5. Общие сведения об устройствах получения информации.

Информация - это совокупность сведений, которые могут быть получены различными путями из внешнего источника.

Цель информационной системы - получение сведений из внешнего источника.

 

Цепочка получения сведений:

1. Объект, процесс.

2. Сбор, обработка и проверка достоверности информации.

3. Промежуточное хранение данных.

4. Вторичная обработка информации

5. Принятие решения.

Автоматизированная информационная система (АИС)- совокупность средств, методов для получения, хранения, обработки и выдачи информации.

 

Информационные характеристики средств измерения.

Типы сигналов:

- дискретный сигнал (0 и 1; вкл. и выкл. и т.д.)

- аналоговый сигнал (непрерывный)

 

Измерительный преобразователь. Измерительная система. Датчик. Статические и динамические характеристики.


Средства измерений - это средства, предназначенные для измерений, вырабатывающие сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величины или воспроизводящие эту величину.

Измерительный прибор - это средство информатизации для выработки сигнала измерительной информации в форме доступной для восприятия оператора.

Измерительный преобразователь (датчик) - это средство информатизации предназначенной для выработки сигнала измеряемой информации в форме, удобной для дальнейшего преобразования, обработки и хранения.

Измерительная система - это совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, которая предназначена для выработки измерительной информации в форме удобной для автоматической обработки, передачи, хранения и использования в автоматических системах контроля и управления.

Статическая характеристика датчика - зависимость выходного сигнала, от входного выраженная аналитически: Y=f(X)

Любой датчик и измерительный прибор состоит из n последовательных звеньев.

Y01=f1(X01); Y02=f2(Y01)    Y02=f2(f1(X01)). Каждое из звеньев: Y0i=f(X0i)


Порогом чувствительности датчика называют наименьшее значение входной величины способное вызвать на выходе датчика малейшее изменение показания прибора.

Величина обратная чувствительности - это цена деления шкалы прибора.

Динамическая характеристика - это характеристика, которая зависит от времени.


Погрешности средств измерения и методы устранения погрешностей.

 

Классификация погрешностей:

1. Погрешность измерительного преобразователя.

2. Погрешность измеряемой величины.

3. По закономерностям появления.

 

Погрешность измерительного преобразователя.

1. Абсолютная (абсолютная погрешность считается по выходному сигналу).

      Y=Y-Y0    Y - фактический выходной сигнал, Y0 - идеализированный выходной сигнал

2. Относительная (отношение абсолютной погрешности к значению выходного сигнала).

 

Погрешность измеряемой величины.

1. Методическая - это погрешность, связанная с методикой измерения.

2. Инструментальная - это погрешность самого средства измерения.

3. Систематическая - возникает с многократными измерениями, прогрессирует.

4. Случайная - возникает с многократными измерениями, изменяются случайно.

 

По закономерностям появления.

1. Статические (возникают при установившемся режиме измерения).

2. Динамические (измеряемый параметр зависит от времени).

 

Для датчиков существует 3 группы динамических погрешностей:

Аддитивная погрешность - при увеличении входного сигнала полоса погрешности имеет постоянное значение.

Мультипликативная погрешность - полоса расширяется.

 

Методы повышения точности измерения.

 

Выделяют две основные группы методов для уменьшения погрешности результатов измерений:

 

1. Технологические (классические) методы.

 Цель: Повышение стабильности статической характеристики датчика.

Общие рекомендации - это изготовление датчиков и элементов со стабильными характеристиками.

 

2. Структурные методы.

 Цель: Введение в процесс измерения структурности или временной избыточности.

Метод уменьшения случайной составляющей погрешности.

 


Способ многоканального измерения.

Недостатки: сложные, дорогие.

Преимущества: выигрываем по времени.

 

Цель ВУ: поиск математического ожидания

и дисперсии вычисляемой величины.

 

 

 

Устройства получения информации.

Классификация:

1. По измеряемым параметрам:

 

Основные характеристики устройств для получения информации.

Требования:

 

  1. Создание цифровых измерительных преобразователей.
  2. Создание измерительных преобразователей которые подключаются по двухпроводной системе.
  3. Создание нормально-пассивных измерительных преобразователей.

Интеллектуальный датчик - наличие первых 3пунктов (см. выше).

 

Измерение температуры.

Методы измерения температуры: 1.Контактные.    2.Бесконтактные.

 

Температурные шкалы.

 

0 - замерзание соленой воды

96 - температура тела

 

 

0 - застывание воды, 100 - кипение воды
t=t'+ (U-U') (t''-t')

(U''-U')              Градуировка термометра: где: U'(t'=0), U''(t''=100).

 

0 - точка абсолютного нуля.

Х - тройная точка воды 273,16 К;

Точка кипения воды 373,15 К

Образцовые средства измерения:

113,81 К - 903,89 К - Платиновый термометр сопротивлений.

903,89 К - 1337,58 К - Термопара.

свыше 1337,58 К - Спектральный пирометр.

 

Методы измерения температур:

Контактные: терморезисторный, термоэлектрический (термопара)

Бесконтактные: тепловизор, спектрометр

 

Принцип действия тепловизора:

Каждое нагретое тело испускает тепловое излучение, интенсивность и спектр которого зависят от свойств тела и его температуры. Принцип действия тепловизора сравнительно прост: инфракрасное (тепловое) излучение от исследуемого объекта через оптическую систему передается на приемник, представляющий собой неохлаждаемую матрицу термо-детекторов. Далее полученный видеосигнал, посредством электронного блока измерения, регистрации и математической обработки оцифровывается и отображается на экране компьютера или дисплее тепловизора.

 

Термопреобразователь сопротивления

Изменение сопротивления с изменением температуры. Их зависимость объясняется ТКС (температурный коэффициент сопротивления).

Требования для чувствительных элементов термопреобразователя:

·        Значение ТКС должно иметь стабильную монотонную стабильность.

·        ТКС должно быть большим значением

·        Материал (физические и химические свойства материалов должны быть стабильными во всем диапазоне температур, устойчивость к неблагоприятным воздействиям внешней среды).

Металлы:

Платина: +стабильность хим. состава.            - реагирует с углеродом.

                   хим. инертность.                                высокая цена.

                   высокий ТКС.                                  

Медь:      +линейная зависимость R от t.         - сильно окисляется при высоких

                   дешевизна.                                          температурах.

                                                                                маленькое активное сопротивление.

Никель:   +высокое значение ТКС.                  - сильно окисляется при высоких

                   высокое удельное сопротивление.   температурах.

Полупроводники:

Термисторы, Позисторы:  +высокое R.           - нестабильность характеристики.

                                               высокий ТКС.

 

Классификация термопреобразователей сопротивления.

  1. По виду чувствительного элемента:

      2.   По конструктивному исполнению:

3.   По степени инерционности:

Измерения электрического сопротивления термопреобразователей сопротивления.

2 способа:

1. В делителе напряжения:

Rн - постоянное;  Rt - сопротивление термопреобразователя

 

 

2.С помощью мостов (уравновешенных и неуравновешенных)


Схема термометра сопротивления.


 

Мы должны учитывать сопротивление подводящих проводов (они вносят погрешность).

Уравновешенный: В условиях равновесия потенциал точки b = потенциалу точки d. R2 - уравновешивает мост.

Сопротивление подводящих проводов при изменении t окружающей среды не влияет на точность измерения.

Неуравновешенный: вых. Сигнал на bd будет напряжение.


Измерение температуры термоэлектрическими преобразователями (термопары).

В основе лежит эффект Зеебека (термоэлектрический эффект).

Замкнутая цепь (2 разнородных проводника) возникает эл. ток, если хотя бы 2 места соединения этих проводников имеют различную температуру.

1. Стабилизировать температуру опорного контакта (Т0).

2. Удалить Т0 как можно дальше от технологического процесса (для этого используют компенсационные провода).

Способы подборки удлинителей:

  1. подбирают провода идентичные по термоэлектрическим свойствам термоэлектродам.
  2. способ суммарной компенсации (удлинители должны иметь номинальные статические характеристики такие же как и термоэлектроды в небольшом интервале температур 0-100 С).


a)

 

ab - питающая диагональ

cd - измерительная диагональ

 

на ab подается стабилизированное напряжение  постоянного тока

 

R1, R2, R3 - материал Манганит

R4 - материал Медь

 

Мост в равновесии когда tсопр. R4=00С. Чем больше отклонение от градуировочной t, тем больше разбаланс моста. На вершинах c и d возникает разность потенциалов которая ровна по величине и разная по знаку изменению термоЭДС термопары вызванному отклонением температур свободны концов от градуировочной.

 

2 способа соотношения термоЭДС и температуры:

1. Реализуется при размещении в памяти машины таблицы зависимости t-mV.

2. Аппроксимация температуры и ЭДС полиномиальной зависимостью.

 

Измерение температуры бесконтактными методами.

Конструкции и принцип действия пирометров.

  1. Квазимонохроматические пирометры.

Принципы действия:

·        Сравнения яркости излучения эталонного тела и объекта (оптические пирометры).

·        Используется зависимость фотоэлемента менять фототок в зависимости от падающего излучения (фотоэлектрические пирометры).

Пределы измерения:

оптический прибор:

-поддиапазон 800-1400

-поддиапазон 1400-2500

фотоэлектрический прибор: от комнатных температур до тыс. градусов.

 

Измерение давления и разряжения.

1. Электрические манометры сопротивления.

Принцип действия: измерение эл. сопротивления проводника в зависимости от измеряемого давления. Используется сплав манганит. Точность измерения зависит от точности измерения сопротивления.

2. Тензометрический преобразователь.

Принцип действия: преобразование усилия или деформации в изменение сопротивления проволочки. Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.

Преимущества: 1. малая инерционность 2. высокий предел измерения.

Недостатки: 1. небольшая чувствительность.

3. Пьезоэлектрический манометр.

Принцип действия: способность материалов (сегнетова соль, титанат бария и др.) создавать эл. поле под действием давления.

Недостатки: 1. воздействие температуры (до 500 0С).

Конструкция датчика Метран.

Принцип действия: Сигнал перемещения с мембраны передается на тензопреобразователь - кремния на подложке из сапфира (КНС).

  1. основание
  2. крышечка
  3. герметическая прокладка
  4. мембрана
  5. воздух
  6. надмембранное пространство
  7. структура КНС
  8. выходной сигнал

 

Основные методы измерения расхода вещества.

Расход - количество вещества, протекающее через сечение за какое-то время.


Тахометрические устройства для измерения расхода.

В основе лежит турбинка, она вращается за счет энергии потока. Число оборотов пропорционально расходу.

1. Электромагнитные.

1.1 Магнитоиндукционный способ.

Турбина из ферромагнитного материала находится в зоне постоянного магнита. Число импульсов пропорционально скорости вращения турбины.

1.2 Магнитоэлектрический способ.

Одна лопасть имеет полюс N, другая полюс S. Принцип магнитоэлектрического генератора. В обмотке наводится ЭДС, с частотой = частоте вращения турбины.

2. Фотоэлектрические

Принцип действия: оптический сигнал прерывается при вращении турбины.

 

Применение ультразвука при измерении расхода.

Для измерения расхода воды и водных растворов.

            Принцип действия расходомера, счетчика воды: Измерение эффекта зависящего от расхода при прохождении акустических колебаний через поток воды. Почти все акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне, поэтому называются ультразвуковыми. Подразделяются на расходомеры, основанные на:

- перемещении ультразвуковых колебаний движущейся средой

- эффекте Доплера

 

            Большое распространение получили расходомеры, счетчики воды, основанные на измерении разности времен прохождения ультразвуковых колебаний по потоку и против него.

            Объем воды определяется по формуле: V=КнКм(1/t1-1/t2)T, где:

V - объем прошедшей воды, м3

Т - время работы счетчика воды, сек

t1- время распространения ультразвукового импульса по направлению потока, сек

t2 - время распространения против направления потока, сек

Кн - гидродинамический коэффициент

Км - коэффициент, учитывающий геометрию первичного преобразователя.

            Как видно из формулы скорость ультразвука отсутствует в выражении. Переносной расходомер представляет собой накладные ультразвуковые датчики, которые устанавливаются на трубопровод. Параметры трубопровода (толщина стенки, диаметр трубопровода) и воды (температура) вводятся во вторичный преобразователь расхода.

Преимущества:

- отсутствие движущих частей

- широкий диапазон диаметров

- возможность перенастройки

- есть энергонезависимая память

- интеллектуальный датчик

 

Измерение уровня. Электрические уровнемеры.

Положение уровня преобразуется в какой-либо электрический сигнал.

1. Емкостный уровнемер.

Построен на измерении электрической емкости плоского, цилиндрического конденсатора.

Емкость конденсатора зависит от E и Еж (среды)

Конденсаторные пластины покрыты специальными покрытиями (вторпласт).       

Преимущества:

- недорогие системы                                                                    

Недостатки:                                                                                    Е

- большая металлоемкость

- контактный способ измерения                                                   Еж

2. Омические уровнемеры.

Сигнализаторы уровня жидкости (дискретный сигнал).

Замыкание электроцепи источника питания через контролируемую среду (электропроводящая жидкость).

 

 

 

Недостатки:

- невозможность применения в вязких, кристаллизующихся средах.

3. Радиоизотопные уровнемеры.

Принцип действия: проникающие гамма лучи.

 

Приемник излучения

Источник излучения

 

4. Ультразвуковые акустические уровнемеры.

Принцип действия: отражение сигнала от поверхности контакта и контроль времени прохождения сигнала.

Техническое решение. Специальные промежуточные отражатели

 

Инженерные решения. TSO1 (для жидкостей)    

                                        TSO2 (узконаправленная антенна)

 

5. Уровнемеры для сыпучих тел.

Принцип действия: измерение массы.

 

 

 

                           Мембранные датчики

                           (дискретный сигнал)

 

 

 

                           Тензометрический датчик

 

Измерение состава и параметров вещества.

Анализаторы - приборы для определения состава.

Газовые анализаторы. Методы для анализа газов (отбор пробы газа):

- тепловые и кинетические способы

- магнитные и термомагнитные

- спектрометрический метод анализа газа.

 

Термокондуктометрические газоанализаторы.

В основу положен метод зависимости коэф. теплопроводности различных веществ от температуры. Реализация данного метода:

Недостаток:

- Влага очень сильно влияет на газоанализатор.

 

Принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления проводника, помещенного в камеру с анализируемой газовой смесью и нагреваемого током, от теплопроводности окружающей проводник смеси.

В современных кондуктометрических газоанализаторах часто используется мостовая схема, питающихся от сети переменного тока через трансформатор. Плечи моста выполнены из платины и заключены в стеклянные баллончики. Плечи R1 и R3 моста являются рабочими и омываются анализируемым газом. Плечи R2 и R4 находятся в среде, состав которой соответствует началу шкалы.

Условия:

  1. Термстатирование всего блока.
  2. Напряжение питания должно быть стабилизировано.
  3. Точно поддерживать расход газовой смеси.