в качестве щитовых и переносных приборов переменного тока, а также самопишущих приборов.
Работа электростатических измерительных механизмов основана на взаимодействии двух систем заряженных электродов 1 и 2 (таблица 1), одна из которых подвижная. Перемещение подвижной части 2 осуществляется под действием непосредственно приложенного напряжения, что приводит к изменению емкости системы. В этих измерительных механизмах изменение емкости происходит либо вследствие изменения активной площади пластин (таблица 1), или при изменении расстояния между пластинами. Первые используются в щитовых и переносных вольтметрах на напряжения от десятков до сотен вольт, вторые в щитовых киловольтметрах
Угол поворота подвижной части измерительного механизма пропорционален квадрату значения напряжения и множителю , поэтому выбором формы подвижных и неподвижных пластин модно добиться практически равномерной шкалы на участке от 15 до 100% верхнего предела измерения.
Электростатические приборы практически инвариантны к изменению температуры, частоты, формы кривой приложенного напряжения и внешнего магнитного поля. Собственное потребление мощности приборов при переменном токе мало, а на постоянном токе - практически рано нулю.
Электростатические вольтметры используются для измерения напряжения в широком частотном диапазоне (от 20 Гц до 30 мГц) в маломощных цепях, а также в цепях высокого напряжения до сотен киловольт. Класс точности приборов соответствует 1,0; 1,5; 2,5; однако они могут быть выполнены и более точными - класса 0,1 и 0,05.

2 Электронные приборы

Электронные приборы отличаются высоким быстродействием, широким частотным диапазоном, высокой чувствительностью. Применение интегральных микросхем приводит к дальнейшему увеличению стабильности и надежности электронных приборов, к уменьшению их размеров, массы и потребления энергии.
Многие вольтметры, осциллографы, частотомеры и фазометры, а также устройства для измерения параметров и характеристик электрических и электронных схем строятся на основе электронных приборов.

Вольтметры, амперметры, омметры

Электронные измерительные приборы широко используются для измерения напряжения, силы тока, сопротивления, мощности, индуктивности, емкости, частоты и т.д. Они сочетают в себе электронные преобразователи из меряемой величины в постоянное напряжение (силу тока) и магнитоэлектрический прибор или электронно-лучевую трубку и отличаются высокой чувствительностью (цена деления до 0,1 мВ), широким частотным диапазоном (от постоянного тока до переменного частотой единицы мегагерц) и малым потреблением мощности от источника измеряемого напряжения (выходное сопротивление вольтметров, например, достигает до 1016 Ом)

На выход усилителя через делитель R1-R2 подводится измеряемое напряжение Uх, а выходное напряжение Uвых после электронного усилителя измеряется магнитоэлектрическим прибором PV.
Основная приведенная погрешность таких вольтметров составляет 0,5…1,0%
Вольтметры переменного тока представляют собой преобразователь переменного напряжения в постоянное и электронный вольтметр постоянного тока. В зависимости от того, для измерения какого значения переменного напряжения предназначен прибор, различают вольтметры:
" среднего квадратичного
" среднего выпрямленного
" амплитудного
значений.
Погрешность вольтметра лежит в диапазоне 0,5…15%. Значение силы тока определяют по значению падения напряжения UX на резисторе RN электронным вольтметров ЭВ, т.е. в виде отдельных приборов амперметры не выпускаются.

Как и электронные амперметры, омметры в виде отдельных приборов не выпускают; их функции выполняют электронные вольтметры, строящиеся по схеме, приведенной на рис.5

Преобразователи таких омметров представляют собой операционный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью образцовым RN и измеряемым RX резисторами.

Таким образом измеряемое электронным вольтметром ЭВ напряжение Uвых пропорционально сопротивлении. измеряемого резистора RX. Эта схема широко применяется для измерения сопротивлений в диапазоне 10 1000 МОм.

Частотомеры и осциллографы

В частотомерах используется принцип заряда и разряда конденсатора в сочетании с выходным аналоговым прибором, который предназначен для измерения среднего значения силы, протекающего через конденсатор при его периодическом перезаряде в соответствии с измеряемой частотой.
Упрощенная схема конденсаторного частотомера приведена на рис.6

Реле KV через ключ SA подключает конденсатор С в течение одного полупериода к источнику G образцового напряжения U0, а в течение другого - через резистор RN к прибору PA. Если постоянные времени t3 = R0C и разряда tраз = RNC значительно меньше полупериода Tx/2, то конденсатор будет успевать зарядиться до напряжения U0 и полностью зарядится.
Конденсаторные частотомеры имеют широкий частотный диапазон измерений (от 10Гц до 1 МГц) при приведенной погрешности 1,5-2%
Для исследований поведения сигналов во времени используются электронные осциллографы, которые дают возможность непосредственно наблюдать и(или) записывать форму периодических и непериодических сигналов. Благодаря тому, что подвижная часть в осциллографах создается электронным лугом, они практически безынерционны и применяются для измерения электрических величин частотой до сотен мегагерц или непериодических процессов длительностью до долей микросекунд. К другим достоинствам осциллографов относятся: большое входное сопротивление и высокая чувствительность. К недостаткам относятся: невысокая точность измерения(основная погрешность достигает ±10%), конструктивная и электрическая сложность, высокая стоимость. Кроме того, осциллограф по сравнению с другими измерительными приборами сложнее в эксплуатации и требует определенной квалификации обслуживающего персонала при работе с ними.
Основным узлом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), (Рис. 7)

В баллоне трубки, в которой создан вакуум, помещена группа электродов, катод К с нитью накала, модулятор М, фокусирующий А1 и ускоряющий А2 аноды, образующие так называемую "электронную пушку", предназначенную для получения узкого электронного луга. Отклоняющая система ЭЛТ состоит из двух пар пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях ОПх и ОПу. Пластины ОПу используются для отклонения луга по вертикали, пластины ОПх - по горизонтали. Внутренняя поверхность экрана Э покрыта специальным составом (люминофором), обеспечивающим свечение под действием электронной бомбардировки в тех местах, куда попадают электроны. Изменение потенциала модулятора М обеспечивает возможность регулировки плотности электронов в луге и изменении яркости изображения на экране Э. Анодами А1 и А2 электроны разгоняются до необходимой скорости и одновременно осуществляется фокусировка пуска электронов в точку на экране Э.
В современных осциллографах для дополнительного ускорения электронов в ЭЛТ устанавливается третий анод А3, на который подается большое положительное напряжение.
Внутреннюю поверхность ЭЛТ покрывают проводящим слоем металла или графита, служащим электрическим экраном, защищающим трубку от внешних электрических полей, и соединяют с анодом А2. От внешних магнитных полей ЭЛТ защищается с помощью кожуха из магнитомягкого материала.
Выпускаемые промышленностью ЭЛТ осциллографы условно подразделяются на приборы:
общего назначения;
универсальные (импульсные);
скоростные;
стробоскопические;
запоминающие;
специальные.
Универсальные осциллографы, предназначенные для наблюдения формы и измерения параметров электрических сигналов в широком диапазоне частот, имеют наибольшее распространение.
Значение чувствительности S в современных осциллографах определяют по положению ручки "Чувствительность".
Для измерения тока с помощью осциллографа на вход ОПу подается падение напряжения на известном резисторе (шунте), при этом точность измерения напряжения и тока невелика(погрешность составляет 5-10%).
Широкое распространение получило измерение частоты и фазы электрических колебаний с помощью осциллографа, при этом можно исследовать колебания любой формы.
Во многих случаях более точные результаты при измерении частоты и фазы могут быть получены с помощью фигур Лиссажу при сравнении двух колебаний синусоидальной формы. При этом на одну из пар пластин подается синусоидальное напряжение известной частоты, а на другую исследуемое напряжение, и по фигуре Лиссажу определяются частота и сдвиг по фазе неизвестного напряжения.
Электронный осциллограф находит применение и для измерения полных сопротивлений и их активных и реактивных составляющих.