Развитие современной измерительной техники, направленной на обеспечение решения трудности автоматизации управления разными процессами (технологическими, испытательными, исследовательскими, диагностическими и т.п.) сопровождается ростом контраста видов измерений, расширением диапазонов измеряемых величин и критерий эксплуатации средств измерений, увеличением быстродействия и точности измерений.

Принципная особенность и основная предпосылка для расширения многофункциональных способностей применяемых средств измерений (СИ) заключается во внедрении в измерительную цепь программируемых ЭВМ. Переход от простых измерительных устройств к современным умственным измерительным системам хронологически происходил в последующей последовательности:

· электромеханические измерительные механизмы (ИМ);

· измерительные механизмы с дополнительными устройствами;

· электрические измерительные приборы (ЭИП);

· цифровые измерительные приборы (ЦИП);

· информационно-измерительные системы (ИИС);

· измерительно-вычислительные комплексы (ИВК);

· процессорные измерительные средства (ПрИС);

· сенсорные самоорганизующиеся системы (ССС).

Улучшение современных средств измерений сопровождается объединением программной и аппаратной частей измерительных устройств, при растущей роли программного обеспечения. Расширение многофункциональных способностей СИ, улучшение их метрологических черт основаны на совершенствовании способов и средств измерений, каналов передачи данных, программной и аппаратной части систем обработки измерительной инфы.

В связи с этим исследование данной дисциплины должно включать в себя не только лишь исследование главных принципов построения и особенностей функционирования аппаратной части современных СИ, да и освоение принципов алгоритмизации измерительного процесса, обусловливающего увеличение уровня формализованного описания измерительных процедур, оценку воздействия способов измерений на метрологический уровень результатов измерений, осознание перспектив совершенствования способов измерений, корректировки погрешностей, обеспечение помехоустойчивости измерений.

Обозначенные особенности современного шага развития измерительной техники требуют уточнения используемой терминологии. К примеру, под способом измерения нужно осознавать логику процедур сопоставления измеряемой величины со значением меры и компанию процедур получения результатов измерений.

В процессе измерений производятся главные и дополнительные преобразования.

Главные преобразования – конкретно связаны с процедурами первичного преобразования, передачи и сопоставления измеряемой величины с мерой.

К дополнительным преобразованиям измеряемых физических величин можно отнести:

· нормализацию, т.е. приведение значения величины к спектру измерений;

· изменение вида измерительного сигнала;

· многофункциональные преобразования при выполнении косвенных, статистических и других видов измерений;

· коммутацию входных сигналов;

· корректировку результатов измерений;

· согласование масштабных сеток, промежных преобразований и т.п.

В отличие от главных преобразований, выполняемых в большей степени аппаратными средствами, дополнительные преобразования могут также производиться аппаратными, но в большей степени программными средствами.

Существует функциональное отличие шагов измерительного преобразования, заключающееся в последующем. Если на шаге первичного преобразования главным требованием является обеспечение адекватности процесса преобразования одной физической величины в другую, а на шагах дополнительного преобразования обеспечение линейности преобразования, то при обработке измерительной инфы требуется обеспечить высококачественное сопоставление ее с мерой, воспроизводимой измерительным устройством.

Общее число физических величин составляет: 7 главных единиц; 2 дополнительных; 113 производных. В том числе:

· механических – 14;

· электронных и магнитных – 40;

· термических – 11;

· акустических – 14;

· световых – 15;

· ионизирующих излучений – 2;

· хим – 11.

Они все различаются физической природой, потому отличаются и способы, реализуемые надлежащими измерительными устройствами. Почти всегда осуществляется преобразование всех измеряемых физических величин в электронные сигналы и в предстоящем происходит их вторичное (дополнительное) преобразование. При всем этом примерно 85% всех видов измерений относится к измерениям физических величин неэлектрической природы:

· температуры – 50%;

· расхода – 15%;

· давления, усилий – 10%;

· уровня – 5%;

· черт материалов – 4%;

· электронных и магнитных величин – 5%.

Особенность современных способов измерений заключается в преобразовании измеряемой величины в электронные сигналы и обработке их с широким внедрением микропроцессорной вычислительной техники. Для этой цели получение измерительной инфы обеспечивается совокупой технических средств сбора и первичной обработки инфы, к которым относятся первичные и вторичные измерительные преобразователи (ИП). При всем этом первичные преобразователи (датчики) в большой степени определяют качество измерений и, в большинстве случаев, работают в более томных критериях по сопоставлению с другими элементами измерительной цепи.

В связи с огромным многообразием измеряемых физических величин и критерий эксплуатации парк датчиков характеризуется значительно огромным многообразием типов и конструктивных выполнений, чем вторичные преобразователи. Потому при исследовании данного курса изготовлен акцент на исследование способов и средств первичного преобразования измерительной инфы.

Главные характеристики первичных ИП определяются их статическими и динамическими чертами - инерционностью, порогом чувствительности, погрешностью, выходной мощностью и т.п. В большинстве случаев сигнал с первичного ИП поступает на вторичное измерительное устройство и потом на устройство отображения инфы.

Устройства, выполняющие функции рассредотачивания сигналов, именуемые измерительными коммутаторами, могут быть контактными и бесконтактными. Наилучшими по точности являются контактные коммутаторы, но они имеют низкое быстродействие.

Измерительным каналом является совокупа технических средств и линий дистанционной передачи инфы. Интерфейс таких систем содержит в себе устройства и методы, определяющие порядок передачи инфы.

Для согласования первичных ИП с устройствами измерительных систем их выходные сигналы унифицируют по уровню, мощности и т.п. К примеру, уровни неизменного тока должны быть в границах: 0 – 5 мА; 0 – 20 мА; 4 – 20мА и т.д., а уровни напряжения неизменного тока: 0 – 10 мВ; 0 – 1В; 0 – 5В; 0 – 10В. При всем этом лимитируются нагрузочные сопротивления: 2,5 кОм для линий с током 0 - 5 мА и 1кОМ для токов 0 - 20мА. Но в текущее время все большее распространение приобретает цифровая беспроводная система передачи измерительной инфы.

При проектировании промышленных измерительных систем принципиальным является верный выбор типов датчиков и вторичных измерительных устройств. Главные вопросы, возникающие при проектировании средств измерений (СИ):

• надежность,
• диагностика отказов,
• помехозащищенность,
• частотные характеристики измерительного канала (количество измерений за секунду),
• очень допустимая длина кабеля меж ДВ и ВП,
• взаимозаменяемость частей от различных производителей,
• синхронизация разбитых измерительных каналов (одновременность измерений),
• себестоимость (обычно интегральная - суммарные издержки как на изделие, так и издержки на его эксплуатацию).

Естественно, что специфичность внедрения СИ в реальных критериях делает, что-то из перечисленного более, а что-то наименее принципиальным.

Для примера сравним достоинства и недочеты весоизмерительных каналов, использующих аналоговые и цифровые датчики веса.

Тензометрический датчик с аналоговым выходом представляет собой железное тело с наклеенными тензорезисторами. Деформация тела, под действием силы тяготения, приводит к изменению сопротивлений R1, R2, R3, R4. Дисбаланс плечей моста изменяет выходное напряжение Uc, которое пропорционально деформации/нагрузке по приведенной ниже формуле на рис.1.

Питание датчика производят неизменным либо переменным напряжением. Уровень ошибок измерения при питании переменным током несколько ниже, чем при питании неизменным. Все же, наибольшее распространение получило питание неизменным током, потому что это проще и дешевле. С течением времени это ситуация может поменяться, потому что развитие микроэлектроники делает дешевым и легкодоступным применение специализированных микросхем, в том числе и аналогово-цифровых преобразователей с встроенными источниками переменного тока.

В промышленных весах обычно используют несколько датчиков (от 3-х и поболее). Если используют аналоговые датчики, то сигналы датчиков суммируют в соединительном коробе (СК). Не считая аналогового суммирования сигналов употребляют так же мультиплексирование сигналов, при всем этом датчики веса подключаются к весоизмерительному прибору (ВП) попеременно через мультиплексор. Это обеспечивает определенное удобство в настройке, калибровке, диагностировании загрузки каждого датчика, но при всем этом нарушается одновременность измерений, что не всегда приемлемо при измерении стремительно изменяющихся нагрузках (к примеру, дозирование либо взвешивание в движении).

Допустимое количество, подключаемых к прибору датчиков находится в зависимости от суммарного сопротивления, присоединенных к СК датчиков и нагрузочными чертами прибора. К примеру, если к прибору можно подключать до 8 датчиков с сопротивлением 350 Ом, то мало допустимое сопротивление нагрузки на ВП составляет 350/8 = 43,75 Ом. Если к этому же ВП подключаются 700 Ом датчики, то их количество не должно превосходить 16, если 1000 Ом, то 22 и т.д. Обычно, этого количества полностью довольно при построении всех промышленных весов.

Очень допустимая длина кабеля от СК до ВП находится в зависимости от его сечения. При сечении проводника 2 мм² длина кабеля меж СК и ВП может быть до 1000 м. При длине кабеля меж СК и ВП выше 30 м с целью компенсации падения напряжения на соединительном кабеле рекомендуется использовать 6-ти проводную схему подключения.

Тензометрический датчик с цифровым выходом содержит не считая тензорезисторов электрическую схему усиления, фильтрации и оцифровки аналогового сигнала с следующей его передачей на принимающее устройство.

Передача цифрового сигнала делается по поочередному интерфейсу, обычно физически это RS-485 (витая пара). Нередко используют контроллеры шины передачи данных по протоколу CAN, ProfiBUS, BitBUS и др.

Главные достоинства цифровых датчиков - прямое диагностирование и упрощение процедуры калибровки.

Цифровые датчики подключаются к общей шине весового индикатора, который является «мастером шины» и устройством визуализации результатов измерения. Количество цифровых датчиков присоединенных к одному мастеру не может превосходить его адресного места.

Длина кабеля от СК до индикатора находится в зависимости от скорости передачи данных по шине. При скорости передачи в 300 Кбит/сек, длина кабеля не должна превосходить 300 м.

С учетом реальных ограничений на скорость передачи данных по шине, скорость АЦП не может превосходить 20 Гц, что бывает недостаточно при измерении стремительно меняющихся нагрузок. Это ограничивает применение цифровых датчиков в устройствах дозирования и в весах для взвешивания в движении.

Отдельной неувязкой внедрения цифровых датчиков является неувязка одновременности измерения нагрузок на датчиках (синхронизация). Используемые механизмы синхронизации очень усугубляют частотные характеристики измерительного канала.

Рекламируемая в проспектах производителей цифровых датчиков веса высочайшая помехозащищенность, не настолько хороша. Помеха усугубляет работу шины, потому что приводит к потере посылаемых устройствами «пакетов информации», повторный запрос и посылка занимают определенное время и могут привести к сбою механизма синхронизации.

Потому рекомендуется использовать цифровые датчики в весах для статического взвешивания, либо при измерении медлительно меняющихся нагрузок.

Таблица сопоставления аналоговых и цифровых датчиков веса.

Таблица сопоставления аналоговых и цифровых датчиков веса.
Параметр	Аналоговый датчик	Цифровой датчик
Надежность	Зависит от класса промышленной защиты датчика. Надежность несколько выше, чем у цифровых датчиков.	Зависит от класса промышленной защиты датчика. Надежность ниже, из-за наличия дополнительного электрического блока.
Диагностика каждого датчика	Диагностика вероятна при мультиплексировании сигналов датчиков.	Естественный механизм диагностики датчиков
Помехозащищенность	Сравнима с цифровыми датчиками при использовании экранированного кабеля	Сравнима с аналоговыми датчиками
Наибольшая длина кабеля	До 1000 м	До 300 м
Настоящая частота оцифровки сигнала	До 1000 Гц	До 20 Гц
Взаимозаменяемость	Высочайшая. Датчики и вторичные приборы различных производителей стандартизованы.	Отсутствует. Подмена на другого производителя невозможна.
Синхронизация сигналов датчиков	Естественная синхронизация	Низкая. При помехах может быть нарушение синхронизации.
Цена	Низкая	Высочайшая

Таким макаром, для данного определенного варианта можно сделать последующий вывод: цифровые датчики веса целенаправлено использовать для статических измерений, а аналоговые датчики ограничений по использованию фактически не имеют.