3.5.2.2. Измерительные системы
Современный объект исследований можно представить в виде распределённого в пространстве информационного поля:
а4 а2
а7
а6 а5 а1
а3
Для оценки состояния объекта оперативную информацию необходимо получать из нескольких источников информации (точки аi) этого информационного поля.
Существует несколько способов получения информации от распределённых объектов.
Один из способов получения информации от информационного поля предусматривает наличие одного датчика, который перемещением в пространстве (сканированием) позволяет получать информацию от всех источников информационного поля объекта.
Этот способ используется в том случае, когда физические величины, характеризующие состояние объекта, являются однородными (например, исследование температурных полей, электрохимических свойств морской воды и т.д.).
Другой способ заключается в том, что во всех точках аi располагаются соответствующие первичные преобразователи, а информацию получают последовательным или одновременным опросом каждого преобразователя.
Этот способ применяется в том случае, когда необходимо измерять разнородные физические величины, несущие информацию о состоянии исследуемого объекта.
Таким образом, по способу получения информации от объекта исследований многоканальные ИС можно объединить в 2 группы:
1) ИС последовательного действия;
2) ИС параллельного действия.
ИС последовательного действия включают в свой состав
- сканирующие,
- многоточечные и
- мультиплицированные системы.
Сканирующие ИС.
Сканирующими называются одноканальные ИС, датчики которых перемещаются в пространстве и дают возможность получать информацию из различных точек исследуемого информационного поля.
Применение сканирующих ИС позволяет:
- определять значение параметров в любой точке информационного поля;
- определять координаты точки с заданным значением параметра;
- определять значения, расположение и форму экстремумов параметра информационного поля;
- определять расположение линий и площадей с одинаковым значением параметров;
- определять расстояние до любой точки информационного поля.
Это класс ИС, который по разнообразию конструкций превосходит любой другой.
Основным элементом является сканирующий датчик, в котором реализуется один из многих способов сканирования.
По виду взаимодействия сканирующего датчика с информационным полем существуют контактные и бесконтактные способы сканирования.
Контактные обладают высокой точностью, простотой реализации, но имеют невысокую надёжность и не всегда физически реализуемы.
Бесконтактный вид сканирования наиболее широко применяется в ИС.
В зависимости от вида обмена энергией между объектом и ИС способы сканирования делятся на активные и пассивные.
Активные предусматривают некоторое воздействие (вносимую энергию) на объект.
О состоянии объекта исследований судят по его реакции на это воздействие (радиолокационные измерения, измерение параметров объекта при помощи вихретоковых преобразователей, при лазерных измерениях и т.д.).
Пассивные основаны на использовании энергии объекта (некоторые виды измерения температуры нагретых тел, определение поверхностных и объёмных зарядов, поиски полезных ископаемых, основанные на использовании магнитного поля Земли и др.).
К этому способу относят способ, основанный на использовании энергии, не создаваемой ни объектом, ни ИИС (отражённый солнечный свет).
Пассивные способы сканирования значительно проще в реализации, т.к. при их использовании необходимо осуществлять сканирование лишь приёмника информации - датчика.
Однако активные способы сканирования позволяют получать при измерениях более высокие точность и чувствительность.
При организации сканирующего привода возможны два способа его реализации:
- электромеханический (радиолокатор с механическим приводом антенны);
электронный (ЭЛТ, лазерные измерители).
Основное достоинство электромеханической развертки - высокая точность сканирования.
Недостаток - малое быстродействие.
Основное достоинство электронной развертки - высокое быстродействие и простота управления.
В зависимости от траектории движения сканирующие системы можно разделить на:
- программные;
- адаптивные.
Программное сканирование: определение карты температурного поля объекта, расшифровка и передача фотоизображений при астрономических и физических экспериментах.
Адаптивное используется при поиске экстремумов параметров информационного поля, для считывания графиков при вводе в ЭВМ и др.
Сканирующие ИИС могут быть выполнены точечными или матричными.
Многоточечные ИС.
При последовательном сборе информации о состоянии объекта, характеризующегося разнородными физическими величинами, используются многоточечные, или мультиплексорные ИС.
Первичные измерительные преобразователи здесь располагаются в каждой исследуемой точке информационного поля, и данные от них последовательно во времени поступают в измерительный канал, где они преобразуются, измеряются, обрабатываются и отображаются или запоминаются.
Подключение первичных преобразователей к измерительному каналу осуществляется при помощи измерительных системных коммутаторов (мультиплексоров).
В этих системах при множестве датчиков {Дi}in имеется всего один измерительный канал (рис. а) и измерительный коммутатор SW либо множество датчиков {Дi}in и множество индикаторов {Вi}in (рис. б):
Измерительные коммутаторы служат для согласования параллельных и последовательных элементов во времени.
Они должны обладать определенными метрологическими характеристиками (погрешность, быстродействие и др.).
Лучшие по точности результаты дают контактные измерительные коммутаторы (относительная погрешность составляет 10-5... 10-6), но они имеют низкое быстродействие и малое количество коммутируемых цепей.
Бесконтактные измерительные коммутаторы имеют более низкую точность (относительная погрешность составляет 10-3... 10-4), но значительно лучшие остальные показатели.
Недостаток систем - пониженные быстродействие и точность за счет использования ключей коммутаторов.
Мультиплицированные ИС.
В некоторых случаях, при ограниченном числе измеряемых параметров (меньше 20), вместо многоточечных измерительных систем применяются так называемые мультиплицированные ИС.
Они представляют собой совокупность одноканальных измерительных систем, объединенных общей образцовой мерой и одним средством отображения информации:
Благодаря использованию в мультиплицированных ИС принципа развертывающего уравновешивания удалось избежать применения коммутационных элементов, что позволило в свою очередь получить более высокую точность и быстродействие, приближающееся к быстродействию одноканальных ИС.
Использование одного СОИ на всех измерительных каналах значительно снизило аппаратурные затраты.
ИС параллельного действия.
Многоканальные (параллельного действия) ИС - один из наиболее распространенных видов ИС, обладающих наиболее высокой надёжностью, более высоким быстродействием, возможностью подбора средств измерений к измеряемым величинам.
Это не что иное, как совокупность одноканальных автономных ИС, каждая из которых решает свою частную измерительную задачу, а результаты их измерений имеют самостоятельное значение:
Имеют повышенные сложность и стоимость.
Основное достоинство - высокое быстродействие.