ДЕФОРМАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ 18 страница
У = Уо + toy
преобразующую входную величину при x=Xi в y-=Ymin (в частном случае 0), а при х=х2 в y=Ymax. Таким образом, при этой операции смещается начало шкалы и вводится масштабный коэффициент (дробное или целое число). Так построены основные стандартные УП ГСП (см. 9.1).
Чаще характеристики датчиков нелинейны. Например у термоэлектрического термометра стандартных градуировок нелинейность характеристик, связывающих ТЭДС с температурой, достигает 5—6%. Некоторые датчики имеют еще большую нелинейность. Унифицирующие преобразователи, работающие с такими датчиками, кроме рассмотренных выше операций, должны еще и линеаризовать характеристику. При работе ИИС совместно с ЦВМ операции по линеаризации характеристик могут выполняться вычислительными машинами (гл. 1).
В качестве примера УП, выполняющего линейную операцию, рассмотрим преобразователь, работающий с термоэлектрическим термометром ТТ
(рис. 10-8). Преобразование в этом случае выполняется в два этапа. На первом этапе устанавливается нуль шкалы вычитанием начального напряжения Uot часть которого составляет ЭДС термопары из-за температуры свободных концов, отличной от градуировочной tG=Q СС (см. 3.5). Напряжение U0 получают от моста с помощью делителя напряжения, позволяющего использовать термопары хромель-копель ХК, хромель-алюмель ХА и платинородий-платина ПП. Медный Ям, и манганиновые R3 и R4 резисторы подгоняют так, чтобы выходное напряжение моста менялось при изменении температуры по тому же закону, что и ТЭДС при изменении температуры свободных концов. Масштабирование сигнала, т. е. его изменение в k раз, удобнее всего выполнить с помощью измерительного усилителя, имеющего стабильный коэффициент усиления. Для этого усилитель охватывают отрицательной обратной связью ОЦ.
U~const |
При использовании резистивных датчиков для смещения нуля сигнала применяют неуравновешенные мосты, выходное напряжение которых зависит от разности сопротивлений. На рис. 10-9 приведена схема такого моста, предназначенного для работы с термометром сопротивления ТС. Чтобы исключить влияние изменения сопротивления соединительных проводов на выходной сигнал моста, термометр сопротивления включают по трехпроводной схеме. Увеличение сигнала в к раз может быть осуществлено, как и в случае с термопарой, измерительным усилителем. При этом к зажимам а, в (рис. 10-9) подключают аналогичный усилитель (см. зажимы а, Ъу рис. 10-8), охваченный отрицательной обратной связью для стабилизации коэффициента усиления.
Возможны и другие способы смещения нуля и масштабирования. В приведенном примере унифицирующее преобразование выполнялось в аналоговой форме. Значительно выгоднее преобразовывать аналоговый сигнал в код, а затем выполнять масштабирование и линеаризацию [28, 42].
Коммутирующие устройства или коммутаторы наиболее часто используются для поочередного подключения датчиков ко входу системы или, иначе говоря, для временного разделения каналов.
Если коммутаторы предназначены для переключения аналоговых сигналов, например напряжений, то его основной характеристикой является погрешность коэффициента передачи:
V вых — Ubx
вх |
6-
U
где с/вх —сигнал на входе коммутатора; иВЫх — сигнал на выходе коммутатора.
При передаче кодовых сигналов или при частотной модуляции носителей эта характеристика практически не имеет значения. К другим характеристикам относятся: быстродействие или число переключений в секунду; число датчиков, которое может обслужить коммутатор; максимальная частота коммутации каждого канала.
По принципу действия коммутаторы делятся на контактные и бесконтактные. В контактных коммутаторах датчик подключается замыканием механических контактов, т. е. контактными ключами. Контактные ключи, к которым относятся электромагнитные реле всевозможных типов, обладают малым сопротивлением в проводящем состоянии Rnp (сотые доли ома) и практически бесконечно большим в разомкнутом /?обР. Быстродействие контактных ключей предельная рабочая частота не превышает нескольких сотен герц. К контактным коммутаторам относятся и силовые искатели, частота переключений которых не превышает нескольких десятков герц.
Бесконтактные ключи представляют собой элементы с управляемой проводимостью, например диоды, транзисторы, фоторезисторы и др. Они позволяют производить переключения с частотой в десятки мегагерц, но у них сопротивление #Пр значительно больше, чем у бесконтактных, a Roop отлично от бесконечности.
По конструкции коммутаторы можно разделить на аппаратные и схемные.
К аппаратным, представляющим собой конструктивно целое устройство, относятся, например, шаговые искатели, ртутно-струйные коммутаторы, электронно-лучевые распределители и др. Среди них наиболее распространенным типом является шаговый искатель, представляющий собой ряд неподвижных пластин, расположенных по окружности, на которых имеются изолированные ламели — контактное поле. Вдоль этого контактного поля перемещается подвижная щетка. Число неподвижных контактов в одном ряду у шаговых искателей— 11, 17, 25 или 50, а число рядов, по которым одновременно перемещаются жестко связанные между собой, но электрически изолированные щетки, равно 4—8. Коммутация шаговыми искателями происходит со скоростью, не превышающей нескольких десятков шагов в секунду.
Схемные коммутаторы собираются по какой-либо схеме из контактных или бесконтактных ключей.
Коммутаторы могут работать в режиме обегающего и выборочного контроля. В первом режиме к системе периодически поочередно подключаются все датчики. В режиме выборочного контроля подключение датчиков происходит по некоторой программе.
Запоминающие устройства. В ИИС измерительную информацию приходится не только использовать в процессе измерения и контроля, но и хранить в течение определенного времени. Кроме того, в ряде случаев информация вообще не может быть использована непосредственно после ее получения и должна быть сохранена в запоминающем устройстве (ЗУ).
Основными характеристиками любого ЗУ служат его емкость и скорость записи и получения необходимой информации.
ЗУ часто делят на оперативные — более быстродействующие, но обладающие сравнительно малой емкостью, и внешние — с низким быстродействием, но с большей емкостью. Кроме того, их можно подразделить на периодические и непериодические. В периодических записанная информация находится в периодическом движении по отношению к записывающим и считывающим устройствам. Поэтому информация может быть выбрана только в определенные моменты времени. В непериодических движение информации отсутствует и ее выборка осуществляется специальными переключающими цепями в любой произвольный момент времени. Скорость получения данных в этом случае больше.
Информация из ЗУ может выбираться как с ее разрушением, так и без разрушения. В некоторых устройствах с разрушением вместо разрушенной информации вводится новая.
ЗУ могут быть выполнены: на магнитных сердечниках; на перфораторных картах и лентах; на магнитных носителях и др.
Перфокартные ЗУ представляют собой стандартные ленты (перфоленты) или карты (перфокарты), информация на которые записывается в виде кодовых комбинаций круглых или прямоугольных отверстий, причем коду «1» соответствует отверстие, а коду «О» — его отсутствие. Коды чисел записываются на ленту в виде параллельных дорожек, каждая из которых соответствует определенному разряду.
При выборке информации с ленты все разряды считываются параллельно. Осуществляется считывание, например, с помощью контактных щеток, скользящих по поверхности ленты. При попадании щетки в отверстие в ее цепи возникает импульс тока, фиксируемый специальным устройством. Существуют и другие методы считывания, например с помощью фотоэлементов. С перфоленты информация считывается со скоростью 150—300 знаков в секунду.
Емкость перфокарт может достигать 960 двоичных разрядов, или 24 чисел. Практически число разрядов, записанное на перфокарте, оказывается меньшим «з-за необходимости иметь служебную информацию, например номер перфокарты и т. д. Информация с перфокарт может выводиться теми же методами, что и с перфолент.
Перфораторные ЗУ имеют то преимущество, что могут неограниченно долго храниться и многократно использоваться. Широкое распространение перфораторных ЗУ объясняется тем, что большинство вычислительных машин имеет устройства для ввода информации с перфораторных ЗУ и вывода информации на них.
Среди ЗУ с магнитными носителями широко распространены магнитографы (магнитофоны), устройства с магнитными дисками и магнитными барабанами. Емкость подобных ЗУ достигает нескольких сот миллионов- единиц информации.
Устройства представления информации. В связи с резким возрастанием потоков информации, получаемых с помощью ИИС, чрезвычайно важным становится согласование этого потока с пропускной способностью человека-оператора.
Эффективная деятельность оператора, т. е. скорость, с которой он воспринимает информацию, точность восприятия и т. д. определяются в первую очередь психофизиологическими факторами, характеризующими человека. Кроме того, важен характер информации и особенности технических средств. Поэтому при проектировании устройств отображения приходится решать самые разнообразные задачи. К ним относится и компоновка щитов, на которых располагаются приборы, и определение типов знаков (символов), их форм, размеров, цвета и многое другое.
Информацию, представляемую оператору, можно подразделить на три группы: оперативную, или экспресс-информацию, используемую оператором непосредственно в процессе контроля или управления технологическим процессом; статистическую, необходимую для последующей статистической обработки и обобщений результатов контроля и измерения; отчетную, предназначенную для документирования результатов контроля и измерения.
Оперативная информация, как правило, представляется оператору с помощью показывающих устройств или средств сигнализации, а статистическая \м отчетная — с помощью регистрирующих устройств. Выбор того или иного показывающего устройства осуществляют, исходя из требований, предъявляемых к устройствам отображения: точности, наглядности и т. д.
Показывающие устройства определяют количественную информацию о каждом измеряемом параметре. Однако при большом числе измеряемых ^параметров необходимо большое число показывающих устройств, с просмотром которых оператор может не справиться. Работа оператора облегчается, 'если информация ему выдается в комплексном виде. Можно, например, заменить отдельные приборы одним экраном, на котором несколько значений параметров изображено разным цветом в виде графиков или таблиц.
В ряде случаев оператору целесообразно получать обобщенную информацию, характеризующую поведение объекта (или процесса) в целом. Такие формы предусмотрены в специальных устройствах — дисплеях.
Широкое применение для характеристики качественной информации нашли в системах устройства сигнализации, показывающих, протекает ли контролируемый процесс нормально или его параметры вышли за допустимые пределы.
В последнее время все чаще используются устройства отображения с иерархическим (многоступенчатым) способом определения информации. Информация в этом случае предъявляется оператору в несколько этапов. На первом этапе оператору показывается мнемосхема, изображающая исследуемый объект и он получает качественную информацию о поведении объекта в целом. На следующем этапе оператору по его вызову сообщается качественная информация о поведении отдельных блоков и устройств объекта. В дальнейшем происходит все большая детализация участков объекта. На последнем этапе оператору, по его требованию, представляется количественная информация от отдельных датчиков.
Регистрирующие устройства (РУ), наиболее часто используемые в системах, можно подразделить на механические и немеханические.
Механические цифропечатающие машины (ЦПМ), несмотря на сравнительно малое быстродействие (от 5—7 знаков в секунду до 25—30 строк в секунду, причем число знаков в строке может достигать нескольких сотен), .все шире используются для регистрации выходной информации в ИИС. Это объясняется тем, что они обеспечивают хорошее качество регистрации, а по Простоте и стоимости намного лучше немеханических РУ [1].
Немеханические РУ, к которым относятся светографические электроискровые; электрохимические; феррографические (магнитографические), обладают ■ значительно большим быстродействием, порядка 50—200 строк в секунду при числе знаков в строке 120—160, но все они значительно сложнее, дороже и требуют, как правило, специальных сортов бумаги [28].
10.4. ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИИС
При создании информационной измерительной системы наиболее ответственным, определяющим эффективность ее работы при эксплуатации является этап проектирования. Этому этапу предшествует организационный период, когда принимается решение о целесообразности создания и внедрения ИИС: выделяются специалисты, денежные средства, производственные площадки и оборудование, а также разрабатываются календарные графики выполнения работ и т. д.
Разработка технического задания на систему |
Оценка параметров алгоритмической структуры |
Эксперимёнталь ное определение характеристик измеряемых величин |
При проектировании ИИС ориентировочно решается такая последовательность вопросов, взаимосвязь которых показана на рис. 10-10.
Ориентировочное
составление алгоритмической структуры системы
Реализация системы на объекте и ее испытание |
Выбор структуры системы |
Выбор технических средств для системы |
Оценка ожидаемых эффективности или качества системы с поэтапным уточнением
Окончательное составление алгоритмиче -ской структуры системы
Рис. 10-10
Разработка технического задания (ТЗ) на систему должна включать определение: круга задач, решаемых с ее помощью; требований, которым система должна удовлетворять; погрешностей, быстродействия, надежности и т. д.; условий в которых система будет функционировать (температура, давление, влажность, источники питания, особые условия); ограничений, например, по размеру, массе, стоимости или по используемым материалам и т. д.
При составлении ТЗ необходимо обратить внимание на ряд обстоятельств, важных для повышения эффективности системы: уровень автоматизации на избранном производстве, квалификацию ИТР и обслуживающего персонала, возможности использования существующих измерительных устройств для включения в систему; предварительный анализ экономической эффективности при внедрении ИИС.
Значительное место в ТЗ может занимать выбор выходной и входной измерительной информации. Трудность такого выбора определяется не только отсутствием подчас прямых способов измерения комплексных узкоотраслевых свойств и составов промежуточной и конечной продукции, но и различными требованиями к перечню измеряемых величин на этапах испытаний, исследований и модернизации производств, по сравнению с этапом постоянной промышленной их эксплуатации. Поэтому уже на этапе составления ТЗ необходимо предусмотреть возможности совершенствования, расширения функций
ИИС, а также подход к исправлению просчетов и ошибок в ТЗ, которые могут быть выявлены при испытании системы.
Составление алгоритмической структуры системы заключается в поиске и анализе существующих решений подобных задач, в изучении новейших разработок в смежных отраслях науки и техники, в использовании апробированных и оригинальных методов получения и обработки измерительной информации.
Обработка измерительной информации касается не столько вычислительных операций над данными прямых, косвенных и совокупных измерений с целью получения оператором результатов измерений в удобной для него форме, сколько для использования алгоритмических и структурных способов повышения достоверности измерительной информации (см. 1.5). Такая возможность применения ИИС особенно целесообразна в тех случаях, когда исходная информация от датчиков недостаточно достоверна ввиду большого числа влияющих, дестабилизирующих факторов, отсутствия датчиков для прямого измерения тех или иных технологических параметров, наличия сильной корреляционной связи между измеряемыми технологическими величинами и т. п.
Сложность определения, поддержания и поверки метрологических характеристик ИИС, особенно для многоканальных систем со сложной структурой, ставит перед разработчиками ИИС задачу автоматической поверки метрологической исправности элементов и каналов в функционирующей системе. Решение метрологического обеспечения ИИС должно быть учтено при составлении алгоритмической структуры ИИС и реализовано при выборе технических средств для системы.
В информационной измерительной системе для технологических измерений в ЦБП могут быть рекомендованы следующие алгоритмические способы повышения достоверности измерительной информации о технологических величинах:
1. Аналитическая градуировка функций преобразования датчиков для исключения их погрешностей нелинейности.
2. Коррекция или функциональная минимизация погрешностей (систематических, прогрессирующих или медленно изменяющихся случайных погрешностей), в частности путем автоматической поверки нуля и чувствительности измерительных каналов (от датчика или от вторичного преобразователя) или на основе использования принципа инвариантности академика Б. Н. Петрова с применением структурной избыточности.
3. Уточнение значений измеряемых величин, связанных известными аналитическими зависимостями (например, уравнениями непрерывности, материального баланса и т. п.).
4. Введение поправок на изменение дестабилизирующих факторов для коррекции показаний датчиков, т. е. уменьшения их дополнительных погрешностей.
5. Статистическая обработка данных измерений случайных величин» в частности для определения стохастических зависимостей между технологическими величинами.
6. Фильтрация низкочастотных и высокочастотных помех для исключения случайных погрешностей, связанных с диффузностью характеристик самого
365 объекта измерения и с наводками и шумами, влияющими на датчики и измерительные каналы.
7. Сравнение измеряемой величины с минимальным и максимальным ее значениями, за пределы которых по физическим соображениям она не должна выходить, причем эти значения не должны совпадать с нижними и верхними пределами измерений датчиков. Сравнение значения измеряемой величины во времени, т. е. производной, физически реализуемой в технологическом процессе, со значением реальной скорости изменения величины в объекте. Определение фактов превышения сигналами этих значений применяется для обнаружения неработоспособного состояния или слоя измерительного канала. Эти сигналы в дальнейшем не учитываются при расчете результатов измерений.
В целом эти четыре этапа (рис. 10-10) объединяются созданием научной базы для обоснованного принятия решения по выбору структуры ИИС, удовлетворяющей требованиям ТЗ. Важную роль при этом играет опыт и знания проектировщиков, так как часто процесс приема решений может опираться на экспертные оценки.
Выбор структуры системы и технических средств ее реализации заключается в определении некоторого множества возможных допустимых вариантов, удовлетворяющих предъявляемому ТЗ, и сравнении их между собой для отбора наилучшего.
Как в первой части, так и во второй возможно вести работу в двух направлениях. Либо синтезировать систему из имеющихся и принципиально новых узлов для удовлетворения требований ТЗ. Либо пересмотреть ТЗ для смягчения требования и ограничений, если выбираемые варианты отличаются слишком большой стоимостью, трудностью технической реализации или большими сроками исполнения. Если удается выбрать наилучший вариант в смысле определенного критерия эффективности ИИС при удовлетворении основных требований ТЗ, то переходят к реализации системы на объекте.
Дальнейшая работа над ИИС — создание опытного образца и его испытание на объекте. Этот этап работы над системой является исключительно ответственным. При установке, монтаже, наладке устройств и реализации алгоритмов и программ обработки информации в ИИС выявляются все предыдущие недоработки и ошибки. Кроме того, проектировщикам систем необходимо предусмотреть достаточно большой объем испытательного оборудования и дополнительных программ технического диагностирования ИИС.
В заключение ИИС проходит опытно-промышленную эксплуатацию, после чего осуществляются внедрение системы в производство и анализ истинного экономического эффекта, который дает ИИС.
Указанная на рис. 10-10 последовательность работы при проектировании ИИС ориентировочна. В зависимости от конкретных условий может варьироваться как их последовательность, так и необходимость выполнения тех или иных этапов работы. Однако в любом случае на каждом из этапов работы принятие решения должно опираться на критерии оценки эффективности и качества ИИС. Причем эти критерии могут иметь ориентировочные значения, ^ по мере детальной разработки ИИС принимать уточненные значения вплоть до расчета окончательных их значений при внедрении системы в производство.
Трудности оценки эффективности и качества ИИС заключаются в том, что сравнение систем и вариантов их структуры и технической реализации должно проводиться не по отдельным характеристикам, а по совокупности характеристик, которая к тому же может оказаться их сложной аналитической функцией [28, 42].
В последние годы ведутся интенсивные работы по отысканию обобщенных показателей качества (ОПК) ИИС. Однако пока нет ни единых отдельных показателей для систем при их сравнении, ни единой терминологии в квалиметрии систем. Хотя разработка таких оценок чрезвычайно трудоемка и сложна, она окупится той выгодой, которая будет получена при принятии правильных, а не ложных решений при создании ИИС.
Существующие подходы к оценке ОПК можно свести к следующим.
1. Определение эффективности системы путем сравнения ее с какой-то
другой. В этом случае критерий эффективности К имеет следующий вид:
Ср(/, п)/и(*, п)
где /Р (/, п) — количество информации, получаемое реальной «-канальной системой; /и (ty п) — количество информации, получаемое идеальной /г-каналь-ной системой; Ср(/, п) — математическое ожидание стоимости реального процесса контроля; Cn(t, п) — математическое ожидание стоимости идеального процесса контроля за время
Критерии подобного вида не могут быть использованы при разработке новых систем, которые не с чем сравнить. Кроме того, и при наличии уже существующих систем иногда трудно определить, например стоимость идеального процесса контроля, поскольку здесь возможны различные толкования.
2. Построение ОПК в виде суммы частных показателей с некоторыми ве-
совыми коэффициентами. Обобщенный показатель в простейшем случае за-
писывают в виде линейной суммы:
m _____
К= %Р1Щ, i = T, т (Ю-4)
частных показателей аи характеризующих j-fi вариант системы. Коэффициенты pi представляют собой весовые коэффициенты, показывающие важность данного показателя, его вес или вклад в обобщенный показатель.
Для определения весовых коэффициентов собирают мнение (по установленной программе и правилам) специалистов в данной области и на основании экспертных оценок важности частных показателей формируют таблицы или матрицы этих коэффициентов. Часто такой метод оценки качества по принципу, положенному в основу определения весовых коэффициентов, называют методом экспертных оценок.
ОПК в виде линейной суммы не всегда позволяет учесть многообразие требований, предъявляемых к системе. Иногда более удобным оказывается
показатель в виде т
т ____
К = 2p<f(«i), i=h m, (Ю-5>
где f(oa) —функция, показывающая зависимость ОПК от i-ro частного показателя качества.
Иногда невыполнение требований, предъявляемых к каким-либо частным критериям ш Тр, делает бессмысленным создание всей системы. В этих случаях обобщенный показатель качества усложняют и он приобретает вид
К = П 1 (ос* — щ Тр) 2 Pit (10-6)
где {s} — перечисление исключенных из произведения индексов, a 1 (а*— —а* тр) —единичная функция, равная 0 при at<ai тр.
Из произведения исключаются множители, соответствующие частным критериям, невыполнение которых не ведет к бессмысленности дальнейшей работы. ОПК вида (10-6) является наиболее общим, из которого можно получить показатели вида (10-4) и 10-5).
3. Третий подход к определению ОПК заключается в том, что находят взаимосвязь между стоимостью системы и набором ее технических характеристик. В настоящее время такая взаимосвязь для устройств, входящих в ИИС, не найдена. Поэтому, анализируя каждую существующую структуру (схему, узел и т. п.), проектировщик должен понять, за счет чего, т. е. каких схемных решений (каких элементов, методов коррекции, компенсации, автоподстройки и т. п.), в каждом случае получены те или иные преимущества в технических характеристиках. Создавая собственную структуру системы, он должен учесть недостатки каждой из сравниваемых (зная чем они обусловлены) и все достижения, которые можно и нужно использовать в новой ИИС. Тогда, если разработчик выполняет требования технического задания при проектировании системы, то из сравниваемых наилучшей ИИС, как правило, будет более дешевая.
В этом случае процесс выбора оптимальной системы можно свести к сравнительному анализу стоимости [6] возможных структур, обеспечивающих заданные характеристики и, в частности, точность и быстродействие.
Кроме перечисленных технических показателей качества ИИС, при их проектировании необходимо учитывать экономическую эффективность системы от внедрения ее в производство. Эта эффективность определяется, с одной стороны, стоимостью создания и эксплуатации системы (с учетом ее надежности), а с другой — доходами от повышения производительности, качества, снижения себестоимости продукции, улучшения условий труда и техники безопасности и т. п. при внедрении ИИС. Учет перечисленных факторов весьма сложен и неоднозначен (из-за наличия, как правило, в контуре управления для реализации решений на объекте человека-оператора).
Существующие методики расчета экономической эффективности внедрения ИИС [42] следует считать ориентировочными, но достаточными для принятия решений по сравниваемым вариантам как на этапе предварительных расчетов при составлении ТЗ, так и при уточненных расчетах на этапах разработки ИИС и реализации ее на объекте.
[1]Правила 28 — 64 измерения расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. М., 1968. 151 с.
чаются.
[3]Удобно пользоваться раствором концентрацией 1 г-экв растворенного вещества на 1 л раствора, называемым нормальным и обозначаемым «н». Нормальный раствор, разбавленный в 10 и 100 раз, называется соответственно децинормальным и сантинормальным.
[4] Т. е. для всех органических жидкостей, некоторых кислот, воды и т. п.,
[5]Измерительный блок — частотомер для измерения частот, их разницы и их отношения — выполнен на ферриттранзисторных логических элементах.
[6] Стоимость тоже можно рассматривать как обобщенный показатель, так как стоимость системы определяется числом элементов, их ценой, потребляемой мощностью и т. д. Однако такой обобщенный экономический показатель не следует путать с обобщенными техническими показателями качества, о которых шла речь.
Дата добавления: 2015-06-22; просмотров: 585;