Разработка функциональной схемы поверочной информационно-измерительной системы

14

Московский государственный университет приборостроения и информатики

Домашняя работа

по дисциплине «Информационно-измерительные системы»

на тему

«Разработка функциональной схемы поверочной ИИС»

Студент - ЗыковаИ.Г.

Группа - ПР2-0501 вф Шифр - 05094

Преподаватель - Федотов В.Н.

Москва, 2010

Разработка функциональной схемы поверочной ИИС

Цели и задачи работы

Цель работы - закрепить теоретические знания по дисциплине “Информационно-измерительные системы” и овладеть системно-морфологическим подходом поиска новых технических решений путем самостоятельной разработки моделей структурной организации ИИС, предназначенной для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов линейных перемещений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- построить обобщенную функциональную схему поверочной ИИС;

- определить влияние заданных свойств ИИС и ограничений на состав и структуру построения ее функциональных компонентов;

- провести анализ схемных решений альтернатив возможной реализации;

- построить принципиальную и структурную схемы поверочной ИИС, реализующей заданные свойства.

Исходные данные для домашней работы и варианты заданий

Так как в ИИС требуется обеспечить преимущественно цифровую форму сигналов, то аналого-цифровое преобразование следует выполнить сразу после получения информации измерителями.

По условию задания могут быть использованы только один АЦП, следовательно необходимо применить коммутаторы (цифровые мультиплексоры для ИИС с преимущественно цифровой формой сигналов).

3. Построение структурно-функциональных моделей ИИС

Разработка ИИС начинается с определения принципов построения и способов реализации создаваемой системы. Определяются общая структура ИИС, ее связи с другими техническими устройствами, а также условия функционирования в окружающей среде. Результатом решения этих задач являются функциональная, структурная и принципиальная схемы ИИС.

Функциональная схема дает представление о составе функционально необходимых компонентов ИИС.

Принципиальная схема описывает принцип действия функциональных основных компонентов и ИИС в целом.

Структурная схема воспроизводит взаимосвязи между входными и выходными сигналами функциональных компонентов и отражает процессы преобразования информации в ИИС.

В соответствие с системно-морфологическим подходом структура ИИС разрабатывается в три этапа.

На первом этапе строится обобщенная модель ИИС, включающая совокупность функциональных компонентов, каждый из которых необходим, а все в целом достаточны для решения целевой функции ИИС. Обобщенной такая модель называется потому, что ее состав связи зависят от функционального назначения ИИС и не зависят от конкретной технической реализации ее функциональных составных компонентов.

На втором этапе выявляются существенные признаки ИИС, влияющие на ее состав и структурную организацию, и возможные альтернативы их реализации.

На третьем этапе конкретизируются состав и структура ИИС, обеспечивающие ее целевое назначение. На основании заданных свойств из области возможных схемных решений выбираются наиболее рациональные взаимно совместимые альтернативы реализации функциональных компонентов, из которых и составляется структурная схема ИИС.

4. Область возможных схемных решений

Существенными важнейшими признаками, определяющими состав и структуру поверочной ИИС, являются:

тип поверяемого средства измерения (ПСИ), его класс точности, форма входного и выходного сигнала;

цель поверки;

используемый метод измерения;

способ регистрации погрешностей ПСИ.

В качестве поверяемого средства измерения рассматривается измеритель линейных перемещений L(t), с выхода которого получают сигнал (t) в виде угла поворота стрелки, пропорционального L(t).

Целью поверки стрелочного измерительного прибора является получение основной погрешности ПСИ, то есть определение количественных оценок Zi погрешностей прибора на каждой заданной (i-ой) отметке шкалы, полученных сначала при возрастании, а затем при убывании тестового сигнала при нормальных условиях работы;

При поверке измерительных приборов используется непосредственное сличение, при котором погрешность ПСИ определяется как разность показаний образцового и поверяемого приборов.

Регистрация погрешности ПСИ осуществляется по шкале ПСИ в моменты времени, когда выходные сигналы образцового средства измерения принимают заданные значения.

5. Обобщенная функциональная схема поверочной ИИС

Обобщенная функциональная схема ИИС, предназначенной для поверки измерительных приборов, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема поверочной ИИС.

Эта схема включает следующие функциональные компоненты:

- объект исследования - поверяемый измерительный прибор (ПСИ), характеристики точности которого определяются;

- генератор тестовых сигналов (ГТС), преобразующий управляющие воздействия U(t) в сигналы х(t), физическая природа, диапазон изменения и характеристики которых соответствуют входным сигналам ПСИ;

- согласующие преобразователи (СП₁ и СП₂), воспринимающие входные и выходные сигналы ПСИ и преобразующие их в форму, удобную для дальнейшей обработки в ИИС;

- измерительное устройство (ИУ), обеспечивающее получение измеряемой величины Z(t) - абсолютной погрешности ПСИ;

- устройство обработки информации (УОИ), осуществляющее оценку точности работы ПСИ, ее сравнение с заданными нормами и выработку суждений о результатах поверки;

- запоминающее устройство, в котором хранятся алгоритмы поверки, оценивания качества ПСИ и принятия решений, а также нормирующие данные и результаты поверки;

- устройство регистрации (УР) результатов поверки;

- устройство управления (УУ), обеспечивающее синхронное взаимодействие всех компонентов ИИС и выработку управляющих воздействий:

U(t) - на генератор тестовых сигналов;

u₁ - на ПСИ для его подготовки, запуска и настройки;

u₂ - на СП для целенаправленного выбора поверяемых отметок на шкале ПСИ в соответствии с методом поверки;

u₃ - на ИУ для управления процессом косвенного определения абсолютной погрешности ПСИ;

u₄ - на УОИ и ЗУ для управления процессами оценивания, распознавания и аппроксимации за счет оптимального выбора расчетных алгоритмов и моделей.

6. Особенности реализации функциональных компонентов

Рассмотрим влияние перечисленных выше существенных признаков ИИС и альтернатив их реализации на состав и структуру ее функциональных компонентов.

Тип прибора, его класс точности, форма представления входных и выходных сигналов определяют требования к точности образцовых средств измерения, используемых в ИИС, способу поверки, числу поверяемых точек на шкале ПСИ, а также устройство генератора тестовых сигналов (ГТС), физическую природу и характеристики его выходных сигналов.

В состав ГТС входят два функциональных блока (Рис. 2, а):

усилитель напряжения (У);

силовой преобразователь линейных перемещений (Плп).

Усилитель напряжения (У) обеспечивает согласование электрических характеристик сигналов U(t), поступающих от стабилизированного источника опорного напряжения (ИОН) с делителем (Д) с учетом входных характеристик силового преобразователя.

Для поверки прибора, измеряющего линейные перемещения, ГТС должен преобразовывать задающие U(t) воздействие в ступенчатые поступательные перемещения L(t) /N (или плавные L(t)) рабочей поверхности 1 силового преобразователя линейных перемещений (Плп).

Метод измерения влияет на состав функциональных основных компонентов ИИС.

Так как используется метод непосредственного сличения измерения погрешностей ПСИ, то при определении погрешности поверяемого прибора методом непосредственного сличения в состав ИИС входит генератор тестовых сигналов (ГТС) и образцовое средство измерения 3 (ОСИ), которое одновременно с поверяемым прибором 2 реагирует на перемещения L(t) отсчетной поверхности 1 силового преобразователя линейных перемещений (Рис. 2 б).

Рис. 2. Структурные схемы источников тестовых сигналов и методов измерения в ИИС.

На выходе аналогового ОСИ формируется эталонный сигнал в виде напряжения постоянного тока U_Э(t), пропорциональный действительному положению отсчетной поверхности. Цифровой ОСИ выдает на выходе эталонный сигнал в виде кода К_Э(t). Функциональная схема ИИС, соответствующая данному методу измерения представлена на Рис. 3.

На выходе калибратора также формируется эталонный сигнал в виде напряжения постоянного тока U_Э(t), пропорциональный действительному положению отсчетной поверхности. Этот сигнал поступает в измерительное устройство системы и параллельно в блок обработки сигнала (БОС) калибратора, где индицируется на цифровом индикаторе (ЦИ). В случае цифровой формы представления сигналов в системе, кодовый эквивалент К_Э(t). эталонного сигнала может быть получен на выходе АЦП блока обработки сигнала калибратора.

Реакции прибора на эти воздействия ₁, ₂, ..., _N измеряются и направляются в запоминающее устройство (ЗУ). Одновременно в ЗУ поступает информация о номинальных значениях входных сигналов. На основе полученных сигналов в ЗУ формируется экспериментальная кривая в виде совокупности N точек с координатами (L_i; _i), .