Цифровые измерительные приборы и системы

 

Основные преимущества цифровых средств измерения – высокая точность измерения и возможность их автоматизации. На морских судах они представлены двумя разновидностями:

- цифровые измерительные приборы;

- информационно-измерительные системы.

Основным блоком цифрового средства измерения является аналого-цифровой преобразователь, определяющий метрологические характеристики, быстродействие и другие параметры. Существует несколько вариантов построения АЦП. Наиболее часто используются:

- частотно-импульсный, низкое быстродействие на уровне секунд, применяется в цифровых частотомерах и в специальных судовых информационно-измерительных системах;

- время-импульсный, среднее быстродействие, применяется в цифровых вольтметрах,

- кодо-импульсный, наиболее быстродействующий, применяются в составе микропроцессорных систем управления.

В наиболее общем виде структурная схема цифрового средства измерения представлена на рис. 4.24.

Аналоговая измеряемая величина может быть различной по своей природе: напряжение U, частота f, сопротивление R, температура t ^о С и т.д. В измерительном преобразователе (ИП) она преобразуется, как правило, в уровень постоянного напряжения U, т.е. унифицируется. Это напряжение преобразуется АЦП в цифровой код. Если этот код подается на цифровой индикатор, для восприятия его человеком, то такое средство измерения именуется обычно цифровым измерительным прибором. Однако, в большинстве случаев представленная на рис. 4.24 схема является составной частью информационно-измерительных систем. При этом код, вырабатываемый АЦП поступает на дальнейшую обработку, обычно в микроЭВМ.

 

Структурная схема цифрового средства измерения

Рис. 4.24

 

Представление о принципах построения цифрового измерительного прибора дает схема рис. 4.25, используемая в качестве цифрового тахометра при измерении частоты вращения гребного вала судна. Тахометр можно рассматривать как разновидность цифрового частотомера.

 

Структурная схема цифрового тахометра

Рис. 4.25

 

На гребном валу, вращающемся с частотой "n", закреплено определенное число "k" штифтов. В простейшем случае штифт выполняется в виде накладки на поверхность вала. Каждое прохождение штифта возле датчика Д формирует на его выходе импульс. Частота этих импульсов f_x, Гц пропорциональна частоте вращения вала и связана с ней соотношением f_x = kn /60, где 60 – коэффициент, учитывающий разные единицы измерения: f_x – Гц, n – 1/мин.

Аналого-цифровой преобразователь частотно-импульсного типа включает в себя генератора образцовой частоты (ГОЧ) f ₀, делитель частоты (ДЧ), электронный ключ, счетчик. ГОЧ непрерывно вырабатывает сигнал неизменной частоты f ₀, для чего в нем использован кварцевый резонатор. Эта частота делится в ДЧ, на выходе которого формируется неизменный по длительности импульс счета t _сч (рис. 4.26). Этот импульс открывает электронный ключ, на вход счетчика поступает импульсы f_x и подсчитываются им. Счетчик формирует цифровой код N, поступающий на цифровой индикатор. По окончании t _сч цифровой код сформирован и в течение некоторого времени индикации удерживается на индикаторе.

 

Диаграмма сигналов цифрового тахометра

 

Рис. 4.26

 

Периодичность измерения задается устройством управления, которое перед каждым импульсом t _сч сбрасывает счетчик и показания индикатора в нулевое состояние.

Таким образом, принцип действия данного средства измерения состоит в подсчете импульсов измеряемой частоты f_x за фиксированный интервал времени t _сч . Чем больше будет частота вращения n, тем большее число импульсов f_x с периодом 1/ t _х пройдет в счетчик за время счета. Показания частотомера (число N) связаны с его параметрами соотношением:

.

Если принять t _сч=1 с, а число штифтов k =60, то N = n, т.е значение кода, высвечиваемое цифровым индикатором, будет численно соответствовать частоте вращения n, выраженной в 1/мин. Возможны и другие соотношения между k и t _сч, от которых зависит относительная погрешность измерения частоты вращения:

.

Например, если t _сч=1 с, k =60 и N =100 1/мин, то получим d = ± 1%. Погрешность может быть снижена увеличением t _сч и числа штифтов k.

Цифровые средства измерения могут быть выполнены на ранее рассмотренных традиционных электронных устройствах (счетчики, логические элементы и т.д.). Так, в схеме рис. 4.25 в качестве датчика может использоваться фотоэлектронный датчик (рис. 1.28), в котором штифты выполняют роль контролируемой среды. Для усиления и формирования импульсов с датчика обычно применяют компаратор с гистерезисом (рис. 2.26). Принципы и схемы построения ГОЧ рассмотрены в разделе 2.8. В качестве ключа обычно используются логический элемент "И". Счетчик и ДЧ строятся на триггерах. В качестве цифрового индикатора может использоваться любой из рассмотренных в разделе 1.8.

Если автоматизация судна выполнена на основе микроЭВМ, а также при выполнении сложных измерения с последующей обработкой их результатов большинство блоков цифрового средства измерения реализуются в ЭВМ, программно. Так, в схеме рис. 4.25 алгоритм работы и все блоки тахометра, кроме датчика, могут быть реализованы средствами ЭВМ.

 

⇐ Предыдущая15161718192021222324Следующая ⇒

Поделиться: