Цифровые измерительные приборы: достоинства и недостатки, принцип работы

Цифровые приборы — один из самых революционных способов измерения различных физических величин за всю историю человечества. Можно сказать, что в целом с момента появления цифровых технологий важность этого типа устройств во многом определила будущее всего нашего существования.

Все измерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые.

Цифровые измерительные приборы обладают высоким быстродействием и высоким классом точности. Они применяются для измерения широкого класса электрических и неэлектрических величин.

В отличии от цифровых аналоговые приборы не хранят измеренные данные и не совместимы с цифровыми микропроцессорными устройствами. По этой причине необходимо записывать каждое проведенное с его помощью измерение, что может быть утомительным и требующим большого количество времени.

Главный недостаток цифровых измерительных приборов заключается в том, что они нуждаются во внешнем источнике питания или подзарядке аккумулятора после определенного времени использования. Также точность, скорость и эффективность цифровых приборов в делают их дороже аналоговых.

Цифровые измерительные приборы — приборы, в которых измеряемая входная аналоговая величина X автоматически опытным путем сравнивается с дискретными значениями известной (образцовой) величины N и результаты измерения выдаются в цифровом виде (Чем отличаются аналоговые, дискретные и цифровые сигналы).

Структурная схема цифрового вольтметра

При выполнении операций сравнения в цифровых измерительных приборах производится квантование по уровню и времени значений непрерывных измеряемых величин. Результат измерения (численный эквивалент измеряемой величины) образуется после выполнения операций цифрового кодирования и представляется в избранном коде (десятичном для отображения или двоичном для дальнейшей обработки).

Операции сравнения в цифровых измерительных приборах выполняются специальными устройствами сравнения. Обычно конечный результат измерения в таких приборах получается после запоминания и некоторой обработки результатов отдельных операций сравнения аналоговой величины X с различными дискретными значениями образцовой величины N (так же может производиться сравнение известных долей X с N, имеющей одно значение).

Числовой эквивалент X в измерительный прибор представляется с помощью выходных устройств в виде, удобном для восприятия (цифровая индикация), а в необходимых случаях — в виде, удобном для ввода в электронно-вычислительную машину (ЭВМ) или в систему автоматического управления (цифровые регуляторы, программируемые логические контроллеры, интеллектуальные реле, частотные преобразователи). Во втором случае приборы чаще всего называются цировыми датчиками.

В общем случае цифровые измерительные приборы содержат аналогово-цифровые преобразователи, блок формирования образцовой величины N или набор заранее сформированных величин N, устройства сравнения, логические устройства и выходные устройства.

В автоматических цифровых измерительных приборах обязательно наличие устройства, обеспечивающего управление работой его функциональных узлов. Кроме обязательных функциональных блоков прибор может содержать дополнительные, например, преобразователи непрерывных величин X в промежуточные непрерывные величины.

Такие преобразователи используются в измерительных приборах в тех случаях, когда промежуточную X можно более просто измерить, чем исходную. К преобразованиям X в электрические величины прибегают весьма часто при измерении разнообразных неэлектрических величин, в свою очередь, электрические часто представляются эквивалентными интервалами времени и т. д.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и выдают на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами, т.е. обычно физический сигнал сначала преобразуется в аналоговый (аналогичный по отношению к исходному сигналу), а затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой.

В цифровых измерительных приборах используются различные методы автоматических измерений и измерительные схемы. Наличие дискретных N определяет специфику главным образом способов сравнения.

При методе совпадения обычно используется одновременно несколько устройств сравнений, либо X имеет возможность воздействовать на одно общее устройство, считывающее совпавшее с ним значение N.

Различаются методы следящего, развертывающего и поразрядного уравновешивания, а также методы совпадения со следящим счетом или следящим считыванием, периодическим счетом или периодическим считыванием результатов сравнения.

Первые в истории цифровые измерительные приборы представляли собой системы пространственного кодирования.

В этих приборах (датчиках) в соответствии со схемой измерения измеряемая величина с помощью аналогового преобразователя преобразуется в линейное перемещение или угол поворота.

Далее в аналого-дискретном преобразователе происходит кодирование полученного перемещения или угла поворота при помощи специальной кодовой маски, которая наносится на специальные кодовые диски, барабаны, линейки, пластины, электроннолучевые трубки и т. п.

Маски создают символы (0 или 1) кода числа N в виде проводящих и непроводящих, прозрачных и непрозрачных, магнитных и немагнитных участков и т. п. С этих участков специальные считывающие устройства снимают вводимый код.

Наибольшее распространение получил метод устранения ошибок неоднозначности, основанный на применении специальных циклических кодов, в которых соседние числа отличаются только в одном разряде, т. е. ошибка считывания не может превышать шага квантования. Это достигается за счет того, что при изменении любого числа на единицу в циклическом коде изменяется только один символ (например, используется код Грея).

Источник

Классификация измерительных приборов и список технических устройств

Измерительные приборы прочно вошли в жизнь человека. За счет обширной классификации измерительных приборов можно определить именно тот аппарат, который понадобится для конкретных операций. Это могут быть как простейшие, по типу рулетки или амперметра, так и мультифункциональные измерительные приборы. При выборе устройства следует ориентироваться на его предназначение и основные характеристики.

Общие сведения

Измерительным прибором называют такое устройство, которое позволяет получить значение некоторой физической величины в заданном диапазоне. Последний задается с помощью приборной шкалы. А также технические приборы позволяют переводить величины в более понятную форму, которая доступна определенному оператору.

В настоящее время список измерительных приборов довольно широк, но большинство из них предназначается для контроля за проведением технологического процесса. Таким может быть датчик температуры или охлаждения в кондиционерах, нагревательных печах и других устройствах со сложной конструкцией.

Среди наименований измерительных инструментов есть как простые, так и сложные, в том числе и по конструкции. Причем сфера их применения может быть как узкоспециализированной, так и распространенной.

Чтобы узнать больше сведений о конкретном инструменте, необходимо рассмотреть определенную классификацию контрольно-измерительных устройств и приборов.

Виды измерительных приборов

В зависимости от того, какие бывают измерительные инструменты, их названия могут отличаться в разных классификациях.

Обычно приборы могут быть следующего вида:

Вышеописанные приборы являются наиболее распространенными и применяются для измерения ряда физических величин. Сложность происходящих физических процессов требует применения нескольких приборов, причисляемых к разным классам.

Классификация устройств

В разных сферах применяется своя классификация устройств, предназначенных для измерения физических величин.

Приборы могут делиться по таким критериям:

Регистрирующие устройства делятся на самопишущие и печатающие разновидности. Наиболее прогрессивным вариантом являются самопишущие аппараты, поскольку у них выше точность предоставления информации и шире возможности для измерения заданных ранее параметров.

Аналоговые и цифровые

Контрольно-цифровые инструменты могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. Первые считаются более удобными. В них показатели силы, напряжения или тока переводятся в числа, затем выводятся на экран.

Но при этом внутри каждого такого прибора находится аналоговый преобразователь. Зачастую он представляет собой датчик, снимающий и отправляющий показания с целью преобразования их в цифровой код.

Хотя аналоговые инструменты менее точны, они обладают простотой и лучшей надежностью. А также существуют разновидности аналоговых инструментов и приборов, имеющих в своем составе усилители и преобразователи величин. По ряду причин они предпочтительнее механических устройств.

Для давления и тока

Каждому еще со школы или университета знакомы такие названия измерительных приборов, как барометры и амперметры. Первые предназначены для того, чтобы измерять атмосферное давление. Встречаются жидкостные и механические барометры.

Жидкостные разновидности считаются профессиональными из-за сложности конструкции и особенностей работы с ними. Метеостанции применяют барометры, заполненные внутри ртутью. Они наиболее точные и надежные, позволяют работать при перепадах температур и иных обстоятельствах. Механические конструкции проще, но постепенно их вытесняют цифровые аналоги.

Амперметры используются для измерения электрического тока в амперах. Шкала амперметра может градуироваться как в стандартных амперах, так и микро-, милли- и килоамперах. Лучше всего такие приборы подключать последовательно. В таком случае снижается сопротивление, а точность снимаемых показателей возрастает.

Слесарные инструменты

Достаточно часто можно встретить измерительные слесарные инструменты. Наиболее важная характеристика — точность измерений. За счет того, что слесарные инструменты механические, удается добиться точности до 0,005 или 0,1 мм.

Если погрешность измерений превысит допустимый порог, то произойдет нарушение технологии работы инструмента. Тогда потребуется переточка некачественной детали или замена целого узла в устройстве. Поэтому для слесаря важно при подгонке вала под втулку использовать не линейку, а инструменты с большей точностью измерений.

Наиболее популярным инструментом с высокой точностью измерений является штангенциркуль. Но и он не сможет дать гарантии точного результата с первого измерения. Опытные рабочие делают несколько измерений, которые затем преобразуют в некоторое среднее значение.

Встречаются операции, требующие максимальной точности. Таких много в микромашинах и отдельных деталях устройств крупного размера. Тогда следует воспользоваться микрометром. С его помощью можно измерять с точностью до сотых долей миллиметров. Распространенное заблуждение о том, что он позволяет измерять микроны, является не совсем верным. Да и при проведении стандартных домашних работ такая точность может не пригодиться, поскольку достаточно действующих значений точности и погрешности.

Специальные устройства

Существует такое известное устройство для измерения под названием угломер.

Его предназначение заключается в измерении углов деталей, а конструкция состоит из следующих элементов:

Процесс измерения таким прибором простой. Деталь прикладывается одной из граней к линейке. Сдвинуть ее надо таким образом, чтобы образовался равномерный и достаточный просвет между гранями и линейками. Затем сектор закрепляется винтом. Снимаются показатели сначала с линейки, а затем с нониуса.

Контрольно-измерительные устройства нашли довольно широкое применение в различных сферах производства, домашнего быта, слесарного дела и строительных работ. Они различаются как по сфере применения, так и по возможности измерения.

Все приборы могут подразделяться по способу преобразования, выдачи информации и виду выходной информации, предназначения и другим критериям. Имея хорошую классификацию, можно отыскать конкретный инструмент для определенных задач и операций.

Но главная цель у них состоит в измерении показаний, их записи и контроле технологических процессов производства. Рекомендуются использовать точные измерительные устройства, однако, устройство становится гораздо сложнее. Это потребует учета большого количества факторов и измерений параметров, чтобы вывести на экран точные показания.

Источник

Общие сведения. Цифровые измерительные приборы

Цифровые измерительные приборы

Лекция №14

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называют приборы, содержащие аналого-цифровые преобразователи, устройства обработки цифровой информации и отображения результатов измерений в цифровой форме.

В настоящее время ЦИП занимают ведущее место на мировом рынке, хотя в промышленности еще имеется большой парк аналоговых измерительных приборов.

ЦИП имеют много достоинств:

-высокая точность измерений,

-широкий диапазон измеряемой величины,

-результат измерений в цифровой форме (возможность последующей обработки, сохранения, индикации),

-возможность внешнего управления, автоматизации и программирование процесса измерения.

Обобщенная структурная схема ЦИП представлена на рис.14.1.

Рис.14.1.

Входное устройство по сигналу Блока управления (БУ) каждый цикл измерений преобразует измеряемый электрический сигнал u_x(t) в постоянное напряжение U₌ в определенном диапазоне значений, который зависит от значения u_x и выбранного предела измеряемой величины. В следующем цикле при изменении значения u_x изменяется значение U₌

АЛУ – арифметико-логическое устройство выполняет операции с отдельным значениям U_D, полученным в цикле или с набором их значением в множестве циклов.

Блок управления синхронизирует процессы обработки сигналов.

Таким образом, в любом ЦИП происходит два процесса:

— дискретизация – представление непрерывно изменяющихся значений напряжения измеряемой величины u_x в дискретный набор значений U_=t

, для отдельных моментов времени, определяемых циклами измерений (рис.14.2,а),

— квантование – преобразование отдельного значения U_=t в цифровой код U_Dt. (рис.14.2,б).

Рис.14.2. а)- дискретизация во времени, б) квантование в двоичный код.

Ширина спектра сигнала растет с увеличением скорости изменения сигнала. Поэтому для того, чтобы уменьшить погрешность дискретизации надо уменьшить период (увеличить частоту) дискретизации. Это наглядно видно на рис.14.2а.

Погрешность квантования зависит от шага квантования, т.е. от разрядности АЦП. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность квантования.

Период дискретизации T_discr =1/ f_discr должен быть больше длительности процесса квантования T_КВ, которая зависит от метода квантования.

В процессе квантования измеряемая величина сравнивается с известной мерой, составленной из суммы квантов разных разрядов.

При методе «последовательного счета» (самый медленный алгоритм, рассмотрен в лекции 12) мера набирается последовательным наращиванием по единице младшего разряда (рис.14.3,а).

Второй метод «поразрядного уравновешивания» (рис.14.3б) заключается в последовательном уменьшении (или увеличении) меры, начиная со старшего разряда.

В третьем методе «считывания» (рис.14.3в) применяется одновременное сравнение с множеством мер, набранных с возрастающим количеством квантов.

Методы перечислены в порядке нарастания быстродействия. Однако, при этом возрастает так же сложность и стоимость ЦИП.

Рис.14.3. К алгоритмам преобразования сигнала в цифровую форму.

ЦИП характеризуются следующими параметрами:

-измеряемая величина, т.е. какая электрическая величина измеряется,

-пределы измерения, т.е. переключаемые диапазоны измеряемой величины,

-чувствительность, т.е. наименьшая единица младшего разряда,

-количество разрядов индикатора,

-точность ЦИП, комплексная характеристика, выражаемая погрешностями,

-по назначению, т.е. виду измеряемого напряжения – постоянного (DC) или переменного напряжения (AC- среднего, действующего, амплитудного значений), для импульсного напряжения, универсального назначения;

-по устройству – вольтметры с фиксированной логикой и программируемые (с микропроцессором);

-по методу аналого-цифрового преобразования :

Ниже рассматриваются ЦИП с фиксированной (жесткой) логикой.

Упрощенный пример схемы вольтметра с время-импульсным преобразованием приведен на (рис.14.4). В вольтметре имеется генератор непрерывной периодической импульсной последовательности (ГИ), генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), счетчик импульсов (СИ), компаратор (КМП), входное устройство (ВУ) и управляющее устройство (УУ).

Рис.14.4. Упрощенная схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием.

Для измерения переменных напряжений вольтметр постоянного тока дополняется преобразователем переменного напряжения в постоянное напряжение. При этом схема преобразователя зависит от измеряемой величины. Такие преобразования рассмотрены на лекции 13 в разделе «Аналоговые вольтметры переменного напряжения». Как показано, возможны измерения действующих, амплитудных и средних по модулю значений напряжения.

Цифровые частотомеры и фазометры с фиксированной логикой.

Источник

Устройство и принцип работы цифровых измерительных приборов

По принципу действия и конструктивному исполнению цифровые приборы разделяют на электромеханические и электронные. Электромеханические приборы имеют высокую точность, но малую скорость измерений. В электронных приборах используется современная база электроники. Несмотря на схемные и конструктивные особенности, принцип построения ЦИП одинаков.

Рис. 8.1 Структурная схема ЦИП.

Измеряемая величина (Х) поступает на входное устройство прибора ВУ, где происходит масштабное преобразование сигнала, затем он поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код, который отображается в соответствующий код, который отображается в виде числового значения на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ). Для получения всех управляющих сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления. Входное устройство прибора устроено аналогично электронному прибору, а в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения помех.

В зависимости от способа аналого-цифрового преобразования приборы разделяют на устройства прямого преобразования и компенсационные (с уравновешивающим преобразованием).

В основе работы цифровых измерительных устройств последовательного счета лежит принцип последовательного приближения значения эталонного сигнала, генерируемого схемой прибора, к значению измеряемого сигнала.

В ЦИП последовательного приближения происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины с известной квантованной величиной, изменяющейся по определенному алгоритму.

В ЦИУ считывания происходит одновременное сравнение измеряемой физической величины с заранее заданным набором значений эталонных сигналов.

На рисунке представлены графики, отражающие принцип работы рассмотренных типов ЦИП.

Рис. 8.2 Принципы преобразования измеряемого сигнала в ЦИП.

Основными элементами ЦИП являются триггеры, дешифраторы и знаковые индикаторы. Несколько знаковых индикаторов образуют цифровое отсчетное устройство. В ЦИП в отличие от аналоговых обязательным элементом схемы являются АЦП и цифровые отсчетные устройства (ЦОУ). Схемное решение ЦИП определяется видом АЦП.

Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий, последовательного приближения и параллельный.

Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по времени. Из трех перечисленных типов это самый точный, хотя и самый «медленный». Время преобразования интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,001 до 50 с и более, погрешность составляет 0,1–0,0003%.

Погрешность АЦП последовательного приближения несколько больше (0,4–0,002%), но зато время преобразования – от

Параллельные АЦП – самые быстродействующие, но и наименее точные: их время преобразования порядка 0,25 нс, погрешность – от 0,4 до 2%.

Сигнал дискретизируется по времени путем быстрого измерения его в отдельные моменты времени и удержания (сохранения) измеренных значений на время преобразования их в цифровую форму. Последовательность полученных дискретных значений может выводиться на дисплей в виде кривой, имеющей форму сигнала. Возводя эти значения в квадрат и суммируя, можно вычислять среднеквадратическое значение сигнала. Их можно использовать также для вычисления времени нарастания, максимального значения, среднего по времени, частотного спектра и т.д. Дискретизация по времени может производиться либо за один период сигнала («в реальном времени»), либо (с последовательной или произвольной выборкой) за ряд повторяющихся периодов.

К наиболее важным характеристикам ЦИП относятся: разрешающая способность, входное сопротивление, быстродействие (число измерений в секунду), точность (близость результата к истинному значению величины), помехозащищенность.

Достоинства ЦИП: высокая чувствительность и точность измерений, удобство отсчета показаний, возможность дистанционной передачи измерительной информации, возможность сочетания с ЭВМ и другими автоматическими устройствами, высокая помехозащищенность.

Недостатки: сложность устройств, высокая стоимость, невысокая надежность.

Перспективы развития ЦИП: достигнутый уровень метрологических характеристик в целом удовлетворяет требованиям практики и приближается к характеристикам соответствующих эталонов, поэтому основные усилия разработчиков направлены на повышение надежности ЦИП и создание приборов с расширенными функциональными возможностями, обеспечивающими потребителю максимальные эксплуатационные удобства, что связано с широким применением микропроцессорной техники.

В качестве примера реализации в ЦИП способа последовательного счета можно рассмотреть устройство и принцип работы частотомера.

Основными структурными элементами таких цифровых измерительных приборов являются:

ГИСЧ – генератор импульсов стабилизированной частоты;

ПУ – пересчетное устройство;

ОУ – отсчетное устройство;

Ф – формирователь импульсов;

БВВИ – блок выделения интервалов времени;

ГЛИН – генератор линейно изменяющегося напряжения:

СУ – устройство сравнения и др.

Например, на приведенных рисунках представлены структурные схемы некоторых типов ЦИП.

Рис. 8.3 Структурные схемы ЦИП, предназначенных для измерения напряжения (а), длительности интервалов времени и частоты следования импульсов (б), разности фаз сигналов (в).

Применение микропроцессорных систем в измерительных приборах позволяет существенно повысить их точность, расширяет возможности и упрощает управление процессом измерений, автоматизирует калибровку и проверку приборов, позволяет выполнять вычислительные операции, создавать полностью автоматизированные приборы.

Например, в ЦИП используется способность МП перестраивать свою структуру и изменять выполняемые функции под управлением подаваемых команд, что обусловливает его универсальность. С их помощью можно не только автоматически выбирать предел измерения, но и изменять структуру прибора при измерении ФВ по определенному алгоритму. При этом МП прибора может выполнять следующие функции:

· управление процессом АЦП;

· управление работой преобразователей ФВ;

· автоматический выбор пределов измерений;

· управление приборным интерфейсом;

· обработка измерительной информации с целью повышения метрологических характеристик и др.

Выполнение МП разнообразных функций обеспечивает улучшение технико-экономических показателей приборов, что позволило создать новый класс цифровых программируемых многоканальных ИП, способных с высокой скоростью производить преобразование, обработку и отображение массивов аналоговой и цифровой информации.

ЦП с МП строятся по блочному принципу, что позволяет изменять их структуру и возможности. Они состоят из следующих основных блоков: коммутаторы, АЦП, МП, ОЗУ, ПЗУ, пульт оператора, модули сопряжения с внешними устройствами и ЭВМ. Могут содержать десятки и сотни измерительных каналов, опрашиваемых с изменяемой скоростью.

Программа прибора предусматривает выполнение основных задач по измерению, обработке и представлению измерительной информации. Это, например:

· линеаризация характеристик датчиков;

· вычисление экстремальных и средних значений;

· сравнение с уставками;

· самоконтроль основных функций.

В качестве встроенных средств отображения и регистрации информации используются многоразрядные цифровые индикаторы, видеодисплеи, печатающие устройства и т.п.

Ввод программы может осуществляться с пульта, с магнитных и других носителей информации. Приборы различаются степенью сложности, исполнения, обслуживания, стоимостью.

Источник