Автоматизация измерений и контроля: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины, задания на контрольную работу

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Северо - Западный государственный заочный технический университет Кафедра метрологии

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ

Факультет радиоэлектроники Направление и специальность подготовки дипломированных специалистов: 653800 − Стандартизация, сертификация и метрология 190800 - Метрология и метрологическое обеспечение

Санкт-Петербург 2001

2

Утверждено редакционно-издательским советом института УДК 53.08:681.3(075.8), 621.317.3(7) Автоматизация измерений и контроля: Рабочая

программа, методические

указания к изучению дисциплины, задание на контрольную работу. - СПб., СЗТУ, 2001,

30 с. Рабочая

программа

соответствует

требованиям

Государственного

образовательного стандарта высшего профессионального образования 2000г. по направлению и специальности подготовки дипломированных специалистов: 653800 -

Стандартизация,

сертификация

и

метрология;

1908

-

Метрология

и

метрологическое обеспечение. Методический сборник содержит рабочую

программу, методические

указания к изучению дисциплины, тематический план лекций, перечень основной и дополнительной литературы, задание на контрольную работу и методические указания к ее выполнению. Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры метрологии 2001г., одобрено методической комиссией

факультета

"22"октября

радиоэлектроники

"23"октября 2001 г. Рецензенты: кафедра метрологии СЗТУ (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. И. Ф. Шишкин); Г. П. Телитченко, канд. техн. наук, ст. научн. сотр. ФГУП "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева".

Составители: Э.И. Медякова, канд. техн. наук, доцент; Р. Н. Парахуда, канд. техн. наук, доцент; В. И. Шевцов, канд. техн. наук, доцент.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2001.

3

1 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Уровень развития промышленности на современном этапе определяется как научно-техническим потенциалом страны, так и метрологическим обеспечением, являющимся неотъемлемой частью технического прогресса. Выпускники высшей школы должны иметь высокую общенаучную и профессиональную подготовку, уметь самостоятельно решать научно-технические задачи с применением новейших достижений современной науки и техники. Дисциплина "Автоматизация измерений, контроля и испытаний" включена в учебный план инженерной специальности 190800 "Метрология и метрологическое обеспечение". Целью дисциплины "Автоматизация измерений, контроля и испытаний" является подготовка будущего инженера-метролога к решению организационных, научных и технических задач при автоматизации измерений, контроля и испытаний. Основная

задача

дисциплины

состоит

в

освоении

основ

теории

измерительных преобразователей (ИП), видов и структурных (функциональных) схем ИП, областей применения ИП; изучении принципов

и компонент

автоматизации измерений, контроля и испытаний, ее технического, программного и метрологического обеспечения. В результате изучения дисциплины студент должен: иметь представление: - о проблемах автоматизации измерений и контроля и возможных подходах к их решению; знать и уметь использовать: - принципы автоматизации измерений и контроля; - компоненты автоматизации измерений и контроля (техническое, программное и метрологическое обеспечение); - классификацию, структурные схемы и основные характеристики автоматических средств измерений и контроля общего назначения; иметь опыт (навыки): - разработки структурных схем и расчета основных технических и метрологических характеристик автоматических средств измерений и контроля.

4

Дисциплина "Автоматизация измерений, контроля и испытаний" относится к группе

специальных

дисциплин

и

обеспечивает

дальнейшую

узкопрофессиональную подготовку инженера-метролога по специальности 190800 "Метрология и метрологическое обеспечение". Изучение курса основывается на знаниях, полученных в результате изучения дисциплин: "Высшая математика", "Информатика", механика", "Теоретическая метрология",

"Физика", "Теоретическая

"Взаимозаменяемость", "Методы и

средства измерений, испытаний и контроля", "Метрологическое обеспечение", "Электротехника и электроника", "Прикладная метрология". Итогом изучения дисциплины является сдача студентами экзамена.

2 Структура дисциплины

Автоматизация испытаний электронных вычислительных средств

Автоматизация видов контроля

Автоматизация видов измерений

Метрологическое обеспечение обеспечения автоматических средств измерений и контроля

Программное обеспечение обеспечения автоматических средств измерений и контроля

Базовые элементы технического обеспечения автоматических средств измерений и контроля

Задачи и компоненты автоматизации измерений и контроля

Автоматизация измерений, контроля и испытаний

5

3 СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (Объем курса 170 часов) ВВЕДЕНИЕ (2часа) Цели и задачи курса "Автоматизация измерений, контроля и испытаний". Основные

этапы

автоматизации

развития в

автоматизации

измерений

и

контроля.

Роль

научных исследованиях и промышленном производстве.

Структура курса, его связь с другими дисциплинами. Порядок изучения предмета. 3.1 3АДАЧИ И КОМПОНЕНТЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ (35 часов) Понятие

"автоматизация".

Научные,

технические,

экономические

и

социальные цели автоматизации. Автоматизация измерительного процесса. Этапы развития автоматизированных измерений. Задачи автоматизации. Обобщенная структурная схема процесса измерения и ее анализ с точки зрения автоматизации. Процесс контроля и возможности его автоматизации. Основные принципы

построения автоматических средств измерений и

контроля. Выбор точности; принцип инверсии; принцип Тейлора; принцип Аббе. Основные компоненты структурных схем автоматических средств измерений и контроля. 3.2 БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ (30 часов) Измерительные преобразователи. Основные понятия и определения. Входное

воздействие,

отклик,

функция

преобразования.

Метрологические

характеристики (МХ) ИП. Базовые элементы автоматических средств измерений и контроля как измерительные преобразователи.

Классификация измерительных

6

преобразователей (ИП) по: виду измеряемой величины, месту в измерительном процессе (цепи) и др. Структура ИП прямого и компенсационного преобразования. Физические Типовые

принципы,

преобразователи

используемые

в

неэлектрических

первичных величин

преобразователях. в

электрические

(параметрические и генераторные): электромагнитные, тепловые, емкостные, индуктивные, резистивные, электрохимические, оптические, оптоэлектрические, ионизационные,

пьезоэлектрические

и

др.

Принципы

действия,

функции

преобразования, особенности применения. Энергетические,

информационные

и

другие

критерии

согласования

первичных преобразователей с объектом измерений. Масштабные преобразователи. Шунты, добавочные сопротивления, делители напряжения, трансформаторы тока и напряжения, усилители постоянного и переменного тока. Особенности реализации, области применения. Аналоговые измерительные преобразования. Унификация вида и уровня электрических сигналов. Цель унификации сигналов как носителей информации. Частный случай ИП – нормализация (преобразование входного сигнала в однородный

выходной,

значение

информативного

параметра

которого

пропорционально значению параметра входного сигнала). Операционные усилители (ОУ) измерительные преобразователи (УИП).

унифицирующие

(масштабные)

Характеристики ОУ, эквивалентные

схемы, обозначения на принципиальных схемах. Базовые схемные блоки на ОУ: инвертирующие

и

неинвертирующие

усилители,

повторители

напряжения,

дифференциальные усилители, аналоговые вычислители (сумматоры, интеграторы, дифференциаторы), нелинейные схемы (компараторы обычные и с гистерезисом), выпрямители одно- и двухполупериодные, амплитудные ограничители. Коммутация измерительных сигналов. Измерительные коммутаторы, их характеристики, эквивалентные схемы, обозначения на принципиальных схемах. Классификация измерительных коммутаторов по принципу действия, уровню коммутируемых сигналов, числу каналов, быстродействию, точности и др. Мультиплексоры.

7

Фильтрация измерительных сигналов. Характеристики эквивалентные схемы, обозначения на принципиальных схемах.

фильтров,

их

Классификация

фильтров по принципу действия (пассивные, активные), назначению (полосовые, режекторные) и др. Аналого-цифровые

и

цифро-аналоговые

преобразования.

Аналого-

цифровое преобразование как неотъемлемая часть измерительной процедуры. Физическая

основа

аналого-цифрового

преобразования.

Дискретизация,

квантование, кодирование. Классификация аналого-цифрового преобразования: поразрядного кодирования, последовательного счета, следящего уравновешивания и др. Цифровое

представление

измеряемых

величин.

Реализация

аналого-

цифрового преобразования (АЦП) и цифро-аналогового преобразований (ЦАП). Системы счисления, коды, используемые в аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях. Принципы

действия,

основные

элементы,

структурные

схемы

и

характеристики АЦП и ЦАП. Частотно-цифровые преобразователи (ЧЦП).

Частотно-временные сигналы и

частотно-временные преобразователи. Структура ЧЦП циклического действия и со следящим уравниванием. Цифровые измерительные преобразования. Основные описания

таких

преобразований.

интегральных схемах (БИС);

Микропроцессоры

их структура и

(МП)

понятия для на

больших

функциональные возможности.

Структура и форматы команд МП. Организация управления вычислительным процессом в МП. Выбор микропроцессоров для автоматических средств измерений и контроля. МикроЭВМ и мини-ЭВМ, их структура, функциональные возможности и области применения. Интерфейсы - устройства сопряжения ИП в автоматических средствах измерений и контроля. Классификация, принципы построения, структурные схемы.

8

3.3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ (25часов) Понятие "Программное обеспечение" (ПО). ПО как связующее звено между аппаратным (техническим) обеспечением и пользователем автоматических средств измерений и контроля. Элементы

ПО:

программирования,

программно-доступные

регистры

МП,

языки

операционная система. Программирование МП на языках

низкого и высокого уровня. Назначение, основные функции и состав операционных систем микро-ЭВМ и МП. Методы и средства программирования МП. Основные показатели

качества

программ:

структурированность, Программная

надежность,

информативность,

реализация

измерительных

эффективность,

полярность, задач:

мобильность,

модифицируемость.

оптимальной

фильтрации,

интерполяции и экстраполяции при преобразовании цифрового сигнала в аналоговый, кодирования информации. 3.4 МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ

(20часов)

Факторы, влияющие на показатели качества и МХ базовых элементов. Аналитические (расчетные) и экспериментальные методы определения точности и помехоустойчивости

базовых

элементов

и

блоков базовых элементов.

Нормирование МХ базовых элементов. Методы повышения точности и помехоустойчивости базовых элементов. Организация

метрологического

надзора

за

автоматическими средствами

измерения и контроля. Испытания, аттестация и поверка автоматических средств измерений и контроля.

9

3.5 АВТОМАТИЗАЦИЯ ВИДОВ ИЗМЕРЕНИЙ

(26 часов)

Автоматизированные средства измерений детерминированных электрических и неэлектрических сравнением,

с

величин: с однократным, двукратным и периодическим

адаптацией

преобразованием.

Выбор

чувствительности,

метода

построения

с

частотно-импульсным

автоматизированных

средств

измерений. Автоматизированные средства измерений случайных величин. Случайные величины

и

процессы. Структуры автоматизированных средств измерений

параметров случайных процессов, корреляционных функций. Анализаторы спектра случайных процессов. Автоматизированные средства измерений времени и частоты: хронометры, периодомеры, фазометры, частотомеры. Структурные схемы и МХ конкретных типов АСИ. Автоматизированные

средства

измерений

электрических

величин:

напряжения - вольтметры цифровые (время-импульсные, кодово-импульсные, интегрирующие, амплитудные,

циклические, следящие и др.); мощности -

ваттметры. Структурные схемы и МХ. Автоматизированные средства измерений температуры.

Классификация,

структурные схемы, МХ. Автоматизированные средства измерения линейных и угловых величин. Классификация, структурные схемы, метрологические характеристики. 3.6 АВТОМАТИЗАЦИЯ ВИДОВ КОНТРОЛЯ (10 часов) Необходимость эксплуатационных

синхронной процессов

автоматизации и

Автоматизированные средства контроля

процессов

технологических технического

и

контроля.

геометрических размеров и формы.

Классификация, структурные схемы, характеристики. Автоматизация выборочного контроля.

10

3.7 АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ

(10 часов)

Принцип построения центральной испытательной станции. Структурная схема. Разработка автоматизированной системы испытаний (АСИс). Структура, состав и критерии оценки АСИс. Основные цели, принципы и этапы разработки АСИс. Техническое обеспечение АСИс. Структурная схема микропроцессорной системы, построенной по программно-управляемому модульному принципу. Структурная схема многопроцессорной автоматической системы управления экспериментом фирмы "IBM". Математическое обеспечение АСИс. Математическая модель технологического процесса испытания. Программное, информационное и организационное обеспечение АСИс. Экономическая эффективность применение АСИс. 3.8 ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНО-ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ (28 часов)

Темы лекций

Объем, ч

1 Цели и задачи автоматизации

2

2 Автоматизация измерительного процесса

2

3 Обобщенные структурные схемы процессов контроля и измерений

2

4

автоматизированного

2

5 Базовые элементы технического обеспечения автоматических систем

4

Основные

принципы

построения

систем

контроля измерения и контроля 6

Элементы

программного

обеспечения:

программно-доступные

2

регистры микропроцессоров, языки программирования, операционные системы 7 Методы и средства программирования МП

2

11

8 Автоматизированные средства измерений с одно- и двукратным

4

сравнением 9

Автоматизированные

средства

измерений

с

адаптацией

4

чувствительности; с частотно-импульсным преобразованием 10 Автоматизация испытаний электронных вычислительных средств

2

11 Метрологическое обеспечение автоматизированных средств

2

измерений, контроля и испытаний

3.9 ТЕМЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ

(12 часов)

Темы лабораторных занятий

Объем, ч

Описание деятельности студента

1 Ознакомление с устройством числового программного управления (ЧПУ) типа Н22-1М

2

При выполнении работы студен знакомится с конструкцией, основными техническими характеристиками устройства ЧПУ Н22-1М

2 Ручной программы

управляющей

2

При выполнении работы студен знакомится с основными принципами программирования в коде ИСО-7 и управления станком с ЧПУ путем ручного ввода программы

3 Составление управляющей программы с перфорацией на бумажном носителе

2

При выполнении работы студен составляет управляющую программу в коде ИСО-7, получает ее в виде перфоленты и производит отладку программы на рабочем месте

4 Размерная настройка режущего инструмента

2

При выполнении работы студен знакомится с одним из методов размерной настройки режущего инструмента при помощи коррекции управляющей программы при заранее заданных геометрических параметрах этого инструмента

5 Автоматизация контроля

2

При выполнении работы студен

ввод

12

знакомится с полуавтоматическим средством контроля линейных размеров деталей 6 Имитационное моделирование на ПЭВМ экспериментальных исследований помехоустойчивости системы передачи измерительной дискретной информации с частотной модуляцией

2

На примере моделирования системы с частотной модуляцией и аддитивной помехой в виде белого шума студент экспериментально исследует помехоустойчивость системы

3.10 ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (8 часов) 1.Составление функционально-логической схемы по переключательной функции. 2. Расчет и построение градуировочных характеристик ИП. 3. Расчет метрологических характеристик типовых ИП. 4. Система команд МП. Форматы команд, способы адресации.

4 ПЕРЕЧЕНЬ УЧЕБНОЙ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Основная: 1. Автоматизация измерений величин: Учебное пособие

и для

контроля

электрических и неэлектрических

вузов/ Под ред. А. А. Сазонова. - М. :Изд-во

стандартов, 1987. –328 с. 2. Воронцов Л. Н., Корндорф С. Ф. Приборы автоматического контроля размеров в машиностроении: Учебн. пособие для вузов. - М.: Машиностроение, 1988.-280 с. 3. Глудкин О.П. Методы и устройства испытаний РЭС и ЭВС.- М: "Высшая школа", 1991. – 335 с. Дополнительная: 4.Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IВМ РС: пер. с англ./Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. - М.: Мир,1992. – 592 с. 5.Малышев В. М., Механников А. И. Гибкие измерительные системы в метрологии. - М.: Изд-во стандартов, 1988. – 176 с.

13

6.Методы

электрических

измерений:

Учеб.пособие

для

вузов/

Под

ред.

Э. И. Цветкова, Л.: Энергоатомиздат, 1990. 7.Основы метрологии и электрические измерения: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. Е. М. Душина.-Л.: Энергоиздат, 1987. 8. Левшина Е.С., Новицкий П. В. Измерение физических величин: Измерительные преобразователи.-Л.: Энергоатомиздат, 1983. 9.Лейтман М. Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. 10. Шишкин И. Ф. Теоретическая метрология. - М.: Издательство стандартов, 1991.

5 ТЕСТОВЫЕ

ЗАДАНИЯ

1.Дайте определение понятия "автоматизация". 2.Перечислите научные, технические, экономические и социальные цели автоматизации. 3.Дайте характеристику основным этапам развития автоматизированных измерений 4. На основании анализа обобщенной структурной схемы СИ, сформулируйте задачи автоматизации. 5. Дайте анализ обобщенной структурной схемы процесса измерения с точки зрения автоматизации. 6. Перечислите типовые подсистемы САК и поясните их назначение. 7.Каковы основные принципы построения средств автоматического контроля? 8. Каково соотношение неправильно принятых по сравнению с неправильно забракованными деталями в точных технологических процессах ? 9.Каким должно быть соотношение точности средства контроля и точности контролируемого параметра изделия? 10. Дайте сопоставительный анализ структур сопряжения приборов и устройств с ЭВМ (радиальный и магистральный интерфейс). 11. Перечислите подсистемы ИС с микропроцессорной обработкой информации и управлением. Как осуществляется обмен информацией между подсистемами? 12Какой принцип положен в основу автоматического измерительного устройства с однократным сравнением? Дайте анализ факторов, влияющих на его точность.

14

13 Какие преимущества дает схема с двухкратным сравнением? 14 Как практически может быть реализован способ с адаптацией чувствительности? 15 Поясните принцип работы автоматического средства измерения с частотноимпульсным преобразованием, реализующего метод двухтактного интегрирования. 16В чем состоит алгоритмический способ коррекции температурной ошибки в СИ с частотно-импульсным преобразованием? 17 В каком случае реализуется метод построения АСИ с пространственным разделением каналов (на основе ЧИП) ? 18 Охарактеризуйте базовые схемные блоки на операционных усилителях ( инвертирующие и неинвертирующие усилители, повторители напряжения , сумматоры, интеграторы, дифференциаторы и т.д.) 19 Приведите классификацию методов построения автоматических СИ. 20 Поясните принцип записи и чтения информации на примере динамического запоминающего элемента. 21 Поясните структурную схему и принцип действия статического запоминающего элемента. Как организуется оперативная память? 22 Приведите структурные схемы ПЗУ и ППЗУ. В чем их отличие от ОЗУ и каковы принципы построения и особенности изготовления? 23 Перечислите факторы, влияющие на показатели качества и МХ базовых элементов. 24 Как осуществляется организация метрологического надзора за автоматическими средствами измерения и контроля? 25

Приведите последовательность операций при испытаниях

и поверке

автоматических средств измерений и контроля.

6 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ . Дисциплина «Автоматизация измерений, контроля и испытаний» относится к числу специальных дисциплин в учебном плане специальности 190800 –

15

«Метрология

и

метрологическое

обеспечение»

направления

653800

–

«Стандартизация, сертификация и метрология». Дисциплина

охватывает

основы

теории

ИП,

виды

и

структурные

(функциональные) схемы ИП, области применения ИП; изучение принципов и компонент автоматизации измерений, контроля и испытаний, технического, программного и метрологического обеспечения. Основной

формой

освоения

студентами

дисциплины

является

самостоятельная работа с рекомендуемым основным и дополнительным учебными материалами. Учебным планом обучения студентов очно-заочной формы по дисциплине «Автоматизация измерений, контроля и испытаний» предусмотрено проведение лекционных занятий в объеме 28 часов, выполнение контрольной работы, лабораторных работ и практических занятий и сдача экзамена. ВВЕДЕНИЕ [1], c.3-5 Предметом дисциплины «Автоматизация измерений, контроля и испытаний» является изучение основ теории измерительных преобразователей (ИП), видов и структурных

(функциональных) схем ИП, освоение принципов

автоматизации измерений, контроля и испытаний. Цель дисциплины - подготовка будущего инженера-метролога к решению производственных задач на базе знания основных принципов автоматизации измерений с тем , чтобы, используя полученные знания и навыки, студент мог грамотно решать организационные, научные и технические задачи при автоматизации измерений, контроля и испытаний. Настоящая дисциплина является базой для изучения на последующих курсах таких дисциплин, как "Информационно-измерительные системы", "Теория и расчет измерительных преобразователей и приборов" и др.

16

6.1 3АДАЧИ И КОМПОНЕНТЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ [1] с. 9...13, 24, 25; [2] с. 4...15 Изучая данную дисциплину, необходимо , прежде всего, четко представлять себе научные, технические, экономические и социальные цели автоматизации. Обстоятельно этот вопрос изложен в [5]. Следует обратить внимание на то, за счет каких мероприятий обеспечивается повышение эффективности и качества научных исследований, экономия трудовых ресурсов, повышение производительности труда и т.д. При формулировании основных задач автоматизации необходимо их определять на каждом из этапов : сборе измерительной информации;при автоматизации операций измерительной цепи (канала); при передаче информации в ЭВМ и ее обработке; автоматизации индексации и документальной регистрации результатов измерений. Одним из основных принципов построения автоматизированных средств измерения и систем автоматического контроля является выбор точности на этапе проектирования. Применение средств контроля приводит к уменьшению конструкторского на изготовление детали. Чтобы не сужать производственный допуск и не увеличивать стоимость изделия, необходимо либо уменьшить допускаемую метрологическую ошибку, либо сместить приемочные границы внутрь поля допуска на величину, подлежащую расчету. При этом критерием служит отношение количесткъва неправильно принятых деталей по сравнению с неправильно забракованными ( m / n = 0,1 … 1,1 ). Принцип инверсий устанавливает связь между технологическим процессом, процессом контроля и выполнением функций при эксплуатации. Параметры детали при эксплуатации соответствуют установленным значениям, лишь когда все три фазы ее прохождения ( изготовление, контроль, функционирование ) изучаются и учитываются совместно.

17

6.2 БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ. [1] с. 26...35; [2] 18...67; [4] с. 13...30; 189...195; [5] с.16...21; 86...88; [7], c.101…113, 152…216; [8], c. 246…319; [9], c. 43…125 При изучении вопросов данного раздела необходимо систематизировать знания, полученные при изучении дисциплин " Электроника и электротехника" и " Основы радиотехники", дополняя их сведениями из [1], [4], [7]и[8],так как измерительные преобразователи (ИП), операционные усилители (ОУ), коммутаторы , фильтры, аналого-цифровые (АЦП)и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи являются основными структурными единицами, используемыми при создании различных измерительных и контролирующих приборов и систем. В основе действия любых средств измерения ( СИ ) от самого простейшего до сложной автоматической измерительной системы лежат последовательно выполняемые преобразования измеряемой физической величины в сигнал, удобный для передачи и обработки, а также изменения его формы и вида. Следует обратить внимание на то обстоятельство, что ИП является средством измерения, имеющим нормированные метрологические характеристики ( МХ ). Вместе с тем, выходной сигнал ИП не поддается непосредственному восприятию наблюдателя. Несмотря на многообразие структур ИП, все они с точки зрения принципа их действия основаны на методах прямого и уравновешивающего преобразования. При изучении вопросов электрического сопряжения ИП в автоматических средствах измерений особое внимание следует уделить вопросам расчета и графического представления МХ средств измерения ( статических и динамических ). АЦП и ЦАП являются неотъемлемой частью автоматических систем контроля, управления и регулирования, поскольку большинство измеряемых физических величин являются аналоговыми, а их обработка, индикация и регистрация, как правило, осуществляется цифровыми методами. Изучая основные структуры АЦП и ЦАП, следует провести их сопоставительный анализ по , уровню входного напряжения, быстродействию, разрядности и точности.

18

6.3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ [1] с.206...225; [5] с. 105...113; с. 121...128 Широкое применение программной реализации функций компонентов автоматических измерительных систем (АИС) и систем автоматического контроля (САК) приводит к тому, что программные компоненты значительно превосходят по своему объему и сложности аппаратные. Поэтому следует особое внимание обратить на структуру программного обеспечения АИС и САК. Обычно программное обеспечение (ПО) разделяется на прикладное, ПО вычислительного процесса и ПО разработки программ. Компонентами прикладного

уровня являются программы, задающие и

реализующие последовательность измерительных, управляющих и вычислительных операций в соответствии с методикой измерений. Эти программы составлены на языке программирования высокого уровня на основе алгоритмов, реализующих заданную методику, и выполняются после этапа трансляции программы на язык машинных команд. Наиболее распространенным языком программирования АИС является

БЕЙСИК.

Выполнение

программ

обычно

происходит

в

режиме

интерпретации. Интерпретатор можно рассматривать как программную реализацию процессора, имеющего систему команд, соответствующую операторам БЕЙСИКА. Другим способом выполнения программы, написанной на языке высокого уровня, является компиляция - составление на основе исходного текста программы в машинных кодах. Процесс подготовки программы автоматизируется с помощью ПО подготовки программ и может вестись на другой ЭВМ, причем с другой системой команд. Такая система подготовки программ называется кросс-системой. В этом случае в состав ПО АИС включается готовое прикладное обеспечение. Кросссистемы не обладают достаточной гибкостью, однако широко используются для создания базового прикладного ПО (Чаще всего используются языки ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ, ПЛ1). Основная

область

применения

АССЕМБЛЕРа

-

разработка

быстродействующих стандартных подпрограмм, используемых в программах на

19

языках высокого уровня. На АССЕМБЛЕРе написаны, в основном, все стандартные программы - операционная система, трансляторы языков высокого уровня и т.д. Третья часть ПО - операционная система - является программной средой, общим

ресурсом

системы

и

используется

компонентами

всех

уровней.

Операционная система является наиболее объемной и сложной частью ПО и создается профессиональными системными программистами. Программы ОС координируют работу элементов ЭВМ, осуществляющие планирование запуска задач, взаимодействие с пользователем, управление памятью и периферийными устройствами, выполнение стандартных вычислительных и других операций. Язык команд ОС обычно по формату и синтаксису близок к языкам программирования и использует те же понятия и форматы команд. Для

сложных

многоканальных

систем

с

параллельными

процессами

измерений в различных каналах необходим монитор ОС реального времени, ведущий контроль временных интервалов, распределяющий время центрального процессора и другие ресурсы системы между программами обслуживания различных устройств. Инженер-метролог должен знать, что в компьютерно- измерительных системах используется пакет программ и алгоритмов для научных расчетов, имеющийся в составе ПО большинства микроЭВМ и предназначенный для анализа и обработки экспериментальных данных. Пакет содержит программы, реализующие следующие функции: генерацию случайных чисел; предварительную обработку исходных данных; вычисление статистических характеристик; корреляционный, регрессионный,

дисперсионный

и

факторный

анализ,

аппроксимацию

экспериментальных данных методом наименьших квадратов и т.д. 6.4 МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ [5] с. 129...135 Основным способом определения и контроля МХ средств измерения является поверка.

Разработанные

для

автоматизированных

систем

методы

поверки

допускают любо поканальное, либо поэлементное определение МХ системы (ГОСТ 8.438-81). Поэлементная поверка предполагает, что система представляет собой

20

комплекс, компонентами которого являются агрегатируемые СИ. Поскольку метрологические характеристики отдельных элементов (автономные СИ) известны, определение общей метрологической характеристики всего канала может быть произведено расчетным путем. Но основная часть АИС и САК представляет собой систему, деление которой может быть произведено лишь на основании структуры программно-аппаратных средств. Можно разбить АИС на отдельные подсистемы, реализующие каналы измерения, однако большое количество общих программных и аппаратных ресурсов каналов, а также возможность программной реконфигурации, делает эти системы виртуальными, т.е. существующими лишь во время выполнения измерений в данном канале. В связи в этим для компьютерно-измерительных систем применим лишь поканальный метод определения МК, при которых канал измерения, даже виртуальный, рассматривается как независимое средство измерений, подлежащее поверке. Автоматическая поверка и корректировка каналов внутренними средствами может значительно улучшить МХ, однако не исключает поверки с помощью внешних средств, что позволяет подтвердить правильность работы внутренних средств поверки. Встроенные меры и ПО позволяют быстро и экономно компенсировать несовершенство аппаратных средств и учесть влияние на них различных факторов в процессе эксплуатации аппаратуры. 6.5 АВТОМАТИЗАЦИЯ ВИДОВ ИЗМЕРЕНИЙ [1] с. 69...132 Предлагаемые

к

рассмотрению

структурные

схемы

автоматических

СИ,

иллюстрируют применение основных классических методов преобразования, в которых в качестве чувствительных элементов используются терморезисторы , включаемые в самобалансирующиеся мостовые схемы (СБМ), представляющие собой замкнутую систему автоматического регулирования.

21

Наличие на выходе СБМ большого начального напряжения при отсутствии входного сигнала предполагает определение значения преобразуемого сигнал по изменению начального уровня напряжения обратной связи. Для выделения из выходного напряжения СБМ полезного сигнала необходимо использовать метод замещения. Этот метод при одноканальной структуре СИ предъявляет к коэффициенту передачи преобразовательного тракта требование кратковременной стабильности, поскольку операции преобразования измеряемого и замещающего сигналов мало разнесены во времени и влияние различных дестабилизирующих факторов практически исключается. При изучении данной темы необходимо обратить внимание на вопросы выбора конкретного метода измерения и схемы построения АИС, зависящих от многих факторов: требуемых точностных параметров, быстродействия, условий эксплуатации, режима работы и т.д. Применение измеряемого

конкретного

сигнала,

от

метода

возможности

зависит его

от

физической

коммутации

и

сущности

формирования

замещающего сигнала. Кроме того, необходимо учитывать инерционные свойства и длительность переходных процессов при коммутации преобразуемого сигнала.

6.6 АВТОМАТИЗАЦИЯ ВИДОВ КОНТРОЛЯ [1] с. 20...24; [2] с. 107...113; 186...201 Одной из областей практического применения методов и средств контроля является техническая диагностика, характеризуемая тем, что помимо установления факта несоответствия норме требуется выявление блоков и узлов, которые явились причиной неправильного функционирования объекта контроля. Системы автоматического контроля (САК) являются одним из основных звеньев систем более высокого порядка - систем автоматического управления (САУ) или

автоматизированных

(АСУТП).

систем

управления

технологическими

процессами

22

Обобщенная

структурная

схема

САК

состоит

из

измерительных

преобразователей, устройств сравнения контролируемых параметров с нормой и получения вторичной информации, а также устройств выдачи результатов контроля и управления. Структура

системы

контроля

основывается

на

многоступенчатом

преобразовании информации, когда параметры объекта контроля преобразуется в электрические унифицированные сигналы с последующим их преобразованием в цифровой код и обработкой на ЭВМ. На основании информации, полученной от объекта вырабатывается суждение о его работоспособности. Формирование испытательных

воздействий

осуществляется

специальными

генераторами,

управляемыми от ЭВМ. 6.7 АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ [3] с. 285...295; 299…304; 308…318 Объем испытаний и трудоемкости их проведения вследствие расширения функциональных возможностей электронных средств приводит к необходимости автоматизации испытательных и контрольно-измерительных операций путем широкого

внедрения

интенсивное

развитие

средств

вычислительной

вычислительной

техники.

техники,

а

В

свою

также

очередь,

постоянное

совершенствование устройств для испытаний позволяют создать информационноизмерительные системы и автоматизированные испытательные станции, которые предназначены

для выполнения на основе измерений функций контроля,

испытаний, диагностики и др. Объектом управления в испытательной станции служит автоматизированное устройство для испытаний, для которого требуется поддерживать нужный испытательный режим и производить измерения значений контролируемых параметров по заданной программе. Измерительная подсистема получает данные о ходе испытаний и выдает эти данные в виде измерительной информации на анализатор. В случае нарушения испытательного режима управляющая подсистема (синтезатор) исполнительная

23

подсистема (активатор) производят корректировку этих данных через управляющий орган. Центральные испытательные станции позволяют решать следующие основные задачи:

предоставление

предприятиям

технической

испытательной

базы;

проведение граничных испытаний и испытаний на долговечность; накопление, обобщение и анализ результатов испытаний для внесения рекомендаций по повышению надежности изделий и совершенствованию системы и методов испытаний. Техническое обеспечение АСИ представляет собой комплекс серийно выпускаемых технических средств, используемых в системе: устройства для испытаний, ЭВМ, АЦП, и ЦАП, датчики, накопители информации, устройства ввода-вывода и документирования; устройства оперативного взаимодействия, коммутирующие устройства, интерфейсы. Информационное обеспечение АСИ включает информационное описание процессов испытаний, отдельных испытательных операций и процедур управления ими.

Поскольку

теория

АСИ

разработана

недостаточно,

информационное

обеспечение автоматизированных систем управления испытаниями может строится по аналогии с информационным обеспечением АСУТП. Организационное обеспечение включает: обслуживающий персонал; описание функциональной, технической и организационной структуры системы, нормативнотехнические

документы,

определяющие

функциональные

обязанности

обслуживающего персонала.

7 ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ В процессе изучения дисциплины «Автоматизация измерений, контроля и испытаний» студенты выполняют контрольную работу. Контрольная работа включает в себя выполнение пяти заданий. При подготовке к выполнению контрольной работы необходимо ознакомиться с соответствующими разделами теоретического материала по рекомендованной учебной литературе. Контрольная работа выполняется в тетради с полями. На титульном листе указывается фамилия, шифр, факультет и специальность студента. Варианты и значения исходных данных задания определяются студентом по его

24

индивидуальному шифру и должны строго соответствовать приведенным указаниям по их выбору. Условие задачи переписывается полностью. Каждый этап расчета следует сопровождать необходимым пояснением, приведением необходимого расчетного выражения и полученных результатов вычислений. Выполненная контрольная работа сдается на рецензирование. Исправления в работе производятся так, чтобы рецензент мог сопоставить первоначальный и новый варианты. ЗАДАНИЕ 1 Выбрать АЦП, входящий в состав АИС, по метрологическим критериям. Исходные

данные представлены в таблице 1, где ρ - требуемое отношение

синал/шум, дБ; Dx - мощность полезного сигнала, мкВт; Dxш - мощность шума в канале системы до квантователя АЦП, мкВт; С - пропускная способность канала, бит/с; ƒ - максимальная частота входного сигнала, Гц;

Dg - мощность шума

квантования, мкВт; выходной код АЦП - двоичный. Таблица 1 Параметр ы ρ, дБ Dx, мкВт ×104 Dxш, мкВт C, бит/c ×105 ƒ, Гц×10

3

1

2

30 1,0

45 4,8

Вариант 3 4 5 6 Последняя цифра шифра 53 63 55 60 10 72 50 71

9,5 10

1,5 1,0

0,2 50

1,5

2,5

0,3 1,5

1,5 2,5

0,7 1,5

7

8

9

0

58 68

50 31

40 1,1

46 4,4

1,0 2,0

3,0 1,4

0,9 10

1,0 45

4,5

7

9

Предпоследняя цифра шифра 10 8 6 3 5

Указание. Разрядность n и число преобразований в единицу времени ƒпр являются характеристиками точностных свойств АЦП и в совокупности определяют возможность применения конкретного типа АЦП для преобразования сигнала. Требования к разрядности используемого в системе преобразователя можно определить по заданному отношению сигнал/шум (ρ) и расчетному значению отношения (k) среднего квадратического значения шума в аналоговом тракте системы к среднему квадратическому значению шума квантования.

25

Порядок расчета: 1 Определить требования

к допустимому значению мощности шума

квантования АЦП по формуле:

ρ = 10 log10

Dx ; D g + D хш

2 Рассчитать значение коэффициента k:

k=

D хш ; Dg

3 По номограмме (Рис.1 Приложения) определить

требуемое количество

двоичных разрядов n. 4 Уточнить требование к быстродействию АЦП, рассчитав максимальное число преобразований в единицу времени по формуле: ƒпр ≤ с/n. 5 Определить максимальное значение ошибки датирования отсчетов 1, при котором

предельное

значение

допускаемых

отклонений

динамической

характеристики при использовании АЦП заданной разрядности не превышает шага квантования, для чего по заданной максимальной частоте входного сигнала и рассчитанному значению n по номограмме (Рис.2 Приложения) определяют ∆дт. 6.По

таблице

2

выбрать

АЦП

с

расчетными

метрологическими

характеристиками, согласовав мощность заданного полезного сигнала с предельно допустимой для данного АЦП.

Таблица 2 - Метрологические характеристики АЦП Тип

Диапазон напряжений В

Число разрядов, n

Быстродействие, Гц

Класс точности

Пред. доп. мощность входного сигнала, мкВт

Датирование отсчета - отнесение данного отсчета к определенному моменту времени, связанное с операцией временной дискретизации. Ошибка датирования отсчета обусловлена ошибкой формирования фронта импульсов запуска АЦП, а также инерционностью его элементов.

1

26

Ф4222

±1

9

105

0,6/0,5

10

Ф4881

±1,02

14

104

0,6/0,05

1

Ф7044

±5

12

104

0,1/0,06

5

АЦП-1

±10

11

2×104

0,15

104

АЦП-2

±10

7

105

1,5

104

АЦП-3

±10

10

104

0,15

5×104

АЦП-4

±10

10

4×105

0,1

5×104

АЦПК-1003/10

±119,9

12

1,1×104

0,1

7,2×105

АЦПК-10011/2

±100

10

1,3×104

0,1

5×105

Ф4880

±1,023

11

103

0,1/0,06

1

Ф4892

±10

14

106

0,02/0,01

100

Ф722/3

±10

10

103

0,5/0,3

105

ЗАДАНИЕ 2 Известны требования к диапазону изменения измеряемой величины Х преобразуемых напряжений, класс точности АЦП, а также максимальная скорость изменения сигнала (табл. 3) Определить необходимое количество n двоичных разрядов АЦП, скорость передачи v информации по измерительному каналу, общее время преобразований tпр и время одного такта tт на один двоичный разряд.

27

Таблица 3 Вариант 7

8

9

0

±Xmax, В

±1

5

10

5

10

119

1,02

Класс точности АЦП

0,5/0,3

0,1

0,1

0,6/0,5

35

1

50

10

(dx/dt)max, В/c

1,02

10 0,2/0,15

0,15

50

100

0,1/0,06

3 4 5 6 Последняя цифра шифра

0,1

2

0,1/0,06

1

0,6/0,5

Исходные данные

Предпоследняя цифра шифра 25 1 30 5 10

Указание. По заданному классу точности АЦП установить оценку точности выходного сигнала δmax, полагая Х=Хмах. Тогда необходимое количество двоичных разрядов: n = log(100/δmax + 1), а необходимая скорость передачи информации: V=I/tn, где I - количество информации в одном измерении, равное при двоичной системе счисления количеству двоичных разрядов n; tn =

δ max 100

⋅

X max - общее время преобразования сигнала. dx dt vax

( )

ЗАДАНИЕ 3 Информационно-измерительная система содержит n измерительных каналов на выходах которых имеются регистры с m делений отсчета. Показания регистров могут

изменяться

через каждые k секунд. Какова

наибольшая

средняя

измерительная информация, поставляемая каналами в одну секунду? Исходные данные приведены в табл. 4, 5. Указание. Наибольшая средняя измерительная информация информационноизмерительной системы определяется как сумма произведений числа отсчетов в единицу времени на энтропию одного отсчета.

28

Таблица 4 Число измер. каналов

Вариант 1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

4

5

2

6

7

8

9

0

Последняя цифра шифра n

3

4

5

2

6

3

Таблица 5 Параметр ы

Вариант 1

2

3

4

5

6

Предпоследняя цифра шифра m1, дел.

100

150

125

100

50

30

25

60

30

50

k1×10-2, c

0,5

1

2

3

1

0,2

3

2

0,5

1

m2, дел.

50

30

25

60

50

10

100

150

50

25

k2×10-2, c

32

0,5

1

2

3

0,5

2

0,2

2

3

m3, дел.

10

30

100

125

150

50

60

25

100

50

k3×10-2, c

1

3

2

0,2

1

2

0,5

1

3

2

m4, дел.

100

125

50

10

60

100

25

30

50

150

k4×10-2, c

2

0,2

2

0,2

1

0,5

1

0,5

3

2

m5, дел.

30

100

50

60

150

60

25

50

125

100

k5×10-2, c

3

1

0,5

3

2

1

0,2

2

5

0,2

m6, дел.

25

50

25

100

60

150

30

50

125

10

k6×10-2, c

0,2

1

2

3

0,5

3

1

0,5

1

0,5

29

ЗАДАНИЕ 4 При градуировке ИП с известной (линейной) функцией преобразования Х = αо + α1Q получены числовые значения экспериментальных данных, приведенные в таблице 6 (i – последняя цифра шифра студента).

81- i

104- i

120- i

139- i

154- i

180- i

208- i

241- i

250- i

269- i

301- i

Xi

50- i

Qi

41-i

Таблица 6

4

8

10

14

17

20

19

23

26

30

31

36

37

Найти методом наименьших квадратов аналитическое выражение для градуировочной характеристики ИП и построить ее графически. На

градуировочной

характеристике

следует

нанести

точками

экспериментальные данные. Указание. Коэффициенты αо и α1 могут быть рассчитаны по типовым формулам: α0 =

где:

X=

1 n ∑ Xi; n i =1

Q 2 ⋅ X − Q⋅Q⋅ X

[]

Q2 − Q

Q2 =

2

1 n 2 ∑ Qi ; n i =1

α1 =

;

Q=

1 n ∑ Qi ; n i =1

Q⋅ X − Q⋅ X

[]

Q2 − Q

2

Q⋅ X =

,

1 n ∑ Qi ⋅ X i . n i =1

ЗАДАНИЕ 5 Изобразить графически полные динамические МХ типовых измерительных преобразователей пассивных звеньев 1-го порядка ( фильтров): амплитудночастотную К (ω), фазо-частотную ϕ (ω), и переходную h (t). Схемы звеньев, выражения для расчета К (ω),ϕ (ω),h (t), а также значения R ,C L приведены в таблице 7. Частоту f входного сигнала изменять в пределах fmin .

. . fmax .

30

Указание. При построении К (ω) и ϕ (ω) применить логарифмический масштаб по оси частот. При построении переходной характеристики h (t) выбирать значения времени t кратными постоянной времени цепи T: t = aT, где T = RC или

R L

; a = 0; 1; 2; 3; 4; 5.

Таблица 7 Последняя цифра шифра Данные

0

1

2

C

3

4

5

6

7

8

9

L

R

R

схема фильтра

К (ω)

ϕ(ω)

h(t)

R C

R L

ωRC

1

1

1 + (ωRC) 2

1 + (ωRC) 2

 ωL  1+    R 

arctg

e

−

1 ωRC

t RC

− arctgωRC

1− e

−

t RC

1

− arctg

1− e

2

ωL R

R − t L

 R  1+    ωL 

arctg

e

2

ωL R

R − t L

R, кОм

10,0

10,0

1,0

1,0

С, мкФ

0,01

0,1

-

-

L,Гн

-

-

1,0

0,1

fmin … fmax,

0,2 … 16

0,02 … 1,0

0,02 … 1,0

0,2 … 16

кГц

31

Содержание Стр. 1.Цели и задачи изучения дисциплины. . . . . . . . . .

3

2.Структура дисциплины . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3.Содержание дисциплины. Рабочая программа. . . . .

5

4.Перечень учебной и учебно-методической литературы 12 5.Тестовые задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 6.Методические указания к изучению дисциплины . . . . 14 7. Задания на контрольную работу . . . . . . . . . . . . . . 23

ЛР 020308 от 14.02.97 Редактор М.Ю.Комарова Подписано в печать 27.11.01 Б.кн.-журн.п.л. Тираж

150

2.5

Формат 60х84 1.5 Б.л.

РТП РИО СЗПИ Заказ 185

Редакционно-издательский отдел Северо-Западный государственный заочный технический университет 191186, Санкт-Петербург, ул.Миллионная, 5

1/16