Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и сравнительный анализ цифровых измерительных средств для определения состава и свойств веществ и методов их проектирования. постановка задачи исследования 11
1.1. Обзор цифровых измерительных средств для определения состава и свойств веществ 11
1.1.1. Цифровые измерительные средства с жесткой структурой.. 11
1.1.2. Цифровые измерительные средства с перепрограммируемыми связями 18
1.1.3. Функциональные аналого-дискретные и дискретные преобразователи 21
1.2. Обзор методов проектирования цифровых измерительных средств 28
1.2.1. Эвристические методы синтеза 29
1.2.2. Полуэвристические методы .синтеза 30
1.2.3. Аналитические методы синтеза 34
1.3. Сравнительный анализ цифровых измерительных средств и методов их проектирования. Постановка задачи 36
Выводы 38
2. Разработка инженерной методики проектирования измерительно-вычислительных средств 39
2.1. Задача составления математической модели совокупных измерений 39
2.1.1. Математическая модель процесса измерения 40
2.1.2. Математическая модель прямых измерений 46
2.1.3. Математическая модель совокупных измерений «... 48
2.2. Оптимизация математической модели прямых измерений 53
2.2.1.Задача оптимизации математической модели 54
2.2.2.Схемы преобразователей в фазовых координатах 57
2.2.3.Получение системы разностных уравнений преобразователей.58
2.2.4. Оптимизация математической модели измерительно-вычислительного прибора по точности 61
2.2.5.Оптимизация математической модели измерительно-вычислительного прибора по быстродействию 65
2.3. Построение структурной схемы измерительно-вычислительного средства 67
2.3.1.Математическая модель обобщенной структуры измерительно-вычислительного средства 68
2.3.2.Математические модели трех типов измерительно-вычислительных средств 71
2.3.3.Обобщенная структурная схема измерительно-вычислительного средства 73
2.4. Инженерная методика проектирования измерительно-вычислительных средств 76
Выводы 80
3. Применение инженерной методики при составлении математических моделей измерений 82
3.1. Математические модели прямых измерений 82
3.1.1.Дискретно-импульсные преобразователи 82
3.1.2.Аналого-импульсные преобразователи 91
3.2. Математические модели процессов измерения 96
3.2.1.Процесс электрофизического измерения 98
3.2.2.Процесс теплофизического измерения 101
3.2.3.Процесс электрохимического измерения 103
3.3. Математические модели совокупных измерений,алгоритмы определения состава и свойств веществ 107
3.3.1. Электрофизические измерения
3.3.2. Теплофизические измерения 110
3.3.3. Электрохимические измерения 112
Выводы 115
4. Измерительно-вычислительные средства для определения состава и свойств веществ 117
4.1. Способы построения измерительно-вычислительных средств 117
4.2. Обобщенная структурная схема измерительно-вычислительного средства 120
4.3. Измерительно-вычислительные системы 127
4.3.1. Система для определения электрофизических характеристик 127
4.3.2. Система для определения теплофизических характеристик 132
4.4. Измерительные микропроцессоры 139
4.4.1. Аналого-импульсный микропроцессор 139
4.4.2. Импульсный измерительный микропроцессор 145
Выводы 150
Заключение 152
Литература 155
Приложение I 163
- Функциональные аналого-дискретные и дискретные преобразователи
- Оптимизация математической модели измерительно-вычислительного прибора по точности
- Математические модели совокупных измерений,алгоритмы определения состава и свойств веществ
- Обобщенная структурная схема измерительно-вычислительного средства
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 годэ предусматривается "повысить технический уровень, качество средств автоматизации и приборов". Для решения поставленной задачи развитие средств измерений должно осуществляться опережающими темпами [ I] .
Особое влияние на развитие измерительной техники оказывает появление средств с перепрогрзммируемой стрзгктурой, среда которых для определения состава и свойств веществ в процессе лабораторных и ПОЛЄЕЬГХ исследований, экспресс-измерений при массовом производстве наибольшее применение получили измерительно-вычислительные средства (ИВС). Использование для этих целей измерительных средств с жесткой структурой ограничивается рядом трудностей. С одной стороны, это сложность реализации техническими средствами математической модели процесса измерения, связывающей измеримые физические величины с параметрами объекта недоступными для измерения; необходимость линеаризации по соответствующему алгоритму сигналов первичных измерительных преобразователей; оперативная коррекция управляющих сигналов и результатов измерения; изменение диапазона в заданных пределах измерения; хранение и обработка результатов измерения и т.д. С другой стороны, средства для определения состава и свойств веществ должны быть простые, удобные и надежные в эксплуатации для экспресс-измерений, мэлоэнергоемкие, компактные, иметь невысокую стоимость и т.д. Попытки создания многофункциональных универсальных измерительных средств с жесткой структурой приводят к техническим противоречиям между быстродействием и точностью, стоимостью и аппаратурными затратами, надежностью и быстродействием и т.п.
Таким образом, сложная схемная иерархия, узкая специализация, внушительные габариты и вес, относительно низкие метрологические характеристики измерительных средств с жесткой структурой делают их малоэффективными для оперативного определения состава и свойств веществ в полевых, лабораторных и заводских условиях, приводят к моральному старению информации, непроизводительной трате энергетических, материальных и интеллектуальных ресурсов.
Решение существующих противоречий возможно лишь с помощью де -репрогрэммируемых цифровых измерительных средств - измерительно-вычислительных средств. Однако до настоящего времени в нашей стране и за рубежом вопросы разработки и исследовашш ИВС для определения состэвэ и свойств веществ находятся в стадии развития. Рэзрэ-ботку ИВС сдерживают малоэффективные для рэсчетэ методы проектирования сложных ЩЕфровых измерительных средств.
Следовательно, разработка ИВС для определения СОСТЭЕЭ И свойств вещестЕ и инженерной методики их расчета ЯЕЛЯЄТСЯ для современного развития измерительной техники насущной задачей, что подтверждает актуальность настоящей научно-исследовательской работы.
Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании измерительно-вычислительных средств для определения состэвэ и свойств веществ с заданной степенью точности или быстродействием, разработка рекомендаций и создание инженерной методики проектирования ИВС.
Для достижения поставленной цели необходимо:
- провести обзор и сравнительный энэлиз цифровых измерительных средств и методов их проектирования с позиций обеспечения заданной точности и быстродействия ИВС при определении состава и свойств веществ;
- разработать методику инженерного рэсчетэ ИВС с зэдэнной точностью и быстродействием;
- построить на основе методики инженерного расчета техническое и программное обеспечение ИВС и её составных частей: функциональных энэлого- и дискретнс-шлпульсных преобрэзовэтелей (АИЛ и и ДИП);
- создать ИВС для разбраковки материалов по удельному электросопротивлению, для определения теплофизических характеристик " материалов, для определения состава и свойств электролитов;
- осуществить экспериментальную проверку результатов проектирования ИВС, внедрение ОКР в промышленное производство и выявить пути повышения качества определения состава и свойств веществ.
Методы исследований основываются на использовании вариационного исчисления (метода оптшмзации), методов проектирования,микросхемотехники, теории погрешностей. Для проверки теоретических положений использованы физическое моделирование и макетирование.
Ожидаемые научные результаты диссертационной работы заключаются Е следующем:
- распространение для синтеза ИВС методов теории автоматического управления, учитывающих многомерность и нелинейность иглпульс-ных цифровых систем, получение модели структуры ИВС оптимальной по точности и быстродействию;
- создание методики инженерного расчета ИВС и её составных частей аналоге- и дискретно-импульсных преобразователей;
- разработка на основании анализа результатов синтеза моделей ИВС способов преобразования с заданной точностью и быстродействием энэлого-, число-, кодо-импульсного сигналов;
- построение обобщенной структуры ИВС;
- разработка структур АИЛ и ДИП заданной точности и быстродействия .
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений .
Первая глава посвящена исследованию современного состояния техники измерения СОСТЭЕЭ и свойств веществ. В главе формулируются требования, предъявляемые к современным средствам измерения соста - 10 ва и свойств веществ, производится обзор и сравнительный анализ существующих методов проектирования цифровых измерительных средств, формулируются требования к ИВС определения состава и свойств веществ, определяется задача исследования.
Во второй главе разрабатывается инженерная методика проектирования измерительно-вычислительных средств, в основу которой положен метод оптимизации. Инженерная методика предполагает решение исходной задачи в три этапа: создание математической модели процесса измерения с заданным быстродействием, расчет математической модели прямых измерений с заданными точностью и быстродействием и построение математической модели ИВС совокупных измерений с заданными характеристиками.
Третья глава посвящена созданию и расчету математических моделей энэлого- и дискретно-импульсных преобразователей прямых измерений, математических моделей электрофизического, теплофизического и электрохимического процессов измерения, составлению математических моделей совокупных измерений трех типов процессов.
В четвертой главе приводятся способы построения и обобщенная структурная схема ИВС. Разрабатываются измерительно-вычислительные системы для определения электрофизических, теплофизических и электрохимических характеристик веществ.
В приложениях приведены акты об использовании разработанных ИВС в народном хозяйстве, конкретные схемы АИП и ДИЕТ, используемые при создании ИВС, таблицы экспериментальных данных погрешностей измерения и программы математического обеспечения ИВС.
Автор выражает благодарность за оказанную научную консультацию кандидату наук, доценту ТИХМэ Герасимову Борису Ивановичу.
Функциональные аналого-дискретные и дискретные преобразователи
Функциональные энэлого-дискретные преобразователи служат для формирования из измеряемой непрерывной физической величины дискретного эквивалента: числа импульсов,частоты, широтно-, время-импульсного сигнала с последующим представлением по соответствующей функциональной зависимости в код. Все энэлого-дискретные преобрэзовэте-ли по способу представления сигнала можно разделить на аналого-цифровые (АЦП) и энэ лого-импульсные (МП) [ 27-32] .
Наиболее дешевыми, простыми и эффективными при создэнии недорогих переносных измерительных приборов являются АИЇЇ - преобразователи анэлогового сигнала Е импульсы: частоту, широту, время, число.
АИП по схемному решению строятся на компараторах (КАШІ), таймерах (ТАИЛ), генераторах (ГАЙП) и интеграторах (ИАИП).
На рис.1.2 показана структурная схема компэрэторного АИП со счетчиком [27] . Аналоговый сигнал сравнивается с опорным линейно-возрастающим сигналом. Пилообразный сигнал может формироваться интегратором из П-обрэзных импульсов мультивибратора или ступеньками посредством преобразователя код-аналог. В момент сравнения измеряемого и линейновозрзстэющего сигнала компаратор переключается, при этом прекращается поступление на вход счетчика импульсов опорной частоты, следующих с момента появления пилообразного сигнала. Блоки КАИН устанавливаются в исходное состояние спадом /-го тактового импульса, а ( /+ 1)-й цикл осуществляется при появлении ( 1+1) -го управляющего импульса. За каждый цикл в счетчике код пропорционален измеряемому напряжению. Основным недостатком КАШІ является наличие двух напряжений питания, от этого недостатка свободны ТАИЛ.
АИЛ широтного и частотного типов можно построить на базе таймера, если схема включения таймера соответствует режиму ждущего мультивибратора. Период запускающего напряжения (рис.1.3) остается постоянным, но ширина выходных импульсов оказывается пропорциональной амплитуде управляющего напряжения [ 27] . Схема ТАШ (рис.1.4) построена на базе тэймерэ-мультивибрэторэ. Если управляющее напряжение меняется медленно, то ТАШ работает как преобразователь напряжение-частота.
В АИЛ последовательного счета может использоваться принцип промежуточного преобразования входного (управляющего) напряжения в частоту следования импульсов. В простейшем варианте такого ГАЖІ входное напряжение поступает на генератор импульсоЕ, частота следования которого прямопропорциональна входному напряжению (рис.1.5). Далее с помощью счетчика производится подсчет числа импульсов за фиксированный! интервал времени.
Реализация такого ГАШІ затрудняется присутствием постоянной составляющей в показаниях, т.к. от нуля частота изменяется по нелинейному закону, существованием широкого предела изменения частоты для обеспечения требуемого динамического диапазона преобразования и наличием невысокой линейности характеристики генератора в широком диапазоне для получения заданной точности преобразования. Поэтому реально используется вариант ГАИП, в котором применены два генератора [II,27] . Частота одного из них пропорциональна значению входного напряжения, а второго постоянна и соответствует наименьшему значению частоты первого генератора, выбранной в качестве точки отсчета на линейном участке. Для определения кода выделяется разностная частота, которая регистрируется в счетчике за фиксированный временной интервал. Обычные методы построения ГАМ не могут обеспечить высокую точность (погрешность не лучше 0,1 %) , поэтому строят генераторы с использованием интеграторов [ 27] .
В КАШ интегратор включен в замкнутую систему регулирования частоты следования импульсов (рис.1.6). ЙАЙП осуществляет вычисление вольт-секундной площади неизвестного сигнала, т.е. формирует на выходе значения определенных интегралов, вычисляемых по значению функции неизвестного напряжения в заданных временных интервалах или работает как аналого-цифровой интегратор [27] . РШШ обладают практически всеми достоинствами компенсационных интегрирующих преобразователей в отношении точности измерения постоянных уровней напряжения и помехоустойчивости.
Развитие измерительной техники привело к появлению функциональных АИЇЇ - ФАЙЛ, где код связан функциональной зависимостью с входным напряжением.
Относительная погрешность ФАЙЛ лежит в пределах 0,1 - I % и ограничивается как инструментальными погрешностями элементов, так и стабильностью их параметров. Кроме того, классические ФАЙЛ имеют узкий диапазон преобразования и низкое быстродействие, ограниченное фиксируемой частотой внешнего генератора.
Повышение метрологических характеристик ФАЙЛ является решающим в создании измерительного тракта ИВС.
Вычислительные, управляющие и корректирующие функции ИВС возложены на функциональные дискретно-импульсные преобразователи (ФДЩ) [32-40] . ФДШ - это дискретные преобразователи с жесткими структурными. связями,реализующие математические операции по заданному алгоритму. ФДШ предназначены для обработки информации в частотно-,.число- и кодо-импульсной форме. Основным узлом ФДШ является делитель частоты (ДЧ) и умножитель частоты (УЧ), осудествляющие преобразование фиксированной частоты тактового генератора по жесткому алгоритму.
Делители частоты [ 36] строятся по двум основным функциональным схемам (рис.1.7) и реализуются на двоичных счетчиках (Сч). Алгоритм работы ДЧ основан на делении исходной частоты тактового генератора на программируемый коэффициент.
Недостатком ДЧ на двоичных счетчиках является деление исходной частоты на дробный коэффициент, поэтому выходная частота всегда меньше частоты генератора. Вторым недостатком ДЧ является неравномерная последовательность импульсов.
Более высокими качествами обладают ДЧ и 74, синтезированные на базе сдвиговых регистров. Несмотря на то, что сдвиговые регистры из-за использования позщионного унитарного кода требуют ячеек &п (для счетчиков - л ), принципиальные схемы ДЧ и УЧ получаются при меньших аппаратурных затратах, чем на счетчиках. Это обусловлено применением более простых схем сравнения (дешифзрэторов), либо их отсутствием. Кроме того, такие УЧ и ДЧ имеют повышенное быстродействие .
На базе ДЧ и УЧ по соответствующим алгоритмам проектируются вычитающие устройства [36, 89, 90] , линии задержки [76, 85] , множительные устройства [33-36, 87, 96 ] , степенные преобразователи [79,86,88,91] , логарифмические, тригонометрические и другие функциональные дискретные преобразователи [80-84] . Из множества ФДШ необходимо выделить управляемый делитель частоты (УДЧ). Это ДЧ с перепрограммируемым кодом (рис.1.7), осуществляющий преобразование частоты в код,задержку импульсов [36,83,84] .
Оптимизация математической модели измерительно-вычислительного прибора по точности
Математическая модель L прямых измерений сопоставляется прямым измерениям параметров X исследуемого объекта.Непосредственно можно измерять ток,напряжение,температуру и т.д.В зависимости от способа преобразования сигнала измерительной информации физические величины регистрируются по амплитуде, частоте, фазе. Перспективными в настоящее время являются анэлого-импулъснре, частотно-, число-, кодо-импульсное преобразования, что обусловлено обработкой сигнала с помощью вычислительного устройства - микропроцессора. Математическая модель прямых измерений может быть реализована -программными и техническими средствами. Алгоритм прямого измерения J находится из математической модели L и способа преобразования F измерительной информации J=J(,F) Технические средства S также определяются моделью Z и способом F , т.е. S = S ( I, F ) . Совокупность технического S и программного J обеспечения представляет вариант А измерительно-вычислительного прибора (ИВП) А = / , J г . Если прямые измерения реализуются с помощью жесткой структуры, функционирующей по алгоритму J , то результатом проектирования является специализированный цифровой измерительный прибор СЦИП, выполненным на преобразователях информации ( 4.2). Вторым вариантом монет быть ИВП, выполненный на измерительном микропроцессоре, созданном в процессе проектирования :( 4.4). Применение для регаения постэвленной задачи выпускаемого серийно микрокалькулятора приводит к третьему варианту ИВП, в котором разработчик проектирует устройства сопряжения и ввода - вывода с микрокалькулятором ( 4.3). В процессе проектирования ИВП решается задача метрологического обеспечения прямых измерений, что достигается с помощью коррекции параметров математической модели L прямых измерений по точности и быстродействию. Математическая модель L прямых измерений связывает измеримые параметры X исследуемого объекта и вектора активного воздействия U с вектором коррекции U :
Математическую модель L прямых измерений для импульсных систем можно найти в работах [27-40] или получить, используя настоящую методику инженерного проектирования (см. 2.2.).
Данная методика позволяет в соответствии с выбранной структурой ИВП для заданного прямого измерения построить математическую модель L прямых измерений и скорректировать её параметры по выбранному критерию качества (точности или быстродействия), получить модель , по которой выбрать структурную схему и алгоритм прямых измерений ИВП для определения измеримых параметров объекта с заданной степенью точности и быстродействием. Основнышт пунктами второго этапа являются: 1. Выбор по заданному способу преобразования Г сигнала струк-турной схемы,реэлизутощеи прямые измерения, определяемые техническим заданием или целью научного исследования. 2. Нахождение из литературных данных передаточной характеристики выбранной структуры и построение математической модели прямых измерений или в соответствии с предлагаемой методикой инженерного проектирования ( 2.2) построение искомой модели в виде системы дифференциальных (или разностных) уравнений. 3. Выбор критерия качества в соответствии с ограничениями из технического задания [27,56,57] . 4. Расчет математической модели прямых измерений по выбранному критерию известными методами ( 1.2) или в соответствии с предлагаемой методикой ( 2.2) методом оптимизации. 5. Построение структурной схемы ИВП в соответствии с полученной математической моделью: а) в виде жесткой структуры ( 4.2), б) на базе серийно-выпускаемого микрокалькулятора ( 4.3) или в) измерительного микропроцессора ( 4.4). Из сравнения пунктов I и II этапов проектирования ШС можно видеть одинаковые подходы , используемые для нахождения математических моделей процесса измерения с заданным быстродействием її и прямых измерений с заданной точностью и быстродействием L . Последние пункты этих этапов можно выполнять тэкже после построения математической модели М совокупных измерений скорректированной по заданным критериям. Одним из путей нахождения требуемой модели является литературно-техническая информация [27-40] или оптимизация по заданному критерию качества полученной расчетным путем математической модели совокупных измерений. Б последнем случае коррекция параметров несложной модели осуществляется по стереотипу I или II этапов настоящей методики (см. 2.I.I, 2.1.2). В общем случае математическая модель М совокупных измерений шлеет сложный вид и её можно получить в процессе совмещения найденных по I и II этапам моделей її и L (см. 2.3.1). Полученная таким образом модель М = /# , Zу позволяет измерять с заданным быстродействием и требуется коррекция её параметров по точности. Коррекцию математической модели М по точности предлагается осуществлять с помощью спроектированного вэриэнтэ А = (Р , Aj ШС при поверочных измерениях на материалах с нормированными характеристиками. Поверку ИВС предлагается проводить перед серией экспериментов в соответствии с метрологической аттестацией нестандартного оборудования (ОСТ 92-4229-81).
Рассмотрим методику метрологической аттестации нестандартного оборудования применительно к ИВС для определения состава и свойств веществ с заданной степенью точности и быстродействия. При этом будем учитывать, что математическая модель М совокупных измерений выбрана с заданным быстродействием требуется скорректировать её параметры по точности.
Математические модели совокупных измерений,алгоритмы определения состава и свойств веществ
Структурная схема предлагаемой инженерной методики проектирования ИВС для определения состава и свойств веществ с заданной степенью точности и быстродействия приведена на рис.2.3. Проектирование ИВС начинается с выбора физического процесса исследования в соответствии с целью научной работы или техническим заданием (см. 2.I.I). Он предполагает сбор и анализ научно-технической информации с целью выявления перспективных путей решения поставленной задачи. Па этом уровне формализуется физический процесс, ему сопоставляется в неявном виде математическая модель совокупных измерений. Для поэтапного решения задачи вьщеляїотся математические модели процесса измерения и прямых измерений, определяются задачи проектирования для I и II этапов инженерной методики. На втором уровне предлагаемой методики выбирается способ преобразования сигнала измерительной информации ( 2.1), в соответствии с которым из литературных источников находятся структурные (функциональные,принципиальные) схемы ППП для I этапа и ИВП для II этапа ( 2.2). Первый и второй этапы инженерной методики проектирования ИВС рационально вести параллельно двумя специализированными группами.Выбранные на втором уровне методики структурные схемы ИВП и ППП представляют физические модели,по которым на третьем уровне составляются математические модели процесса измерения и прямых измерений в виде системы дифференциальных или разностных уравнений с начальными и граничными условиями ( 2.2.3).В предположении использования для оптимизации параметров математических моделей методом оптимизации ( 2.2.1) физические модели описываются векторами состояния (измеримыми и определяемыми) и активного воздействия.Математические модели представляют систему дифференциальных (для преобразования сигнала в аналоговой форме) или разностных (для импульсных преобразований) уравнений,описывающих поведение физической модели в динамическом режиме.Соответственно система разностных уравнений отображает перемещение во времени физической модели из к-того в (к +1)-е состояние при поступлении на объект исследования к-того импульса вектора активного воздействия.На этом же уровне I и II этапов инженерной методики выбирается критерий качества ( 2.2.3), причем для 1-го этапа только по быстродействию, а для 11-го этапа также и по точности. Критерий качества представляется суммой квадратов координат векторов состояния физической модели, что позволяет избежать в процессе дальнейших вычислений сложные математические преобразования. Линейный критерий качества или не позволяет получить конечного решения или приводит к неоднозначности результатов в процессе оптимизации математических моделей.
На четвертом уровне предлагаемой методики методом оптимизации рассчитывают параметры математических моделей по выбранным критериям ( 2.2.4, 2.2.5).Причем как было показано в 2.2.5., достаточно провести оптимизацию лишь по одному из критериев (например, по точности) и считать,что параметры математических моделей скорректированы как по точности,так и по быстродействию.Так как математические модели процессов измерения достаточно хорошо изучены, представляется целесообразным в соответствии с предлагаемой инженерной методикой выбирать из литературных источников необходимые модели процессов измерений ( 2.1.1).После получения соответствующих критериям качества математических моделей прямых измерений и процесса измерений на III этапе (пятый уровень)составляется математическая модель процесса совокупных измерений с заданным быстродействием ( 2.3),позволяющая на шестом уровне инженерной методики осуществить разработку схемотехнического и программного обеспечения ИВС оптимальной по быстродействию.Схемное решение КВС может быть реализовано тремя основными путями ( 2.1.2): создание средства с жесткой структурой,функционирующего по расчетному алгоритму измерения - СЦИП; проектирование перепрограммируемых средств на базе выпускаемого промышленностью микрокалькулятора или создание оригинального измерительного микропроцессора.На шестом уровне определяется методика метрологического обеспечения ИВС по точности,позволяющая проводить аттестацию ИВС на известных материалах с нормированными характеристиками целью коррекции по точности параметров математической модели совокупных измерений ИВС.При этом составляется критерий качества по точности,выбранные ранее методы непосредственного и дифференциального измерения приводятся к методу компенсационного отсчета ( 2.3.2, 4).Результаты шестого уровня позволяют на заключительном седьмом уровне создать ИВС для определения состава и свойств веществ с заданной точностью и быстродействием.На этом уровне ( 2.1.3) проводится экспериментальная поверка опытно-конструкторских разработок ИВС на известных материалах с нормированными характеристиками,корректируются по точности измерения параметры математической модели совокупных измерений ( 2.1.3.). В процессе эксплуатации ИВС перед циклом измерений проводится коррекция параметров модели ИВС программными средствами в соответствии с разработанным метрологическим обеспечением на материалах с нормированными характеристиками. С позиций измерений поверка ИВС представляет собой калибровку средств с жесткой структурой по реперным точкам диапазона измерения,проводимую метрологическими службами один-два раза в год.Разработка и внедрение ИВС для определения состава и свойств с заданной точностью и быстродействием позволяет значительно повысить качество совокупных измерений за счет адаптации структуры ИВС программными средствами,оперативности получения достоверного результата,благодаря многофункциональности и универсальности ИВС,высокой однородности и надежности перепрограммированной структуры.Внедрение предлагаемой инженерной методики проектирования ИВС значительно сократит сроки разработки средств за счет использования системного подхода к поставленной задаче,автоматизации процесса вычисления рекуррентных соотношений, заменяющей решение сложной задачи поэтапной оптимизацией простых задач.Использование стандартной методики аттестации средств измерения позволяет на инженерном уровне программными средствами изменять метрологические характеристики ИВС для определения состава и свойств веществ с заданной точностью и быстродействием.
Обобщенная структурная схема измерительно-вычислительного средства
Схема обобщенной структуры ИВС приведена на рис.4.1. Она включает объект измерения (Объект), коммутатор каналов (Коммутатор), позволяющий подключать к объекту СЦНІІ, НВСМ или ИМ. Основой всех средств является измерительный зонд , преобразователи сигналов и вычислительное устройство.
Измерительный зонд (ИЗ) состоит из устройства активного воздействия (TAB), облучающего объект исследования и первичного измерительного преобразователя (ІШ), регистрирующего изменение измеримых параметров объекта в процессе активного воздействия на него. Кроме того, измерительный зонд служит для преобразования электрической энергии в другой вид энергии.Функции ІЇЇІ и УАВ в измерительном зонде могут быть совмещены. Например, измерительная ячейка, включенная в колебательным резонансный контур при бесконтактных измерениях; термопара, используемая для подачи теплового импульса на объект и измерения избыточной температуры в одной и той ше точке при контактных измерениях. Выбор конструкции измерительного зонда определяется математической моделью процесса измерения и широко освещен в технической литературе [59-69, 73J . Как было отмечено в 2.I.I , математическая модель процесса измерения зависит от способа преобразования (включающего и воздействие) сигнала, характеризующего физический процесс в исследуемом объекте. Конструкция измерительного зонда и измерительного средства в целом значительно упрощается при измерениях, включающих минимальное число однородных преобразований сигнала ( 4.4.2).
Преобразователи измерительной информации предназначены для представления аналогового сигнала в дискретную форму для обработки информации с помощью вычислительного устройства. Для рассматриваемого! класса измерительно-вычислительных средств наиболее эффективными являются импульсные преобразователи: АИЛ и ДШ.
Вычислители в ИВС предназначены для обработки измерительной информации по алгоритму, полученному на основании математической модели совокупных измерений. Они выполняют арифметико-логические операции, коррекцию и управление сигналов, генерацию тактовых и тестовых импульсов и т.д. Часто вычислитель выполняют из двух блоков, один из которых несет метрологические Функции по математической модели прямых измерений (корректор), а другой слушт для расчета и задания алгоритма по математической модели процесса измерения (БЗА).
Традиционным до 80-х годов являлось построение ИВС в виде специализированных цифровых измерительных приборов [ 1-22, 731 . СЦИП представляют последовательную в соответствии с алгоритмом обработки информации структуру, включающую ЇЇЇЇ, МП, ИДИ, блок задания алгоритма (БЗА), корректор, УАВ. Синхронизация СЦЖІ осуществляется блоком временных интервалов (ЕВИ), информация выводится на регистрирующее устройство (РУ) в цифровой форме.
Измерительно-вычислительные системы (ИВСМ) предназначены для определения комплекса ССВ на основе единого метрологического обеспечения. Они многофункциональны, связи мещгу блоками свободнопере-прогрэммируемы за счет использования микропроцессора (Ю . или серийно-выпускэемого микрокалькулятора (Мк). Структурная схема IffiCIvI содержит последовательное соединение ІШ, АШІ, вычислителя, ДЙЇЇ и УАВ. Измерительная часть аналогична СЩШ с той лишь разницей, что вычислитель управляет ДИП и ДШ, а тзкяе измерительным зондом. Построение функциональных АШІ и ДИП осуществляется по предлагаемой методике при расчете соответствующих математических моделей прямых измерений преобразователей ( 3.1). Схемы преобразователей реализуются по песткой структуре в соответствии с алгоритмом прямых измерение или при,включении в следящую обратную связь вычислителя-микропроцессора. Примеры структурных схем АИЛ и ДИП с заданной точностью и быстродействием преобразования сигналов измерительной информации ИВС приведены в приложении 2. Вычислитель ИВС реализуется на запоминающих устройствах оперативного (ОЗУ), постоянного (ПЗУ), перепрогрэммируемого постоянного (ППЗУ) действия, мультиплексора (Мп), микрокалькулятора (Мк) или микропроцессора (М), блока временных интервалов (ЕВИ) и устройстве ввода-вывода (УЕВ), объединенных соответствующим образом. Основой вычислителя являются ДИП число- или кодо-пмпульсного типа, организованные для выполнения логшш-эрифметических операций. Связи между соответствующими ,ЩШ имеют жесткую структуру, однако последовательно во времени (пошагово) между ДИП подключаются только те связи входов и выходов, которые определяются заданными кодами операции и тага. Пошагово закодированная последовательность кодов операций представляет собой программу вычислителя. Программа, как правило, состоит из стандартных и нестандартных подпрограмм. Стандартные подпрограммы предназначены для реализации типовых функций степенными рядаші и включаются в микропроцессор разработчиком в виде блоков с жесткой структурой. Основное поле программы предназначено для организации нестандартных алгоритмов пользователем. Разработчик ИВСМ является пользователем серийновыпускэемого микрокалькулятора, в его задачу входит согласование Мк с измерительными блоками программно, функционально, технологически по уровням сигналов. Эту функцию выполняет мультиплексор, выходы которого жестко коммутируются с входными шинами регистра общего назначения микрокалькулятора.
