Метрология цифровых измерений

Метрология цифровых измерений        Error! Bookmark not defined.

1.1.        Понятие «измерение»        7

1.2.        Измерительная информация и средства измерений        7

1.3.        Цифровые измерительные системы и их компоненты        11

1.4.        Машинное представление цифровых результатов измерений        .....................................................................................................12

1.5.        Хранение и передача результатов измерений в цифровых измерительных системах        13

2.1.        Датчики        16

2.2.        Передача измерительных сигналов        17

2.3.        Цифровые измерения        15

2.4.        Характеристики датчиков        19

2.4.1.        Погрешность, точность и нелинейность        19

2.4.2.        Статические характеристики датчиков        22

Accuracy – точность – tдpsus

Bias – сдвиг – nihutatus, nihe

Calibration – поверка – taatlus

Disturbance – возмущения – hдirimine

Drift – дрейф – triiv

Linearity – линейность - lineaarsus

Mean error - средняя ошибка – keskmine viga

Mean quadratic error - среднеквадратичная ошибка - eksperimentaalne standardhдlbe

Мeasurement error - погрешность (ошибка) измерения - mххtehдlbe

Noise – шум – mьra

Reading offset - смещение показаний – nдitude kalduvus

Repeatability – повторяемость – korduvus

Reproducibility – воспроизводимость – korratavus, taastootmisvхime

Resolution – разрешение – eraldus

Sensitivity – чувствительность – tundlikkus

Standard deviation - стандартное отклонение - standarthдlbe

[Un] precision – погрешность – hдlbe

Static gain - статическое усиление – staatiline vхimendus

Operating range – рабочий диапазон – tцц - ehk mххtevahemik

Variance – разброс – lahknevus

Real-time mode - режим реального времени – reaalajas tццreюiim

Sensor – чувствительный элемент, первичный измерительный преобразователь, сенсор – tajur, tundlik element, sensor

Digitaalmххtmiste metroloogia

Tehnilise protsessi juhtimine erineb mххtetulemuste tavalisest tццtlemisest. Siinkohas andmete tццtlemine jдrgneb otseselt ja sхltuvalt toimunud juhtumustest vдlis maailmas ehk protsessis. Digitaalne sьsteem peab kьlaldaselt reageerima vдlisjuhtumitele ning alaliselt tццtlema sisendandmete voog, kuskohas tavaliselt ei ole vхimalust muuta nende hulga ega saabumse kiiruse.

Joonis 1.1. Arvuti kaasamine protsessi juhtimiseks

Внешняя среда – vдliskeskkond, физический/технический процесс – fььsikaline/tehniline protsess, ввод сырья, энергии – toormaterjali, energia sisestus,  выход продукта, энергии – toodangu, energia vдljumine, ввод, вывод информации – info - sisend ehk vдljund, компьютер –arvuti.

Ьheajaliselt vхimalikult on vajalik ka teiste opertsioonide teostamine, nдiteks infovahetus operaatoriga, andmete kuvamine monitoorile, signaalidele reageerimine. Selline andmete tццtlemise tццreюiim osutus nii tдhtseks, et sai nimetuse – tццreюiim reaalajas ehk real-time mode.

Kхikides juhtimissьsteemides on ьhesugused funktionaalplokid:

Andmete kogumine, Andmete vahetamine teiste kontrolleritega ja arvutitega, Opertiivne koostцц inimesega-operaatoriga.

Ьldjuhul fььsikalise ehk tehnilise protsessi digitaalne juhtimissьsteem koosneb jдgmistest komponenditest joonis 1.2:

Juhtimiselement (управляющего элемента); Info vahetuskanalid (каналов обмена информацией); Analoog – digitalmuundurid ADM ja  digitaal-analoogmuundurid DAM (аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП); Tдitemehhanismid ja andurid (датчиков и исполнительных механизмов);

Fьsikaline ehk tehniline protsess (собственно физического/технического процесса).

Joonis 1.2 Digitaalse juhtimissьsteemi pхhiline struktuur

Kontrolleri sidumiseks protsessiga kasutatakse mitmeid tehnoloogijat. Mххtmised ja andurite tehnoloogijad on kхige tдhtsamad osad digitaaljuhtimises.

Andurid on vahendid mitteelektriliste suuruste muundamiseks elektriliseks suuruseks, seega siis analoogpingeks vхi analoogvooluks vхi elektriimpulsside sageduseks vхi nende arvuks.

Edasi jдrgneb saadud elektrilise suuruse mххtmine. Nii on tдnasel maailma tehnoloogilise arengu etapil kхige mugavam mitteelektrilisi suurusi mххta.

Mitteelektrilisi suurusi, mida on vaja mххta, on muidugi arutu hulk. Seeparast on ьlimalt palju vдlja tццtatud ka igasuguseid erinevaid andureid, toimub nende pidev tдiustamine ja uute tььpidegi leiutamine.

Vдga levinud on nдiteks transformaatorid vхi drosselid, mille magnetsьdamikus on muudetava laiusega хhupilu. Selle хhupilu laiust muudab mingi mehhanismi liikuv detail, mille nihet on vaja mххta. Elektriskeem selle trafo vхi drosseliga ehitatakse nii ules, et lьlituse vahelduv vдljundpinge on mддratud mххdetava nihkega. Nii saab mххta mehaanilisi nihkeid vдga laias vahemikus alates ьlivaikestest nihetest.

Analoogsed nihkeandurid saab ehitada ules ka kahe uksteise suhtes nihkuva metallplaadi vahelise mahtuvuse mххtmisele.

Suhteliselt suurte deformatsioonide mххtmisel naiteks ehituskonstruktsioonides kasutatakse

nn. tensoandureid, milles metalltraadi vхi pooljuhtkile takistus muutub konstruktsiooni deformatsiooni toimel.

Ьsna primitiivselt on lahendatav elektriimpulsside genereerimine ja loendamine mootorite pццrlemiskiiruse vхi sooritatud pццrete arvu mддramiseks, samuti mitmesuguste tiivikute poolt sooritatud pццrete arvu mддramiseks vedelike ja gaaside liikumiskiiruse ja kulu (дratarbitud

koguse) mххtmiseks.

Temperatuuri mххtmiseks saab kasutada pooljuhtsiirete vastuvoolu, termoelementide termoelektromotoorjou, metalltraadi takistuse jm. muutumist ьmbritseva keskkonna temperatuuri muutuste mхjul.

Kvartskristall annab meile palju voimalusi mitmesuguste mehaaniliste pingete (tхmme, surve, vддne, paine) ja vastavate vдikeste deformatsioonide mххtmiseks elektrilisel teel. Nimelt ilmuvad mehaaniliselt pingestatud kvartskristalli pinnale elektrilaengud. Elektroonikud peavad oskama neid moota. Ьlesanne pole lihtne, sest kvarts on hea isolaator, ja laenguid tema pinnal vхi pinget tema tahkude vahel on ьsna tьlikas mххta.

Fototundlikud elektronseadised vхimaldavad mххta valguskiirgust ja nende kaudu ka kiirgavate objektide temperatuuri.

Hall'i andur - pooljuhtkristall, millest ruumilise telje x suunas lastakse labi elektrivool, ruumilise telje y suunas juhitakse temasse magnetvali ning ruumilise telje z sihis tekib tema tahkude vahele vдike pinge, mis on vordeline x-telje suunalise voolu ning y-telje suunalise magnetvalja korrutisega. Nii saab mххta magnetvalja tugevust.

Kiires arenguetapis on praegu igasuguste keemiliste ja biokeemiliste toimete, ainete дratundmise jmt. vдga keerukate ning segaste asjade elektrilise vдljundiga andurite loomine.

Andurid peavad tдpselt peegeldama tehnoloogilises protsessis muutuvaid fььsikalised suuruseid nii statsionaarses kui ьleminekuprotsessis. Mххteseadmed, mis tagavad signaalid „siselьlitatud/ vдljalьlitatud“, nimetatakse binaaranduritega.

Andurite, ьhtivkontrolleri ja taitevseadmete vдljundsignaalid peavad olema ьhtlustatud mххteseadme sisendsignaaliga ja kontrolleri kasutajaliidega (interface). Selles mхttes on vдga vajalik ette vхtta kaitsemeetmed elektriliste hдirete vastu, mis moonutavad anduri signaali.

Signaali liigi – voolu, pinge, valguskiirgus – valitakse sхltuvalt hдirete iseloomust.

Kinnise juhtimissьsteemi korral mххdetakse protsessis muutuvad suurused: tempetratuur, rхhk, kulu; ning nende mддratud vддrtused ei pea muutuma juhul kui tekivad vдlishдired. Kinnises sьsteemis need ьlesanned tдitab kontroller PLC.  Jьhtimissьsteem peab olema vхimeline toime tulema kхikide probleemidega, mis vхivad esineda ьksikute elementide ьhendamisel sьsteemisse.

Mххdetav PLC anduriga juhitav suurus PV muundakse elektriliseks suuruseks, mis toimetakse mххteseadmesse PLC selle juhtimiseks.

Vastavalt DIN 19226 kinnised juhtimissьsteemid on sellised sьsteemid, kus juhitav suurus PV on pidevalt jдlgitav ja vхrreldav antud muutuva suuruse vддrtusega (PV). Sхltuvalt vхrdluse tulemusest sьsteemi sisendsuurus mхjutab vдljundsuuruse reguleerimist kuni antud muutuva suuruse vддrtuseni (PV) vaatamata kхigite hдirete mхjumisele.

Real - time mode juhtimissьsteemid  peavad arvestama vхimalikuga lubatud mххtehдlbega, et tagada sьsteemi tццkindluse ( isegi kui esinevad softi ja seadmete vead).

Mххtmise mхiste

Mххtmine on ekperimentaalselt tehniliste seadmete abil fььsikalise suuruse vддrtuse mддramine.

Standardi EVS 758:2009 kohaselt mххtmine on eksperimentaalne menetlus, millega saadakse ьks vхi mitu vддrtust, mida saab pхhjendatult omistada suurusele.

Selles mхistes on kajastatud:

Fььsikaline suurus Menetluste kogum mххtesuuruse mххtьhiku hoidva mххtevahendi kasutamisel Menetluste kogum, mis tagab mххtesuuruse seostamist mххtьhikuga Mххtьhiku vддrtuse saamine

Mххtetulemusega peab olema mддratud teatud tдpsusega ratsionaalarv. Juhul kui toimub fььsilise objekti vхi protsessi jдrjekestva omaduse muundamine diskreetseks ja selle analoog-digitaalse muudamise tulemusena  mххtetulemus on vдljendatud teatud tдpsusega ratsionaalarvude kogumiga, siis loetakse, et mххtmise protsess on lхpetatud. Digitaaltulemuse jдrgnevad muundamised on juba arvutusprotsess vaid mitte  mххtmise protsess.

Mххte informatsioon ja mххteseadmed

Kaasaegne mххtevahend – on tehniline vahend, mis on ette nдhtud mххtmiseks, mis kogu kasutusaja jooksul esitab pьsivalt kindlalt liiki suurust, kusjuures suurusele on omistatud vддrtus teatud mххtetдpsusega.

Fььsikalise suuruse arvvддrtus ei ole mххtetulemuse esitamise ьksainus moodus.

Mххteinfo on laiem termin, mille all mхistetakse  nii  mххtetulemuse arvvддrtused kui samuti teises vormis – signaal, kood jm.

Koodid vхivad olla binaar-, binaar-detsimaal ja muud.

Esmane mххtevahend on mххtemuundur (andur) – mххtmisel kasutatav seadis, mis annab sisensuurusega kindlaksmддratud soses oleva vдljunsuuruse. Nдiteks, temopaar, voolutrafo, mehaanilise pinge mххtemuundur, pH elektrood, Bourdoni toru, bimetallriba.

Esmase mххtevahendi mххtetulemus on mххtesignaal.

Mххtesьsteem on komplekt  ьhest vхi mitmest mххtevahenditest ja sageli muudest seadmetest (mis asuvad kontrollitava objekti erinevates kohtades), reaktiivid ja abivarustus sealhulgas, mis on koostatud ja seadistatud teatud liiki suuruste kindlsaae vahemikku jддvate mххdiste saamiseks.

Sхltuvalt mххtesьsteemide eesmдrgist need eristatakse jдrgmiselt:

Informatsioonmххtesьsteemid Kontrollmххtesьsteemid Juhtimismххtesьsteemid

Mххtesьsteemi mддramisel ei erista mххtevahendid ja teised tehnilised seadised. Kхik need seadised kasutatakse mххtmise eesmдrgiga.

Seega mххtesьsteem on tehniline seadis, mis on ette nдhtud mххtmiste teostamiseks ja ьldjuhul on mххteseadmete, mххtemuundurite (sh. signaalide ьhilduvuse seadised), sideliinide, digitaal ja analoogarvutusseadiste, mis on ьhendatud ьhe algoritmi jдrgi, kogum. Seadiste kogum on ette nдhtud objekti seisukorra andmete automaatselt saamiseks mххtesuuruse mххdiste muundamise teel, kuskohas mххtesuurus pidevalt muutub ajas. Mххtesьsteemis toimub mххtetulemuste tццtlemine, registreerimine, kuvamine; sisendandmete (signaalide) muundamine sьsteemi vдljunsignaalideks.

Mххtesьsteemi iseloomulikud omadused on jдrgmised:

Tehniliste mххteseadiste asetamine kontrollitava objekti erinevates kohtades, Andmete saamine mitmete mххtemuundamise teel, kuskohas mххtesuusused muutuvad ajalisel ning on jaotatud ruumiliselt.

Sellise liiki info integreerimiseks on vaja tagada info sдilimise, edastamise, tццtlemise, kuvamise, registreeimise, dokumenteerimise ja levimise.

Joonisel 1.3 on toodud tььpiline mххtesьsteemi skeem.

Siit selgub, et suuremas mххteskeemi osas tegeldakse mххtesignaalide analoogmuundamistega ja ainult mххteskeemi teises lхpposas ADM vдljundil esinevad fььsikaliste suuruste vahevддrtused digitaalkoodi nдol. Digitaalmххtetulemused saavutakse mххtesьsteemi lхppkomponendis – digitaalses arvutuskomponendis.

Digitaalarvutusseadises toimub ADM-test koodide vastuvхtt reaalajas ja nende diskreetne tццtlemine nхutava tдpsusega vastavas andmete formaadis.

Joonis 1.3. Mххteskeemi struktuur.

Датчик – andur,  линия связи –  sideliin, измерительный преобразователь – mххtemuundur, измерительный коммутатор – mххtekommutaator многоканальный измерительный преобразователь – mitme kanaliga mххtemuundur, АЦП – analoogdigitaalmuundur ADM, цифровой вычислительный компонент – digitaalarvutuskomponent, первая часть измерительной системы – mххtesьsteemi esimene osa,  вторая часть измерительной системы – mххtesьsteemi teine osa.

Selline mххtesьsteemi struktuur on vдhesel mддral seotud ruumiliselt, kuid suurel mддral on seotud ajaliselt. Siinjuures sьsteemi ьhe komponendi reaalajas vдljundinfo peab olema tццdeltud mххteahela jдrgmise skeemi komponendiga. Analoog - vхi digitaalinfo kauane sдilimine ьhes vхi teises sьsteemi mххtekomponendis ( v. a. digitaalarvutuskomponendis) ei ole vхimalik.

Selles mххtesьsteemis kхik toimuvad  skeemi komponendites operatsioonid (mххte-, side-, arvutus-) on mххteprotsessi koostisosa.

Ьhe skeemi komponendi (isegi sideliini)  hдire automaatselt viib eksimххtetulemusele ehk eksitusele (prohmakas).

Vaatamata sellele, et mххtesьsteemis on ruumiliselt ja konstruktiivselt ja fuktsionaalselt eraldatud  erineva eesmдrgiga komponendid, mххtesьsteemi vaadeldakse ьhismххteseadmena. Selline mххtesьsteem oma metroloogilisest olemusest on mххtevahend, mis on toodud nagu toode ( nt. Soojusarvesti).  Sellised mххtesьsteemid ei ole digitaalmххtesьsteemid, sest digitaalmххtetulemus kujundatakse mitte mххtesьsteemi sees vaid selle vдljundil.

On sellised digitaalmххtesьsteemid, kus kasutatakse esmased mххtemuundurid digitaalvдljundiga ning andmebaasi kauakestva sдilimisega mххtekohas. Sell juhul mххtesьsteemid on juba vдhesel mддral seotud nii ruumiliselt, kui ajaliselt. Esimese astme  andmebaasi juurdepддs on vхimalik igal ajal ning andmete sдilimine mххtekohas ja nende moonutamata kasutamine sьsteemis teise astme tццtletmiseks on tagatud.

Mххtesьsteemi tдhtsam osa on mххtekanalid. Mххtekanal on jadamisi ьhendatud tehniliste seadiste ahel mххteinfo katkestamatu lдbimisel sisendilt vдljundini ning on ette nдhtud ьhe fььsikalise suuruse mххtmiseks. Mххteinfo on analoosignaal (vool, pinge).

Digitaalmххtesьsteemid ja nende komponendid

Mikroprotsessormххtesьssteemides otsemххtmised moodustavad vдikse osa kogu mххtesuuruse arvvддrtuse arvutusprotsessist. Peamine protsessi osa on andmete sдilimine, edastamine, mххtetulemuste tццtlemine  ja esitmine arvvддrtusena. Need operatsioonid metroloogias vaadeldakse kaudsete mххtmistega.

Sel juhul, kus mххte - , arvutus - jm. operatsioonid toimuvad mххtevahendis, eristada neid ei ole vхimalik. Mххtevahendi vдljundil ekraanil kuvatakse digitaalmххtetulemus. Tдhtis on selle tдpsus (usaldatavus).

Digitaalmххtesьsteemides mххtekomponendid ьhendatakse digitaalmххtekanalidesse ja kхik teised tehnilised seadised vaadeldakse eriseadmetena ( nt. Kontrollerid) vхi universaalsedmetena – mittemххtekomponenditena  ( nt. Arvutid).

Mххtesьsteemi mххtevahenditeks on ainult digitaalmххtekanalid  ja nende koostisosad – mххtekomponendid.

Mittemххtekomponendid vхivad halvendama mххtelхpptulemuse enda diskreetse tццtlemise protsessis. On ilmne, et andmete tццtlemisele tuleb esitada mддratud tдpsuse nхued. Nдiteks, kui arvutusmuundamiste tдpsus on 3-5 korda suurem mххtetдpsust, siis lisahдlvetega vхib arvesse mitte vхtma.

В отдельных случаях неизмерительные компоненты могут не только не ухудшить, но даже улучшить точность результатов измерений (например, при статистической цифровой обработке случайных результатов многократных измерений).

Требования к точности измерений и вычислений и способы их обеспечения принципиально различны. Процессы измерений и вычислений имеют свои особенности: первые представляют собой сложные процессы аналогового сравнения измеряемой величины с единицей измерения, а вторые - элементарные арифметические действия над рациональными числами. Для повышения точности аналоговых операций необходимы серьёзные технологические достижения, а для повышения точности цифровых операций достаточно всего лишь увеличить разрядность чисел (это элементарно делается в устройстве сбора и обработки данных и компьютере).

Например, для двоичных чисел, в случае представления их в формате с плавающей запятой, дополнительный байт мантиссы дает возможность увеличить точность представления числа в 256 (28) раз. Такое существенное и при этом легко реализуемое повышение точности невозможно при аналоговых измерениях. Если относительная погрешность аналоговых измерений составляет 0,1%, то для вычислителя, на вход которого поступают числа такой точности, без особых проблем можно обеспечить точность их промежуточного представления и обработки в 100 раз больше (для этого потребуется всего лишь двухбайтовая мантисса). На выходе вычислителя, округлив результат до точности исходных чисел как результатов измерений, их точность ухудшилась не более чем на один процент от исходного значения точности [2].

Машинное представление цифровых результатов измерений

Представление цифрового результата измерений в дискретной машинной сетке любого цифрового элемента (контроллера и компьютера) цифровой измерительной системы возможно в одном из двух форматов [2]:

в формате числа с фиксированной запятой; в формате числа с плавающей запятой

                                                                                       (1)

где M=(0, a-1…a-m) – нормализованная мантисса (a-1≠0) в R - ичной системе счисления с m значащими цифрами, а B=±br…b2b1 – целочисленный порядок цисла (bi ≤ R-1) [5].

Известные методы вычислительной техники позволяют достаточно просто обеспечить, в отличие от аналоговых технологий, любую требуемую точность представления и обработки цифровых результатов измерений определённой значности. Тем самым в цифровых измерительных системах гарантируется сохранение точности результатов измерений не только на выходе цифровых измерительных каналов, но и после различных промежуточных цифровых преобразований на выходе измерительных систем [2].

Хранение и передача результатов измерений в цифровых измерительных системах

В цифровых измерительных системах результаты измерений не только подвергаются той или иной арифметической обработке, но хранятся в цифровой памяти и передаются по линиям или каналам связи между разными компонентами системы для выполнения в них различных операций.

Точность машинного представления (хранения) этих данных на входе системы должна соответствовать точности этих данных, то есть быть не ниже её. Точность представления промежуточных данных зависит от вида и количества выполняемых арифметических операций и может быть определена стандартными методами вычислительной техники [2].

Передача данных в цифровых системах производится по цифровым интерфейсам (например, по интерфейсам физического уровня RS-232, RS - 485) с протоколами, имеющими, как правило, многоуровневую архитектуру. На каждом уровне обеспечивается защита данных от искажений за счёт применения дополнительных контрольных разрядов и защитных кодов. В процессе приёма данных выполняется их контроль на наличие ошибок, а также используются другие методы обеспечения целостности данных. В том случае когда измерительные данные накапливаются и хранятся длительное время в точке измерения (в цифровой памяти средства измерений), одним из наиболее эффективных методов обеспечения их достоверности при передаче в другие цифровые компоненты системы является метод повторных запросов и сравнения их результатов.

Операции арифметической обработки, хранения и передачи данных в цифровых измерительных системах обладают высокой стабильностью во времени и высокой достоверностью, которую, как и точность вычислений, можно повысить за счёт дополнительной обработки. Если для средств измерений метрология использует понятие межповерочного интервала, что связано с меняющейся во времени метрологической стабильностью этих средств, то для цифровых неизмерительных компонентов их метрологическая стабильность постоянна во времени в течение всего срока службы и поэтому не требует периодических поверок (межповерочный интервал равен сроку службы компонента) [2].

В современных цифровых измерительных системах почти все виды преобразований, данных за пределами измерительных каналов, выполняются в микропроцессорных неизмерительных компонентах (PLC и PC) программным путём. Для цифровых систем, если отлаженная программа обработки или передачи данных работает, то она работает всегда и одинаковым образом, пока работает соответствующее техническое средство. Программы «не ломаются» (хотя недоотлаженные программы и могут работать с ошибками, но это не является проблемой метрологии). Таким образом, долговременная стабильность цифровых компонентов достигается, в том числе, и за счёт их программного обеспечения.

Цифровые измерения

Цифровой результат измерения физической величины — значение величины, полученное путём её измерения, представленное в позиционной системе счисления в виде рационального числа определённого формата с известной точностью и достоверной вероятностью [6].

В современных технических системах используются преимущественно двоичная, восьмеричная, шестнадцатеричная и десятичная (или двоично-десятичная) системы счисления и два формата представления рациональных чисел: с фиксированной и с плавающей запятой (точкой) [6].

Цифровой результат измерения может храниться в регистре, в памяти (базе данных), передаваться по интерфейсу, отображаться на табло, выдаваться на печать, на другие аудио-и видеосредства отображения и документирования данных [6].

Цифровое измерение физической величины - измерение, результат которого является цифровым результатом [6].

Любое измерение оканчивается там и тогда, где и когда появляется цифровой результат измерения, независимо от его дальнейшего использования. Операции последующих преобразований цифровых результатов измерений не являются измерением, а относятся к операциям неизмерительного назначения (хранения, передачи, вычисления и т. п.) [6].

Цифровое средство измерений — средство измерений, выполняющее цифровое измерение.

Цифровой измерительный канал — цепь последовательно соединённых средств измерений, образующих путь прохождения измерительной информации от входа цепи к выходу и предназначенных для измерения одной физической величины с представлением результатов её измерений на выходе измерительного канала в цифровом виде [6].

Цифровая измерительная система — совокупность цифровых измерительных каналов и иных технических средств неизмерительного назначения, объединённых единым алгоритмом функционирования, предназначенная для измерений, а также выполнения иных операций неизмерительного назначения с целью определения значений одной или нескольких физических величин или их функций.

В цифровой измерительной системе все измерительные каналы являются цифровыми.

К техническим средствам неизмерительного назначения относятся средства, не выполняющие измерений. Такими средствами, в частности, являются компьютер (в том случае, если он не реализует с помощью встроенных в него технических средств аналого-цифровых и дискретно-цифровых измерительных преобразований входных сигналов), цифровой накопитель (цифровая память), монитор, принтер, модем, каналы и линии связи и другие устройства.

Датчики

Измерительные приборы в большинстве своем состоят из датчика (измерительного преобразователя), преобразователя сигнала в аналоговую или цифровую форму и устройства интерфейса прибора с компьютером и контроллером. Поэтому появляются дополнительные возможности, например статистическая обработка результатов, возможность проведения измерений в динамическом режиме, а также многие сервисные возможности в зависимости от программного обеспечения процедуры измерений. Компьютер и контроллер может также управлять процессом измерений.

Измерительное  устройство или датчик состоит из двух частей – измерительной головки и преобразователя. Выходной сигнал преобразователя  как правило электрический, однако часто встречаются и пневматические датчики. Главное преимущество электрических датчиков заключается в гибкости и разнообразии способов обработки сигнала. Электрический сигнал можно передавать на большие расстояния с очень малыми затратами энергии.

Рис.2.1 Составные элементы датчика

Классификация датчиков:

аналоговые датчики (вырабатывают аналоговый сигнал); цифровые датчики (генерируют последовательность импульсов или двоичное слово); бинарные датчики (вырабатывают сигнал только двух уровней: «включено / выключено», то есть 0 или 1). Передача измерительных сигналов

Аналоговые сигналы, вырабатываемые измерительными устройствами, обычно необходимо так или иначе преобразовать прежде, чем ввести их в компьютер. При передаче аналоговых сигналов существуют некоторые проблемы, обусловленные электрическими возмущениями. Сигнал, который передается от датчика по электрическому проводнику, может подвергнуться зашумлению под влиянием среды из-за нежелательных связей резистивного, индуктивного или емкостного характера. Этот шум может исказить исходный сигнал.

Сигналы, вырабатываемые датчиками, имеют низкий уровень, поэтому для дальнейшей передачи их нужно обработать и усилить. Уровни сигнала и импедансы выхода датчика, кабеля и входа компьютера должны соответствовать друг другу. Обработка сигнала для достижения этого соответствия называется согласованием сигнала. Уровень выходного сигнала датчика должен быть достаточно высок, с другой – входной импеданс компьютера должен быть значительно больше по сравнению  с выходным импедансом системы «датчик – измерительный преобразователь». Для согласования уровней сигналов и величин импедансов между выходом датчика и входом компьютера устанавливаются операционные усилители с обратной связью [5].

Еще одной важной практической проблемой являются наводки. Любое электронное устройство способствует возникновению электрических возмущений. Если две электрические цепи по тем или иным причинам расположены недалеко друг от друга, то изменение тока или напряжения в одной цепи вызывает также изменения тока и напряжения в другой. Проблемы с электрическими наводками можно решить с помощью экранирования цепей и заземления. Выбор способа передачи сигнала (напряжение, ток или свет) зависит от устойчивости к наводкам и шумам.

Чтобы создать для электронного оборудования среду, максимально свободную от наводок, постоянно проводится множество исследований и разработок. Их задачей является достижение электромагнитной совместимости (ЕМС) в рамках электрических цепей, а также между различными цепями и системами. Электрический прибор должен быть нечувствительным к внешним помехам и не должен генерировать помех, которые могут оказать влияние на другое оборудование [5].

Для уменьшения влияния электромагнитных наводок на измерительное оборудование нужно снизить интенсивность источника помех и уменьшить другие помехообразующие факторы (гальваническая связь, расстояние до источника помех, частотный спектр помех).

Для уменьшения влияния емкостных связей необходимо: применять экранированный кабель и минимизировать длину неэкранированных участков на концах кабеля. Влияние магнитных связей можно уменьшить используя витой кабель (уменьшается площадь магнитного потока), подключая несколько датчиков, использовать для кажного из них свою витую пару, прокладывая силовые и сигнальные кабели отдельно, пересечение низковольтных и высоковольтных кабелей под прямым углом [5].

Характеристики датчиков Погрешность, точность и нелинейность

Точность (accuracy) определяет разницу между измеренной и действительной величиной; она может быть отнесена к датчику в целом или к конкретному его показанию. Разрешение (resolution) – это наименьшее отклонение измеряемой величины, которое может быть зафиксированно и отражено датчиком. Точность датчика зависит не только от его аппаратной части, но и от остальных элементов измерительного комплекса. Погрешность (ошибка) измерения (measurement error) определяется как разница между измеренной и действительной величинами. Поскольку действительная величина неизвестна, в произвольном случае оценку точности можно сделать на основе эталонных измерений или углубленного анализа данных [5].

Ошибки измерения можно классифицировать и, соответственно, моделировать как детерминированные (или систематические) и случайные (или стохастические). Детерминированные ошибки связаны с неисправностью датчика, нарушением условий его применения или процедуры измерений. Эти ошибки повторяются при каждом измерении. Типичная систематическая ошибка — это смещение показаний (reading offset) или сдвиг (bias). В принципе, систематические ошибки устраняются при поверках (calibration). Случайные ошибки, напротив, могут иметь самое разное происхождение. В большинстве случаев — это влияние окружающей среды (температуры, влажности, электрических наводок и т. п.). Если причины случайных ошибок известны, то эти ошибки можно компенсировать. Часто влияние возмущений характеризуют количественно такими параметрами, как средняя ошибка (mean error), среднеквадратичная ошибка (mean quadratic error) или стандартное отклонение (standard deviation) и разброс (variance) либо погрешность ([un] precision) [5].

Рис. 2.2 Иллюстрация смещения, погрешности и точности

Разница между систематической и случайной ошибками иллюстрируется рис. 2.2. Центр каждой мишени представляет собой истинное значение измеряемой величины, а каждая точка — это измерение. Сумма измерений характеризуется смещением и разбросом. Для хорошей точности обе характеристики должны быть малы.

На рис. 2.2. а и в представлены смещенные результаты. Стандартное отклонение или разброс результатов отдельных измерений является мерой погрешности. Датчик c хорошей повторяемостью результата (или малой случайной ошибкой) имеет, очевидно, хорошую случайную погрешность, но не обязательно дает правильную выходную величину, поскольку сдвиг может существенно исказить результат, т. е. точность датчика невелика. Результаты измерений на рис. 2.2. б и г имеют малую погрешность, но только результат, показанный на рис. 2.2. г, является точным.

Центр каждой мишени представляет собой истинное значение измеряемой величины, а точки — результат измерений. На диаграммах справа истинная величина представлена прямой линией, на которую наложены результаты измерений. Точность измерения зависит как от смещения, так и от разброса [5]:

а - большое смещение + большой разброс = низкая точность;

б - малое смещение + большой разброс = низкая точность;

в - большое смещение + малый разброс = низкая точность;

г - малое смещение + малый разброс = высокая точность.

Статические характеристики датчиков

Статические характеристики датчика показывают, насколько корректно выход датчика отражает измеряемую величину спустя некоторое время после ее изменения, когда выходной сигнал установился на новое значение. Важными статическими параметрами являются: чувствительность, разрешающая способность или разрешение, линейность, дрейф нуля и полный дрейф, рабочий диапазон, повторяемость и воспроизводимость результата [5].

Чувствительность (sensitivity) датчика определяется как отношение величины выходного сигнала к единичной входной величине (для тонких измерительных технологий определение чувствительности может быть более сложным).

Разрешение (resolution) — это наименьшее изменение измеряемой величины, которое может быть зафиксировано и точно показано датчиком.

Lineaarsus – analььtiliselt ei ole kirjeldatav, kuid selle mддratakse sхltuvalt anduri gradueerimisel saadud kхverast. Staatiline gradueerimiskхver nдitab vдljundsignaali sхltuvuse sissendsignaalist statsionaartingimustel. Selle kхvera kokkulangevus sirgjoonega mддrab anduri lineaarsust. Maksimaalne  hдlbe lineaarsхltuvusest esitatakse protsentides.

Линейность (linearity) не описывается аналитически, а определяется исходя из градуировочной кривой датчика. Статическая градуировочная кривая показывает зависимость выходного сигнала от входного при стационарных условиях. Близость этой кривой к прямой линии и определяет степень линейности. Максимальное отклонение от линейной зависимости выражается в процентах.

Статическое усиление (static gain) или усиление по постоянному току (d. c. gain) — это коэффициент усиления датчика на очень низких частотах. Большой коэффициент усиления соответствует высокой чувствительности измерительного устройства.

Дрейф (drift) определяется как отклонение показаний датчика, когда измеряемая величина остается постоянной в течение длительного времени. Величина дрейфа может определяться при нулевом, максимальном или некотором промежуточном значении входного сигнала. При проверке дрейфа нуля измеряемая величина поддерживается на нулевом уровне или уровне, который соответствует нулевому выходному сигналу, а проверка дрейфа на максимуме выполняется при значении измеряемой величины, соответствующем верхнему пределу рабочего диапазона датчика. Дрейф датчика вызывается нестабильностью усилителя, изменением окружающих условий (например, температуры, давления, влажности или уровня вибраций), параметров электроснабжения или самого датчика (старение, выработка ресурса, нелинейность и т. д.).

Anduri tцц - ehk mххtevahemik on mддratav anduri vдljundsignaali minimaalse ja maksimaalse vддrtustega.

Рабочий диапазон (operating range) датчика определяется допустимыми верхним и нижним пределами значения входной величины или уровня выходного сигнала.

Повторяемость (repeatability) характеризуется как отклонение между несколькими последовательными измерениями при заданном значении измеряемой величины в одинаковых условиях, в частности приближение к заданному значению должно происходить всегда и либо как нарастание, либо как убывание. Измерения должны быть выполнены за такой промежуток времени, чтобы не проявлялось влияние дрейфа. Повторяемость обычно выражается в процентах от рабочего диапазона.

Воспроизводимость (reproducibility) аналогична повторяемости, но требует большего интервала между измерениями. Между проверками на воспроизводимость датчик должен использоваться по назначению и, более того, может быть подвергнут калибровке. Воспроизводимость задается в виде процентов от рабочего диапазона, отнесенных к единице времени (например, месяцу).