ФГБОУ ВПО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Г.И. ЛИПАТОВ

Автоматизация измерений, контроля и испытаний

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Воронеж 2011

УДК 621.317.3(075.8)

Липатов Г.И. Автоматизация измерений, контроля и испытаний: учеб. пособие / Г.И. Липатов. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. 138 с.

В учебном пособии изложены сведения об элементной базе систем обработки информации, вопросы построения и схемотехники средств измерений и контроля. Материал учебного пособия включает следующие разделы: принципы построения измерительных систем, сигналы и методы их исследования, аналоговая обработка сигналов, ЦАП и АЦП, цифровая обработка сигналов, функциональные устройства на цифровых микросхемах. Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 200500 «Стандартизация, сертификация и метрология», специальность 200503 «Стандартизация и сертификация», дисциплина «Автоматизация измерений, контроля и испытаний». Предназначено студентам очной формы обучения.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD ХР и содержится в файле «Автоматизация измерений.doc».

Табл. 22. Ил. 205. Библиогр.: 13 назв.

Рецензенты: кафедра физики полупроводников и микроэлектроники

Воронежского государственного университета (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Е.Н. Бормонтов);

д-р техн. наук, проф. С.А. Акулинин

© Липатов Г.И., 2011

© Оформление. ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011

Введение. Основные определения и термины

Характерным признаком развития технических систем является их постоянное усложнение. При этом неизбежно возникают проблемы измерения, контроля и диагностики параметров, характеристик, а также технического состояния систем и устройств как в процессе их эксплуатации, так и в процессе производства.

В широком смысле автоматизация — это комплекс технических, организационных и экономических мероприятий, дающий возможность вести процессы (производственные, технологические, информационные и т. д.) без непосредственного участия в них человека. В узком понимании автоматизация — это применение технических средств автоматики для измерения, контроля и управления. Предпосылкой автоматизации является извечное стремление людей заменить свой труд трудом автоматически действующих устройств.

В зависимости от степени автоматизации различают системы автоматизированные и автоматические. В автоматизированных системах часть функций выполняется человеком-оператором, тогда как автоматические системы функционируют без участия человека.

Цели автоматизации:

научные: повышение эффективности и качества научных результатов за счет более полного исследования моделей;

повышение точности и достоверности результатов исследований за счет оптимизации эксперимента;

получение качественно новых научных результатов, невозможных без ЭВМ;

технические: повышение качества продукции за счет повторяемости операций, увеличения числа измерений и получения более полных данных о свойствах изделий;

повышение надежности изделий за счет получения более полных данных о процессах старения и их предшественниках;

экономические: экономия трудовых ресурсов за счет замены труда человека трудом машины;

сокращение затрат в промышленности за счет уменьшения трудоемкости работ;

повышение производительности труда на основе оптимального распределения работ между человеком и машиной и ликвидации неполной загрузки при эпизодическом обслуживании объекта;

социальные: повышение интеллектуального потенциала за счет поручения рутинных операций машине;

ликвидация случаев занятости персонала операциями в нежелательных условиях;

освобождение человека от тяжелого физического труда и использование сэкономленного времени для удовлетворения духовных потребностей.

Основная цель автоматизации — улучшение технических и экономических показателей процессов измерения, контроля и управления. Иногда осуществление некоторых процессов вовсе невозможно без автоматизации. Например, измерение быстропротекающих процессов, получение измерительной информации и управление в реальном масштабе времени, распознавание образов в диагностике.

Измерение — это процесс нахождения значения физической величины опытным путем. В процессе измерения определяется численное отношение между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.

Контроль — это процесс установления соответствия между состоянием объекта и заданными нормами. В результате контроля вырабатываются суждения типа «в норме» или «не в норме». Контроль возможен там, где состояние объекта можно описать в рамках заданных норм. Описание норм задается количественно в виде аналоговых и цифровых установок.

Процесс определения технического состояния объекта называют техническим диагностированием. Техническое диагностирование реализуется путем измерения количественных значений параметров, анализа и обработки результатов измерения и управления объектом в соответствии с алгоритмами диагностики. При этом решаются следующие задачи: проверки исправности, проверки работоспособности, проверки функционирования и поиска дефектов. Например, тестовая диагностика микропроцессорных устройств, диагностика полупроводниковых приборов по избыточным электрическим шумам.

Процесс установления соответствия между объектом и заданным образом называют распознаванием образов. Образ может быть задан в виде перечня существенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска, а также в виде образцового изделия. Во многом задачи контроля и распознавания образов совпадают. Например, распознавание двумерных сигналов (изображений) на фоне помех, распознавание предметов в трехмерном пространстве по их плоским изображениям (так называемый анализ сцен) в информационно-управляющих роботах, диагностика интегральных схем по тепловым, акустическим, рентгеновским изображениям.

Системы для реализации рассмотренных выше процессов получили соответственно названия: системы измерения (ИС), системы контроля (СК), системы технической диагностики (СТД), системы распознавания (PC). Системы, в которых эти процессы автоматизированы, называют АИС, АСК, АСТД.

ИС — техническая система, предназначенная для измерений и представляющая собой, в общем случае, совокупность измерительных приборов, измерительных преобразователей (в том числе устройства согласования сигналов), мер, измерительных коммутаторов, линий связи, цифровых и аналоговых вычислительных устройств, объединённых общим алгоритмом функционирования и предназначенных для автоматического (автоматизированного) получения данных о состоянии объекта путём измерительных преобразований множества изменяющихся во времени и распределённых в пространстве величин, характеризующих это состояние; машинной обработки результатов измерений; регистрации и индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки; преобразования этих данных в выходные сигналы системы в разных целях.

Во многих случаях указанные системы являются составными частями, или подсистемами, более сложных информационных и управляющих систем. Так, если процессы управления основываются на измерительной информации о состоянии объекта управления, получаемой с помощью датчиков, то система управления включает в себя и систему измерения.

Рис. В.1. Обобщенная структурная схема измерительной системы

Более широкий класс информационных систем, объединяющих в себе функции систем измерения, контроля, распознавания и диагностики, получил общее название информационно-измерительных систем (ИИС). Информационно-измерительная система — это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных средств для получения измерительной информации, её преобразования, обработки с целью представления потребителю в требуемом виде либо автоматического осуществления функции контроля, диагностики, распознавания, идентификации. В рамках данного определения отдельно взятые системы АИС, АСК и АСТД можно считать специализированными ИИС.

Обобщенная структурная схема измерительной системы приведена на рис. В.1. Анализ этой схемы позволяет сформулировать основные задач автоматизации процессов измерения:

автоматизация сбора измерительной информации, для чего необходимо обеспечить унификацию выходных сигналов измерительных преобразователей физических величин, программно-управляемую коммутацию этих сигналов на общий канал связи, автоматический выбор диапазонов измерений;

автоматизация операций измерительной цепи — прием информации с объекта, предварительная аналоговая обработка сигналов, усиление, аналого-цифровое преобразование и т. д.;

автоматизация передачи информации из измерительной цепи в ЭВМ, для чего необходимо соответствующее согласование измерительной цепи с информационной магистралью ЭВМ (технические средства согласования получили название «интерфейс» или для измерительных средств — «приборный интерфейс»). Интерфейс определяет формат передаваемой и принимаемой информации, уровни сигналов, импеданс линий связи, а также организацию управляющих сигналов и соответствующие временные соотношения для них;

Рис. В.2. Обобщенная структурная схема системы автоматического контроля

автоматизация обработки измерительной информации путем включения в измерительную цепь вычислительных средств;

автоматизация индикации и документальной регистрации результатов измерения путем оснащения измерительных устройств (систем) различными периферийными выходными устройствами. При этом должны быть обеспечены автоматический выбор необходимого периферийного устройства и автоматический вывод информации на него.

На рис. В.2 приведен вариант построения системы автоматического контроля, состоящей из нескольких подсистем: коммутации и связи 1, измерительных преобразователей и генераторов испытательных сигналов 2, согласующих преобразователей 3, операционной подсистемы 4, системы ввода-вывода информации 5.

В развитии автоматизации измерений можно выделить ряд этапов становления.

На первом этапе автоматизации подвергались лишь средства сбора измерительной информации и её регистрации на аналоговых индицирующих и регистрирующих устройствах. Обработку результатов измерений и выработку соответствующих решений и исполнительных команд осуществлял оператор. В подобных системах средства измерений представляли собой набор отдельных измерительных приборов. В результате при измерении большого числа параметров объекта оператор был не в состоянии охватить всю полученную информацию и принять оптимальное решение по управлению объектом. Это приводило к расширению штата обслуживающего персонала, к снижению надежности и качества управления и возрастанию эксплуатационных расходов.

На втором этапе всё возрастающие требования к средствам измерений, обусловленные интенсификацией потоков измерительной информации, привели к созданию информационно-измерительных систем. В отличие от измерительного прибора информационно-измерительная система обеспечивает измерение большого количества параметров объекта и осуществляет автоматическую обработку получаемой информации с помощью встроенных в систему вычислительных средств. В задачу оператора системы управления теперь стали входить только принятие решений по результатам измерений и выработка команд управления. Централизованный сбор информации и её обработка с помощью средств вычислительной техники резко повысило производительность труда оператора, но не освободило его от ответственности за управление объектом, обслуживаемого системой.

На третьем этапе развития появились информационно-управляющие системы и информационно-вычислительные комплексы с полным замкнутым циклом обращения информации от её получения до обработки до принятия соответствующих решений и выдачи команд управления на объект без участия оператора. Алгоритм работы систем стал программно-управляемым, легко перестраиваемым при изменении режимов работы или условий эксплуатации объекта. Труд оператора сводится к диагностике состояния системы управления, разработке методик измерения и программ функционирования.

Выделение этапов развития СИ является приближенным и зависит от тех направлений науки и техники, в которых исследуются вопросы применения измерительной техники.

Дисциплина «Автоматизация измерений, испытаний и контроля» подготавливает будущего инженера-метролога к решению организационных, научных и технических задач при автоматизации измерений, контроля и испытаний. В результате изучения дисциплины студент должен иметь представление о проблемах автоматизации измерений и контроля и возможных подходах к их решению; знать принципы автоматизации, классификацию, структурные схемы и основные характеристики автоматических средств измерений и контроля общего назначения; уметь использовать компоненты автоматизации измерений и контроля (техническое, программное и метрологическое обеспечение).