Измерительные системы

Назначение любой измерительной системы, ее необходимые функциональные возможности, технические параметры и характеристики в решающей степени определяются объектом исследования, для которого она создана. Из-за разнообразия структур современных ИС, динамичного развития и перечня решаемых задач, классификация их в настоящее время еще  полностью не завершена.

В зависимости от выполняемых функций измерительные системы можно условно разделить на три основных вида:

-         измерительные системы измерения и хранения информации (условно называемые измерительными системами прямого назначения);

-         контрольно - измерительные (автоматического контроля);

-         телеизмерительные системы.

   К измерительным системам относят также системы распознавания образов и системы технической диагностики, которые в курсе, относящемся к радиоизмерениям, не изучаются.

По числу измерительных каналов измерительные системы подразделяются на одно-, двух-, трех- и многоканальные (многомерные). Для совместных и совокупных измерений часто используют многоканальные, аппроксимирующие системы.

Наиболее бурно в настоящее время разрабатываются и внедряются ИС прямого назначения, основной особенностью которых является возможность программным способом перестраивать их для измерений различных физических величин и менять режим измерений. Изменений в аппаратной части при этом не требуется.

Измерительные системы прямого назначения условно делят на:

-  информационно-измерительные системы (часто их называют термином измерительные информационные системы; аббревиатура одинакова — ИИС);

- измерительно-вычислительные комплексы (ИВК);

- виртуальные информационно-измерительные приборы (устоявшееся у специалистов название — виртуальные приборы; или компьютерно-измерительные системы — КИС).

Информационно-измерительные системы

Самым широким классом измерительных систем прямого назначения являются ИИС. Назначение ИИС определяют как целенаправленное оптимальное ведение измерительного процесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информацией. Основные функции ИИС,— получение измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, передача, представление информации оператору или/и компьютеру, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий.

Информационно-измерительная система должна управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования; выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью; обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, помехоустойчивости, быстродействия, надежности, пропускной способности, адаптивности, сложности; отвечать экономическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств; быть приспособленной к функционированию с измерительными информационными системами смежных уровней иерархии и другими ИИС.

Основной функцией ИИС, как и любой другой технической системы является целенаправленное преобразование входной информации в выходную. Это преобразование выполняется либо автоматически с помощью аппаратуры технического обеспечения, либо совместно — оперативным персоналом и аппаратурой технического обеспечения в сложных ИИС, ИВК и виртуальных приборах.

Применение современных средств цифровой схемотехники коренным образом изменило принципы построения ИИС. Кроме того, методы обоснованного распределения и направления информационных потоков дают возможность уменьшить их избыточность. Это позволяет ставить задачу о возможно максимальном переносе обработки измерительной информации к месту ее формирования, т. е. перейти к конвейерной обработке измерительной информации в распределенной ИИС. В целом такая система состоит из следующих основных частей: системы первичных преобразователей (датчиков), устройств сбора и первичной обработки информации, средств вторичной обработки информации, устройств управления и контроля, устройств связи с другими системами объекта, накопителей информации.

По организации алгоритма функционирования различают следующие виды ИИС:

- заранее заданным алгоритмом работы, правила функционирования которых не меняются, поэтому их можно использовать только для исследования объектов, работающих в постоянном режиме;

- программируемые, в которых изменяют алгоритм работы по программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования;

- адаптивные, алгоритм работы которых, а часто и структура изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условной работы объекта;

- интеллектуальные, обладающие способностью к перенастройке в соответствии с изменяющимися условиями функционирования и иные выполнять все функции измерения и контроля в реальном и масштабе времени.

Математическое, программное и информационное обеспечение входит в состав лишь ИИС с вычислительными комплексами.

Математическое обеспечение — аналитические (математические) модели объекта исследования (измерения) и вычислительные алгоритмы.

В математическую модель объекта измерения входит описание взаимодействия между переменными входа и выхода для установившегося и переходного состояний, т.е. модель статики и динамики, а также граничные условия и допустимые изменения переменных процесса. Форма записи математической модели может быть различна: алгебраические и трансцендентные уравнения, дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных. Могут использоваться переходные и передаточные функции, частотные и спектральные характеристики и пр. различают 3 основных метода получения математических моделей исследования ИИС: аналитические, экспериментальные и экспериментально-аналитические.

В последние годы при создании большинства ИС наиболее часто используют 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. Последовательность действий при этом непроизвольна, а реализует тот или иной метод решения задачи. Во всех случаях поставленная задача должна быть на столько точно сформулирована, чтобы не осталось места различным двусмысленностям.

Программное обеспечение ИИС включает в себя системное и общее прикладное программное обеспечение, в совокупности образующее математическое обеспечение, которое реализуется программной подсистемой. Системное программное обеспечение – совокупность программного обеспечения компьютера, используемого в ИИС, и дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме, управлять измерительными комплексами; обмениваться информацией внутри подсистем комплекса; автоматически проводить диагностику технического состояния.

По существу, программное обеспечение ИИС представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих:

-        типовые алгоритмы эффективного представления и обработка измерительной информации, планирование эксперимента и других измерительных процедур;

-        архивирование данных измерений;

-        метрологические функции комплекса (аттестацию, поверку, экспериментальное определение нормируемых метрологических характеристик и т. п.).

Информационное обеспечение определяет способы и конкретные нормы информационного отображения состояния объекта исследования в виде документов, диаграмм, графиков, сигналов для их предоставления обслуживающему персоналу и компьютеру для дальнейшего использования в управлении.

Всю измерительную систему в целом охватывает метрологическое обеспечение (рис. 15.1).

Рисунок 15.1

В структуру технической подсистемы ИИС входят:

•        блок первичных измерительных преобразователей;

•        средства вычислений электрических величин (измерительные компоненты);

•    совокупность цифровых устройств и компьютерной техники(вычислительных компонентов);

•        меры текущего времени и интервалов времени;

•        блок вторичных измерительных преобразователей;

•    устройства ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов с нормированными 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 устройств согласования со штатными системами исследуемого объекта, телеметрией и пр.

Важное значение для эксплуатации ИИС имеет эргономическое, эффективное и наглядное построение форм дисплея и управляющих элементов, называемых интерфейсом пользователя, обеспечивающих взаимодействие оператора с персональным (или специализированным) компьютером. В общем же случае интерфейсом называют устройство сопряжения персонального компьютера со средствами измерений или любыми другими внешними техническими системами (иногда в это понятие включают и программное обеспечение измерительной системы). Эффективность работы рассматриваемого интерфейса заключается в быстром, насколько это возможно, развитии у пользователя простой концептуальной модели взаимодействия с ИИС. Другими важными характеристиками интерфейса пользователя являются его наглядность, дизайн и конкретность, что обеспечивают с помощью последовательно раскрываемых окон, раскрывающихся вложенных меню и командных строк с указанием функциональных «горячих» клавиш.

В достаточно короткой истории развития ИИС можно отметить ряд поколений.

Первое поколение характеризуется формированием концепции ИИС и системной организацией совместной работы средств получения, обработки и передачи количественной информации. Это были в основном системы централизованного циклического получения измерительной информации с элементами вычислительной техники. Данный период (конец 50-х — начало 60-х годов прошлого столетия) называют периодом детерминизма, поскольку для исследований в ИИС использовался аппарат аналитической математики.

Второе поколение развития и внедрения ИИС связано с использованием адресного сбора информации и ее обработки с помощью встроенных компьютеров. Элементную базу таких систем представляют микроэлектронные схемы малой и средней степени интеграции. Этот период (70-е годы прошлого столетия) характерен решением целого ряда вопросов теории систем в рамках теории случайных процессов и математической статистики, поэтому его принято называть периодом стохастичности.

Третье поколение характерно широким введением в информационно-измерительные системы БИС, микропроцессоров, микро ЭВМ и промышленных функциональных блоков, совместимых между собой по информационным, метрологическим, конструктивным, энергетическим и эксплуатационным характеристикам, а также созданием распределенных и адаптивных ИИС.

Четвертое поколение отличает появление гибких перестраиваемых программируемых ИИС, что связано с развитием вычислительной техники. Гибкие ИИС отличаются прежде всего свободой пользователя в определении функционального назначения системы. Создает и программирует гибкую систему не производитель ее компонентов, а пользователь, в соответствии со своими задачами. В элементной базе гибких ИИС резко возрастает доля микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.

Пятое поколение бурно развивается в настоящее время, что обусловлено появлением адаптивных, интеллектуальных и виртуальных ИИС, построенных на базе персональных компьютеров и современного математического и программного обеспечения.

Измерительно-вычислительные комплексы

Одной из разновидностей ИИС являются измерительно-вычисли­тельные комплексы. Основными признаками принадлежности изме­рительной системы к 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 специализированные.

Типовые ИВК предназначены для решения широкого круга типовых задач 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 специализированных комплексов экономически нецелесообразна.

Измерительно-вычислительные комплексы предназначены для следующих задач:

•  осуществления прямых, косвенных, совместных или совокупных методов измерений физических величин;

•  представления оператору результатов измерений в нужном виде и управления процессом измерений и воздействия на объект измерений.

Чтобы реализовать эти функции, ИВК должен:

•    эффективно  воспринимать,  преобразовывать  и обрабатывать электрические 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 форме.