ДЕФОРМАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ 17 страница

хз

I

С)

аз

о Е

Измеритель­ный блок

Измеритель­ный 5лок

Блок управления

Л/

Блок управления

Результаты измерений в системах первой группы иногда обрабатываются с запаздыванием, поэтому объем запоминающих устройств может быть зна­чительным.

В ряде случаев системы должны выполнять определенную статистиче­скую обработку результатов измерения, например распределять полученные значения по разным уровням. Для этого в системы должны входить устрой­ства задания уровней и сравнения.

В системах второй группы сопоставляются действительные значения параметров, характеризующих контролируемый процесс или объект, со значе­ниями этих параметров, принятыми за нормальные или допустимые. Эти зна­чения называют уставками. Системы этой группы часто называют систе­мами централизованного контроля [1]. Характер поведения объектов практи­чески известен заранее, а все его возможные состояния подразделяются, как правило, на нормальные и недопустимые («норма», «выше нормы» и «ниже нормы»). Информация, выдаваемая системами, носит качественный характер и отвечает на вопрос, находятся ли объекты в заданных режимах, либо вышли из него «вверх» или «вниз». Поэтому системы автоматического кон­троля могут быть менее универсальны, чем системы первой группы.

Часто промышленные системы автоматического контроля совмещают функции контроля, измерения и регулирования.

10.2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В ИИС

Как указывалось (гл. 1), под преобразованием в измерительной технике понимается преобразование одной физической величины в другую, удобную для дальнейшего использования, передачи, обработки или представления. Этими операциями широко пользуются в ИИС. Действительно, для пере­дачи и ввода в систему измерительной информации от датчиков, для сравне­ния, обработки и воздействия на носители информации измерительных сиг­налов необходимо многократное их преобразование в удобную стандартную унифицированную форму. Превращения измерительного сигнала, получаемого от первичного измерительного преобразования, в такие сигналы состоят из трех операций независимых или совмещенных: собственно преобразования, модуляции и кодирования (см. 1-4).

Как известно (гл. 1) [31], теория преобразования измерительных сигналов, в том числе теория модуляции и демодуляции, теория кодирования и деко­дирования в настоящее время объединяются и составляют общую теорию сигналов (связи). Основным направлением исследований этой теории явля­ется анализ передачи сигналов при наличии помех для достоверной их пере­дачи от источника к приемнику.

Способность информационных устройств нормально функционировать-(т. е. получать, передавать, обрабатывать и представлять информацию) при наличии помех называется помехоустойчивостью.

Это очень важное свойство для ИИС, так как помехи, воздействуя на из­мерительный сигнал, приводят к увеличению погрешности измерения, т. е. по­нижают достоверность измерительной информации, выдаваемой системой.

Под помехой понимают любой дестабилизирующий фактор, действую­щий на сигнал и вызывающий потери информации, т. е. помеха — это причина возникновения погрешности или сбоя.

«

1. При использовании помехоустойчивых методов приема информации, кроме экранирования электромагнитных помех, которые можно условно на­звать технологическими методами, в ИИС часто используют схемные методы борьбы с помехами. К ним относятся: симметрирование входов на измери­тельные преобразователи (иначе называемые «плавающими» входами); использование заграждающих фильтров, а также использование особых мето­дов кодирования измерительной информации (например, интегрирующих пре­образователей напряжения в код) и различных методов фильтрации приня­того сигнала (например, методом накопления [28]).

2. При выборе видов модуляции для измерительных сигналов в том или ином участке ИИС основное внимание уделяется их помехоустойчивости. Сравним два вида модуляции AM и ЧМ (см. 1.4) для случая, когда изме­ряемый параметр задан как x(t) —Лт5Ш Qt, помеха представляет собой «бе­лый шум», т. е. имеет равномерную спектральную плотность мощности С (о) в полосе частот от ш_с—Q до coc-ffi (со_с — частота несущих колебаний).

Модулированный сигнал для AM и ЧМ соответственно можно записать:

U_x(t) = [U_c+ AU (/)jcos <o_ct

и

t

Цх (t) = U_c cos J [ю_с + Лео (0] dt.

При AM модулирующая составляющая

AU (t) = kx (t) = AU_m sin Q t,

а ее средняя мощность

____ ____________________ о ^г/2 AU²

P_c-[At/(/)]² = [Ac/_msinQ/p = — f (AU_m)²sin*Qtdt^ 2L ,

T ₀^J 2

где T=2n/Q.

Примем, что глубина полезной модуляции максимальна и равна единице, при этом AU_n=--U_c. Тогда Р_с = и\ / 2.

Средняя мощность помехи находится интегрированием величины dP= = G (со) dco — мощности, приходящейся на бесконечную узкую полосу частот:

Р_п = — f G(co)dco w f G(co)dco=^Gfi.
ⁿ о о ⁿ i

Интегрировать в пределах больших, чем от 0 до 2, fi нет смысла, так как фильтр на выходе демодулятора, выделяющий низкочастотную составляю­щую, пропускает сигнал только в полосе 2fi. Отношение мощности сигнала к мощности помехи

(10-1)

V'Pn/AM 4GQ При ЧМ средняя мощность модулирующей составляющей

2 ³⁷² До²

Я_с = [Д(о (01² = — J (A©)»sin«D№-

Т б¹ 2

Найдем мощность, обусловленную помехой. Так как {28]

-со)² 1

С

то

Р_п = — G — J (to_c — со) d со = ^2G fi³.
^я U\ -<*с+° 3nU²_c

Тогда для этого случая отношение сигнал: помеха

М- = ------------------ Асо^. (10-2)

\РпУ_ЧМ ^4GQ3

Из сравнения выражений (10-1) и (10-2) видно, что при частотной моду­ляции относительное влияние помехи на выходе в Зр раз меньше, чем при амплитудной. Поскольку индекс модуляции p=Aco/fi обычно больше единицы, то относительное влияние помехи уменьшается в десятки и сотни раз. Од­нако следует помнить, что при частотной модуляции значительно расширяется спектр сигнала, что накладывает дополнительные требования на аппаратуру. Можно показать, что при импульсном носителе наименьшим отношением сигнал: помеха, т. е. наименьшей помехоустойчивостью, обладает амплитудно-импульсная модуляция, в то время как наиболее помехоустойчивой является фазово-импульсная модуляция.

3. Если говорить о помехоустойчивых методах кодирования, то, напри­мер, двоичный код не является помехоустойчивым. Действительно, если 1 пе­редается импульсом, а 0 его отсутствием, то помеха может либо разрушить 1, либо создать импульс, т. е. 1, там, где его не было. При изменении одного из символов кодовая комбинация перейдет* в какую-то другую и будет декоди­рована неправильно. Чтобы этого не произошло, применяют коды с обнару­жением ошибки и коды с исправлением ошибки. Такие коды называются кор­ректирующими.

Простейшим примером кода с обнаружением ошибки может служить двоичный код, построенный следующим образом:

Число Код с обнаружением Число Код с обнаружением
десятков ошибки десятков ошибки

0 0000 0 6 ОНО О

1 0000 1 7 0111 1

2 0010 1 8 1000 1

3 ООП 0 9 1001 0

4 0100 1 10 1010 0

5 0101 0

В каждой двоичной кодовой комбинации добавлен лишний символ 1 или 0 таким образом, чтобы число единиц в комбинации было четным. Тогда, если какой-то символ исказится, на вход декодирующего устройства придет нечетное число единиц и ошибка будет обнаружена. Подобный код позво­ляет обнаруживать только однократную ошибку, т. е. искажение одного сим­вола в кодовой комбинации. Если возможно одновременно искажение двух и более символов, применяют более сложные коды.

При построении многоканальных систем с временным или частотным раз­делением каналов соседние каналы влияют друг на друга, вызывая тем са­мым погрешность. Это влияние, а следовательно, и погрешность также зави­сят от вида модуляции и метода кодирования.

4. Обратная связь в ИИС является одной из мер по повышению помехо­устойчивости и в зависимости от назначения может охватывать те или иные узлы.

На рис. 10-4 приведена часть структурной схемы ИИС, позволяющая по­казать некоторые возможные способы введения обратной связи.

В первом способе (/) обратная связь охватывает приемное устройство (усилитель мощности) и линию связи. Изменение сигнала на приемном конце, обусловленное помехами, благодаря ОС воздействует на приемное устрой­ство таким образом, чтобы изменение его режима скомпенсировало влияние

бых

Передающее _Литя_ устройство связи

Е_

ОС

Рис. 10-4

помех. Например, при повышении уровня помех в линии обратная связь вы­зывает увеличение выходной мощности каскада.

ИИС, в которых обратная связь выполняется вторым способом (//), можно разделить на системы с переспросом и системы со сравнением, кото­рые иногда называются системами с информационной обратной связью.

В системах с переспросом кодирующее устройство КцУ формирует ко­довые группы с дополнительными символами, служащими для обнаружения ошибки. Сформированные кодовые группы поступают для передачи в конеч­ный каскад и, кроме того, на определенное время запоминаются в кодирую­щем устройстве.

При обнаружении ошибки на приемном конце в линии ОС вырабатыва­ется сигнал, требующий повторения искаженной кодовой группы. Поскольку последняя группа хранится в памяти, ее повторение не вызывает трудностей.

Переспрос в подобных системах можно производить либо для отдельных символов кодовой комбинации, либо для всей кодовой группы в целом. Кроме того, переспрос может быть ограниченным, т. е. повторяться не более чем определенное число раз, и неограниченным. В этом случае сигнал повто­ряется до тех пор, пока кодовая группа не будет принята правильно. И, на­конец, в системах с переспросом решение о правильности приема п раз переспрошенной комбинации может быть вынесено как с учетом ранее полученных комбинаций, так и на основании анализа только последней при­нятой.

В системах со сравнением каждая принятая кодовая группа передается обратно по линии ОС, а в кодирующем устройстве эти группы сравниваются с посланными. Если посланная и принятая комбинация совпадают, то по ли­иии посылается сигнал-квитанция, свидетельствующий о правильной передаче. Если эти комбинации не совпадают, то передача искаженной кодовой группы повторяется. Таким образом, в системах со сравнением выявителем искаже­ния служит не приемник, как в системах с переспросом, а передатчик. Есте­ственно, что искажения в канале обратной связи должны быть много меньше, ■чем в прямом канале. Этот способ применяют тогда, когда на объекте иссле­дования нельзя поставить источник питания большой мощности, а мощность сигналов, посылаемых по каналу ОС, не ограничена.

Канал ОС в системах со сравнением загружен значительно больше, чем в системах с переспросом, так как в первом случае обратно посылается только сигнал, требующий повторения посылки, а во втором — все принятые сиг­налы.

5. Для исключения систематических и случайных помех в ИИС могут использоваться такие алгоритмы обработки измерительных сигналов в вычис­лительном блоке системы, как статистическое усреднение и сравнение с по­верочными сигналами, фильтрация с помощью различных фильтров, расчет связанных величин по уравнениям связи со статистической их обработкой и определением систематических и случайных отклонений и т. д. (см. 1.5).

" Однако любое усложнение алгоритмической цепи преобразования изме­рительных сигналов в ИИС наряду с повышением достоверности измеритель­ной информации, в частности от помех, может сопровождаться неоправдан­ным увеличением погрешностей в этих операциях преобразования, например вычисления, а также часто уменьшением быстродействия и тем усложнением (и удорожанием) систем, которое в свою очередь приводит к ухудшению надежности функционирования системы.

Поэтому при выборе преобразований в ИИС, т. е. при разработке общей алгоритмической цепи, которая определяет необходимые преобразования вход­ной информативной величины с целью достоверности получения искомой выходной величины, кроме помехоустойчивости системы, необходимо исполь­зовать те или иные критерии качества, эффективности, экономической целе­сообразности внедрения ИИС (см. 10.4). [28, 42].

10.3. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ИИС

Как отмечалось выше (гл. 1, 10.1), после первичных измерительных пре­образователей имеется измерительный сигнал, подлежащий унификации и масштабированию для ввода в ИИС. Поэтому непосредственно в датчике или в отдельном блоке после первичного измерительного преобразователя в си­стеме используются унифицирующие преобразователи для создания унифици­рованного или стандартного измерительного сигнала ГСП с целью передачи его по линии связи. Для ввода унифицированных сигналов в линию связи или в измерительные и вычислительные блоки ИИС необходимо предусмот­реть коммутирующие устройства. Наиболее общими устройствами измери­тельных блоков в ИИС являются устройства сравнения. Кроме того, в ИИС используются оригинальные запоминающие и представляющие устройства (включая устройства регистрации).

Каналы связи. Под каналом связи понимают совокупность технических средств, обеспечивающих независимую передачу сообщений. В эту совокуп­ность входят: физическая среда, по которой передается сигнал, линия связи и устройства для передачи и приема сигнала.

В зависимости от характера передающей среды и физической природы сигналов линии связи (как и каналы), используемые в ИИС, можно разде­лить на гидравлические, пневматические, электрические, радио, акустические и оптические.

Для технологических измерений в основном используются пневматические и электрические линии связи, причем предпочтение отдается последним (см. 9.10).

Основными характеристиками канала связи являются: емкость, скорость передачи информации и пропускная способность канала-связи.

Емкость канала V_K представляет собой произведение трех ве­личин

V_K — T_KF_KH_Kt

где Т_к — время, в течение которого канал занят передаваемым сигналом; F_K— полоса частот, пропускаемая каналом; Н_к — характеристика, показы­вающая превышение мощности сигнала Р_с» которую может пропустить канал, над мощностью помех Р_п в канале.

Скорость передачи информации и определяет количество ин­формации /, передающееся в единицу времени

и = ЦТ.

Максимально возможную скорость передачи информации по каналу на­зывают пропускной способностью канала.

С = и_тах = - щах -у {Н (х) - Н (x/X_N)}> (10-3)

где Н(х)—энтропия источника сигнала; H(x/X_N)—условная энтропия, оп­ределяемая помехой и зависящая от ее уровня и характера.

Иначе говоря, пропускная способность определяет максимальное количе­ство информации, которое можно передать в единицу времени. Размер­ность пропускной способности — ед. инф/с (см. 1.3).

Для того чтобы определить, насколько скорость передачи информации близка к пропускной способности канала, вводят характеристику назы­ваемую коэффициентом использования канала (г] = и/С).

Пропускная способность канала определяется только свойствами канала и не зависит от источников сигнала.

При передаче сигнала, представляющего собой непрерывную функцию x(t), и при условии, что: 1) ширина полосы частот ограничена частотой F\ 2) средняя мощность сигнала задана величиной Р_с; 3) помеха в канале рас­пределена по нормальному закону; 4) помеха в полосе F имеет равномер­ный спектр и мощность помехи задана как Р_п; 5) сигнал и помеха статисти­чески независимы, выражение (10-3) принимает вид

C-Flog(l + P_c/P_n).

Пропускная способность канала не обязательно растет пропорционально F, так как с увеличением полосы пропускания может возрасти и мощность помехи Р_п.

При передаче сообщений с помощью двух символов — нуля и единицы — условная или остаточная энтропия

Н (xlX_N) = ро log р₀ + (1 — р₀) log (1 — р₀).

Поэтому выражение (10-3) принимает вид

С = и [log 2 + ро log Ро + (1 ~ Ро) log (1 — ро)],

где и — скорость передачи двоичных символов.

Пропускная способность достигает максимального значения в двух слу­чаях: когда в канале отсутствует помеха, т. е. ро=0, и когда ро=1, т. е. за­ранее известно, что переданная единица превращается в нуль, и наоборот. В этих случаях C=aIog2.

При ро=0,5 равновероятен прием искаженного и неискаженного симво­лов. Поэтому ничего достоверного о переданном сообщении сказать нельзя и C=C_min=0.

Для того чтобы по каналу передавалась информация без искажений, необходимо, чтобы его емкость У_И была больше объема сигнала V_c, пропуск­ная способность С была больше скорости выдачи информации источником сигнала и_д. Таким образом, надо согласовать емкость канала с объемом сиг­нала, а пропускную способность канала — со скоростью поступления инфор­мации в канал.

1. Согласование величин V_K и Vc. Под объемом сигнала понимают про-
изведение трех величин Vc~T_cF_cH_Ct где Т_с —длительность сигнала, пока-
зывающая, на какое время занимается канал; F_c — ширина спектра сигнала;
И с — превышение сигнала над помехой.

Однако выполнение условия V_R^V_C не всегда достаточно; кроме него, должны выполняться соотношения T_K^T_Ct F_K^F_C, Н_К^Н_С.

Если какое-либо соотношение не выполняется, а условие V_K^V_C со­блюдено, то необходимо предварительное преобразование сигнала. Обычно для этого изменяют величины F_c и Т_с. Например, если F_e=3F_Kt а Гс^Гк, то для выполнения условия неискаженной передачи в 3 раза увеличивают длительность всех элементов сигнала. При этом ширина спектра F_c умень­шается в 3 раза.

2. Согласование величин С и и_д. Условием неискаженной передачи ин-
формации является выполнение соотношения w_w<C=/⁷_Klog(l+P_c/Pn), по-
зволяющее определить требуемую полосу пропускания канала.

Значение ы_д можно определить следующим образом. Если количество ин­формации, поступающее от источника в какой-то момент времени, т. е. соот­ветствующее одному отсчету, равно /(*). а число отсчетов в секунду я, то скорость выдачи информации, т. е. ее количество, поступающее от датчика в 1 с, равно

ы_д = п/ (х).

В частности, при n=l/At=2F_u (где Fh — ширина спектра измеряемой ве­личины) скорость

«_д = 2^„/ (х),

тогда

2 FJ (х) < F_K log (l +-jr") '

откуда

F т> *ЬШ

log(l + P_c/P_n) Для частного случая, при /=logm, можно записать

F > ^{2 F}* ^{log т}

log(l + P_c/P_n) '

Приведенным соотношением можно лользоваться и тогда, когда на вход канала поступает информация от / источников, опрашиваемых последова-

Рис. 10-5

тельно. В этом случае в качестве F_c берется полоса частот сигнала, полу­чающегося после коммутации. Кроме того, под /(*) понимается информация, даваемая всеми источниками, в частности, если измеряемые величины стати­стически независимы, то I(x) =I(Xi) +1(х₂) +...+/(**).

Отношение скорости передачи информации и к скорости поступления информации от источника и_д называют коэффициентом передачи информации.

Используемые линии связи для ИИС отличаются не только устройством, но и структурой и, главное, способом разделения каналов.

При выборе структуры линии связи надо учитывать стоимость аппара­туры, размещенной на приемной и передающей сторонах. Однако можно до­пустить, что стоимость оконечной аппаратуры много меньше стоимости линий связи и поэтому ее влиянием на структуру линий можно пренебречь. Тогда определяющим при выборе структуры линий является ее экономичность и на­дежность.

Наиболее распространенные структуры линий связи, используемые для обслуживания рассредоточенных объектов, приведены на рис. 10-5.

Схемы, показанные на рис. 10-5,а и 10-5,6, называемые цепочеч­ными или последовательными, можно использовать, когда объекты рассредоточены как вдоль линии (рис. 10-5, с), так и по площади (рис. 10-5,6). Схему, приведенную на рис. 10-5,в, называют радиальной, что следует из ее внешнего вида, а схему рис. 10-5,г — кустовой, так как здесь часто источники информации И объединены в общие группы (ку­сты), каждая из которых соединена с приемным пунктом П отдельной ли­нией. Разновидностью кустовой схемы является древовидная, отличающаяся тем, что в точке соединений линий устанавливаются коммутирующие устрой­ства. Кроме перечисленных, могут использоваться и смешанные структуры ли­ний связи.

Выбор той или иной структуры линий определяется ее экономичностью и надежностью. В то же время экономичность и надежность зависят от

Рис. 10-6

протяженности линии, т. е. ее длины. Таким образом, для удешевления ли­нии необходимо найти способ кратчайшего соединения источников информа­ции с приемным пунктом.

В большинстве случаев при построении ИИС требуется одновременно передавать информацию от множества объектов к одному получателю. Ис­пользовать для передачи сообщений от каждого объекта отдельную линию связи экономически невыгодно, а часто просто невозможно, поэтому возни­кает необходимость передавать всю информацию по одной и той же линии, но так, чтобы каждое сообщение передавалось по своему каналу связи. Для этого на передающем конце линии необходимо устройство уплотнения кана­лов (рис. 10-6).

На приемном конце линии соответствующие устройства разделяют сооб­щения, направляя каждое своему измерительному преобразователю ИП; ин­формационных сигналов. Такая система связи, когда при одной линии созда­ется множество каналов, называется многоканальной.

Для того чтобы сигналы, передающие сообщения по каналам, можно было разделить, их нужно различать по каким-то признакам. В зависимости от того, какие признаки сигналов используются для разделения каналов, раз­личают и способы построения многоканальных систем. Наиболее распростра­нены способы частотного и временного разделения каналов.

В некоторых системах используют комбинированное, т. е. совместно ча­стотное и временное, разделение. Возможно также разделение по форме сиг­налов и фазе.

В системах с частотным разделением каналов чаще используются ампли­тудная, частотная и фазовая модуляции. В системах с временным разделе­нием каналов может применяться любой ее вид.

В ИИС для технологических величин чаще всего используется временное разделение каналов. При этом информация по каждому каналу передается периодически в течение короткого промежутка времени, который намного меньше периода опроса всех каналов *. Для уменьшения влияния канала на канал между ними нужно оставлять защитные промежутки времени, зна­чения которых определяются допустимыми погрешностями передачи инфор­мации по линии связи в системе.

Происхождение этой погрешности при временном разделении каналов связано с тем, что сигнал в канале передается прямоугольным импульсом,

т. е. импульс отличен от нуля только

в пределах определенного интервала времени, а за его границами сигнал отсутствует. Однако сигнал, ограни­ченный во времени, имеет бесконеч­ный спектр и поэтому не может быть передан без искажения. На практике любые каналы имеют ограниченный спектр, а это искажает импульс, т. е. удлиняет его передний и задний фронты или, иначе говоря, происхо­дит расплывание импульса. Подоб­ное расплывание импульса во вре­мени приводит к тому, что часть импульса попадает в соседние интервалы времени, отведенные для соседних каналов. Попадание импульса в соседний канал и является причиной погрешности.

Рассмотрим влияние на 6-й канал только одного предыдущего k— 1-го канала. Импульсы, передаваемые по этим каналам, приведены на рис. 10-7. Вследствие фазовых или амплитудных искажений на верхнем конце полосы пропускания импульсы искажены, т. е. их передние и задние фронты удли­нены. Если интервал между соседними импульсами мал, то в результате влияния А—1-го канала импульс в k-м канале изменяется, причем изменяется как его амплитуда (на &U), так и длительность (ширина). Изменение ампли­туды вызывает погрешность при применении амплитудно-импульсной модуля­ции. Если же используется время — импульсная модуляция, то импульсы предварительно ограничиваются по максимуму и минимуму, в результате чего на демодулятор поступают импульсы с амплитудой Uo max—U₀ mm. В этом случае погрешность обусловлена изменением ширины импульса, а изменение его амплитуды погрешности не вносит.

Унифицирующие преобразователи. Не все подключаемые к системе дат­чики имеют на выходе унифицированную форму измерительного сигнала. По­этому между датчиком и системой включают специальный унифицирующий преобразователь (УП). Эти УП должны работать так, чтобы различным

¹ Для большинства ИИС время опроса по одному каналу выбирается одинаковым для всех каналов системы.

диапазонам изменения или различной физической величине измерительных сигналов на входе соответствовал один и тот же диапазон изменения унифи­цированного выходного сигнала.

УП может быть как индивидуальным для каждого датчика, так и обслу­живать определенную группу датчиков. При втором способе унификации дат­чики к УП подключаются поочередно. Так как унификация (преобразование сигналов) может проводиться в несколько этапов, то первый способ исполь­зуется чаще для унификации сигналов с датчиков при передаче их по ли­ниям связи, а второй —при обработке их в вычислительном блоке (коди­рование).

а

Рис. 10-8

Если характеристика датчика линейна и меняется в пределах от до Х₂, а шкала выходного сигнала УП должна лежать в пределах от У_тт до Утах, то унифицирующий преобразователь должен выполнять линейную опе­рацию вида