ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Использование достижений микроэлектроники и вычислительной техники в электроизмерительной технике определяют в настоящее время одну из основных тенденций ее развития, для которой характерна компьютеризация средств измерений. Рассмотрим характерные формы проявления этой тенденции.

Прежде всего, она проявляется в постепенной замене аналоговых средств измерений цифровыми, которые, в свою очередь, становятся все более универсальными и «интеллектуальными».

В качестве примера рассмотрим этапы развития производства осциллографов на фирме «Хьюлет‑Пакард» – одной из ведущих в этой области. Свои первые ламповые осциллографы НР130А и НР150А фирма выпустила еще в 1956 г., а первый полупроводниковый (НР180А) – в 1966 г. К 80‑м годам этой и другими фирмами было выпущено огромное количество аналоговых осциллографов различного назначения, причем многие из них обладали прекрасными техническими характеристиками. Однако уже в 1980 г. фирма «Хьюлет‑Пакард» пришла к выводу, что цифровая техника может предложить лучшее и более дешевое решение задачи регистрации, отображения и обработки аналоговых сигналов, а с 1986 г. вообще прекратила выпуск аналоговых осциллографов, заменив их цифровыми. В 1992 г. фирма выпускала уже целую серию цифровых осциллографов; в эту модульную серию 54700 входит, в частности, сменный блок 54721 А с полосой 1 ГГц и частотой дискретизации 4 Готсчет/с.

Аналогичный процесс прошел на фирме «Голд» (Gould, США). Свой первый цифровой осциллограф фирма выпустила в 1975 г., а в 1988 г. прекратила выпуск аналоговых. В 1992 г. фирма выпускала 15 моделей цифровых осциллографов с полосой от 7 до 200 МГц и частотой дискретизации от 0,02 до 1,6 Готсчет/с.

Если для визуального наблюдения исследуемых процессов достаточно разрешения 8 бит, то для более сложного и точного анализа этого часто недостаточно. Поэтому постоянно ведется работа по повышению точности цифровых осциллографов. Например, фирма «Николь Инструмент корп.» (Nicolet Instrument Corp., США) предлагает осциллографы серии 400 с разрешением по вертикали 14 бит, что, конечно, недостижимо для аналоговых осциллографов.

Цифровые осциллографы не просто заменяли аналоговые, но и предоставляли потребителям новые возможности, связанные со способностью новых приборов хранить, выводить, обрабатывать и сравнивать параметры наблюдаемых сигналов. Современные цифровые осциллографы выполняют множество функций анализа сигналов, включая анализ спектра с использованием алгоритмов быстрого преобразования Фурье. В них может быть встроен принтер или плоттер, позволяющие получать твердую копию протокола или графика. Наличие узлов стандартных интерфейсов позволяет подключать цифровой осциллограф к персональному компьютеру и вычислительной сети; более того, он сам обладает возможностями небольшого компьютера. Подобные осциллографы одними из первых начали выпускать японские фирмы «Хиоки» (Hioki, модель 8850) и «Иокогава» (Yokogawa, модели 3655 и 3656).

На примере цифровых осциллографов можно проследить одно из направлений компьютеризации электроизмерительной техники. Создаются новые средства измерений с цифровой обработкой сигналов измерительной информации и возможностью построения на их основе измерительно‑вычислительных систем различного назначения. В эти измерительные приборы и системы встраиваются элементы компьютерной техники, обеспечивающие цифровую обработку сигналов, самодиагностику, коррекцию погрешностей, связь с внешними устройствами и т.д.

Другое направление связано с появлением в начале 80‑х годов и широким распространением персональных компьютеров (IBM PC и других). Если у потребителя есть такой компьютер, то у него фактически есть многие узлы компьютерного средства измерений: вычислительное устройство, дисплей, устройство управления, корпус, источники питания и др. Недостает лишь устройств ввода измерительной информации в компьютер (аналоговых измерительных преобразователей, устройств гальванического разделения, масштабирования, нормализации и линеаризации, АЦП и др.), ее предварительной обработки (если желательно освободить от этой работы компьютер) и специального программного обеспечения.

Поэтому в 80‑х годах устройства ввода аналоговой измерительной информации в персональные компьютеры (ПК) начали серийно выпускаться в виде плат, встраиваемых в кросс ПК, в виде наборов модулей, встраиваемых в общий корпус (крейт) расширяемых шасси ПК, или в виде автономных функциональных модулей, подключаемых к ПК через внешние разъемы.

Эффективная предварительная обработка информации в такого рода устройствах стала возможной с появлением специализированных больших интегральных схем – цифровых процессоров сигналов (ЦПС). Первые однокристалльные ЦПС выпустила в 1980 г. японская фирма «НИСи корп.» (NEC Corp.), с 1983 г. аналогичную продукцию начали выпускать фирмы «Фуджицу» (Fujitsu, Япония) и «Техас Инструменте» (Texas Instruments, (США)); позднее к ним присоединились «Аналог Дивайсис» (США), «Моторола» (Motorola, США) и др.

Нужно отметить по меньшей мере две особенности компьютерных средств измерений. Во‑первых, они могут быть весьма просто приспособлены для измерений различных величин; поэтому на их основе строятся универсальные средства измерений. Во‑вторых, все большую долю в их себестоимости занимает стоимость программного обеспечения, освобождающего потребителя от выполнения многих рутинных операций и создающего ему максимум удобств при решении основных задач измерений.

Примером могут служить так называемые виртуальные средства измерений. В них программным путем на дисплее ПК формируется изображение лицевой панели измерительного прибора. Этой панели на самом деле физически не существует, а сам прибор состоит, например, из ПК и встроенной в него измерительной платы. Тем не менее у потребителя создается полная иллюзия работы с обычным прибором: он может нажимать на клавиши управления, выбирая диапазон измерения, режим работы и т.д., получая, в конце концов, результат измерения.

Дальнейшая микроминиатюризация электронных компонентов привела, начиная с 80‑х годов, к развитию еще одного направления компьютеризации средств измерений – к созданию не только «интеллектуальных» приборов и систем, но и «интеллектуальных» датчиков.

Такой датчик содержит не только чувствительный элемент, но и сложное электронное устройство, состоящее из аналоговых и аналого‑цифровых преобразователей, а также микропроцессорных устройств с соответствующим программным обеспечением. Конструкция «интеллектуального» датчика позволяет устанавливать его в непосредственной близости от объекта исследований и производить ту или иную обработку измерительной информации. При этом в центр сбора данных, который может находиться на значительном расстоянии от объекта, информация передается с помощью сигналов, обладающих высокой помехоустойчивостью, что повышает точность измерений.

В качестве примера рассмотрим технические возможности «интеллектуального» датчика абсолютного давления, выпускаемого японской фирмой «Фуджи» (FUJI, модель FKA), который обеспечивает измерение давления жидкости, газа или пара в диапазоне от 0,16 до 30 бар с погрешностью не более 0,2% в диапазоне рабочих температур от ‑40 до + 85°С. Он состоит из емкостного чувствительного элемента и электронного устройства, смонтированного в стальном корпусе объемом со спичечный коробок. Его питание осуществляется от внешнего источника постоянного тока с напряжением от 11 до 45 В, который может располагаться в нескольких километрах от датчика в центре сбора данных. Измерительная информация передается по проводам источника питания (двухпроводный датчик) в аналоговой форме – постоянным током от 4 до 20 мА, а также цифровым сигналом, наложенным на аналоговый.

Датчик может быть легко превращен в измерительный прибор путем установки на нем четырехразрядного цифрового жидкокристаллического индикатора или аналогового милливольтметра. Такими датчиками можно управлять с помощью специальных пультов и объединять их в измерительную систему. Каждый датчик осуществляет операции самодиагностики, линеаризации функции преобразования, масштабирования, установки диапазона измерений, температурной компенсации и т.д.

Наряду с компьютеризацией электроизмерительной техники интенсивно развивается ее метрологическое обеспечение, причем эталоны высокой точности становятся доступными промышленности. Например, еще в 1982 г. фирма «Флюк» (Fluke, США) выпустила калибратор напряжения для поверки 6,5‑ и 7,5‑разрядных мультиметров. Этот прибор (модель 5440А), построенный на базе ЦАП с широтно‑импульсной модуляцией, обеспечивает относительную погрешность не более 0,0004% при работе непосредственно в цехе.

Для построения современных средств измерений с наиболее высокими метрологическими характеристиками, включая эталоны вольта и ампера, решающее значение имеет использование квантовых эффектов Б. Джозефсона и Холла.

Эффект Б. Джозефсона был предсказан в 1962 г. английским физиком Б. Джозефсоном и экспериментально обнаружен в 1963 г. американскими физиками П. Андерсоном и Дж. Роуэллом. Одно из проявлений данного эффекта состоит в следующем. При облучении контакта Б. Джозефсона – тонкого слоя диэлектрика между двумя сверхпроводниками – высокочастотным электромагнитным полем, на вольт‑амперной характеристике такого контакта возникают скачки напряжения, пропорциональные частоте. Высокая точность воспроизведения скачков напряжения на контактах Б. Джозефсона позволила в 80‑х годах построить эталоны вольта с погрешностями не более 0,0001%.

Использование эффекта Б. Джозефсона и явления квантования магнитного поля в односвязных сверхпроводниках привело к созданию чрезвычайно чувствительных сверхпроводящих квантовых интерференционных приборов – СКВИДов, измеряющих магнитные потоки. Применение измерительных преобразователей различных физических величин в магнитные потоки позволило создать на основе СКВИДов измерительные приборы и устройства различного назначения, обладающие рекордно высокой чувствительностью: гальванометры, компараторы, термометры, магнитометры, градиентометры, усилители. На основе эффекта Б. Джозефсона строятся и другие устройства, служащие для обработки измерительной информации, например, АЦП и цифровые процессоры сигналов с тактовыми частотами свыше 10 ГГц.

Квантовый эффект Холла был открыт в 1980 г. К. фон Клитцингом (ФРГ). Эффект наблюдается при низких температурах (около 1 К) и проявляется в виде горизонтального участка на графике зависимости холловского сопротивления полупроводниковых датчиков Холла от магнитной индукции. Погрешность сопротивления, соответствующего этому участку, не превышает 0,00001%. Это позволило использовать квантовый эффект Холла для создания эталонов электрического сопротивления.

Использование квантовых эффектов Б. Джозефсона и Холла позволило разработать эталоны постоянного электрического тока, превышающие по точности эталоны на основе токовых весов, применявшихся почти всю вторую половину XX в. В нашей стране новый государственный первичный эталон введен с 1992 г. Он воспроизводит ампер с погрешностью не более 0,00002% (токовые весы обеспечивали погрешность не более 0,0008%).

Рассмотренные эффекты проявляются при низких температурах, что служит главным препятствием для их широкого использования. Однако открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников позволяет ожидать создания средств измерений, построенных на интегральных схемах и работающих при температурах около 100 К. Это был бы новый качественный скачок в развитии электроизмерительной техники.

[1]Термин «электрический ток» был введен A.M. Ампером (см. § 2.5).

[2]Если цепь питается от батареи, то ток пропорционален ЭДС элемента (в числителе), а в знаменателе кроме сопротивления цепи указывается и внутреннее сопротивление элемента.

[3]Термин «электротехника» стал употребляться именно после Международной «электротехнической» выставки 1881 г. и последовавшего за ней конгресса электриков.

[4]Без линии электропередачи постоянного тока 800 кВ (0,48 тыс. км).

[5]Указаны линейные напряжения в группе трансформаторов.

[6]Каждому габариту соответствовал свой внутренний диаметр корпуса статора (станины).