Применение средств цифровой вычислительной техники в измерительных устройствах

Современный этап развития приборостроения характеризуется широким применением в составе средств измерений вычислительных устройств, построенных на базе микропроцессоров — микропроцес­сорных систем. Применением таких систем в измерительных устрой­ствах достигают двух целей: расширяют функции измерительных устройств и улучшают их характеристики.

Использование микропроцессорных систем (МПС) в средствах электрических измерений позволяет по-новому подойти к их компо­новке и алгоритмам функционирования, увеличить информационные возможности, повысить точность, надежность и быстродействие.

В области технологических измерений ведется поиск рациональ­ных решений и разработка измерительных устройств со встроенны­ми МПС.

В общем случае включение МПС в состав измерительных уст­ройств позволяет решить такие основные задачи, как:

вычисление по формулам (в том числе линеаризация, масштаби­рование, обработка результатов косвенных или совокупных измере­ний и т. п.);

вычисление по заданному алгоритму;

статистическая обработка;

анализ параметра (на максимум, минимум и т. п.);

корректировка статической характеристики (на основе методов повышения точности измерительных устройств);

автоматическая самоградуировка и самоповерка (в частности, восстановление коэффициента преобразования и корректировка ну­левого уровня сигнала);

связь с системой, к которой подключено измерительное устрой­ство;

самодиагностика;

управление измерениями;

стабилизация или программное регулирование режимных пара­метров измерительного устройства.

Однако включение МПС в состав измерительных устройств на­ряду с сообщением им несомненно новых положительных качеств приводит к существенному усложнению этих устройств. По сложно­сти измерительные устройства со встроенной МПС близки к изме­рительным системам, включающим микроЭВМ.

В качестве примеров рассмотрим структурные схемы, использу­емые в настоящее время для создания измерительных устройств технологических параметров (рис. 14.4). Наиболее широкое приме­нение имеет схема (рис. 14.4, а), реализующая метод вспомогатель­ных измерений (см. гл. 3). В работе измерительного устройства, построенного по такой схеме, используется информация об основном (измеряемом) параметре П и вспомогательных параметрах П1, П2 — влияющих величинах (окружающая температура, атмосфер­ное давление и т. п.). Учет с помощью МПС через функции влияния действия влияющих величин обеспечивает уменьшение погрешности измерительного устройства. По такой схеме строятся устройства для измерения давления, температуры, уровня, расхода, объема и др. При этом измерения основного и вспомогательного парамет­ров могут осуществляться методом прямого и уравновешивающего преобразования.

На рис. 14.4, б показана структурная схема измерительного уст­ройства со встроенной МПС, обеспечивающая реализацию измере­ний по методам образцовых сигналов и совместных измерений (см.гл. 3).

Измерительная часть данного устройства осуществляет изме­рение параметра П, меры (набора мер) М, а также совместное измерение параметра Я и набора мер. Обработка информации и управление процессом измерения осуществляет МПС.

Измерительное устройство, построенное по схеме (рис. 14.4, в), включает в свой состав операционный узел ОУ, в котором с помо­щью устройства формирования управляющих воздействий УФУВ по командам МПС осуществляются необходимые для выполнения измерения переключения элементов, в результате которых форми­руется воздействие (воздействия) измеряемого параметра П на чувствительный элемент ЧЭ.

хемы (рис. 14.4, б, в) находят применение при создании изме­рительных устройств массы, объема, плотности жидких сред и др. [32].

Наиболее эффективным применением МПС считается их исполь­зование в средствах аналитической техники, где наряду с измерени­ем основного и ряда вспомогательных параметров требуется осуще­ствлять управление (логическое и аналоговое) узлами аналитиче­ского устройства и проводить в большом объеме вычисления, свя­занные с обработкой информации.

Рис.14.4. Структурные схемы устройств для технологических измерений со встроенной МПС:

ЧЭ, ЧЭ1, ЧЭ2 – чувствительные элементы: ППЭ, ППЭ1, ППЭ2 – промежуточные преобразовательные элементы: У, У1, У2 – усилители: ЭК – электрический коммутатор: ИФУ – интерфейсное устройство: М – мера (набор мер): УФУВ – устройство формирования управляющих воздействий:ОУ – операционный узел: АЦП – аналогово-цифровой преобразователь: ЧЦП – частотно-цифровой преобразователь: ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь: МПС – микропроцессорная система: И–индикатор цифровой

Рис.14.5. Структурные схемы анализаторов качества со встроенным МПС:

АУ, АУ₁, АУ₂, … АУ_n – аналитические устройства: Д, Д₁, Д₂ ,…Д_n – детекторы:

БИП – блок измерения параметров аналитических устройств (остальные обозначения приведены на рис 14.4)

Таблица 14.1

Параметры химико-технологических процессов, измеряемые с помощью измерительных устройств со встроенными МПС

Измеряемый параметр	Вспомогательный измеряемый параметр	Информация, сохраняемая в памяти вычислительного устройства
Давление	Температура ЧЭ давления	Статические характеристики ЧЭ давления и температуры. Функция влияния температуры на сигнал измерительного устройства
Расход (по пере­паду давления на сужающем устройстве)	Температура ЧЭ пе­репада давлений	Статические характеристики сужающего устройства, ЧЭ перепада давле­ний и температуры. Функция влияния температуры на сигнал измерительного устройства
Температура (термоэлектриче­ским ЧЭ)	Температура «хо­лодного спая»	Статические характеристики термо­электрических ЧЭ и терморезисторов для измерения температуры «холодно­го спая»
Температура (пирометром спектрального отноше­ния)		Статическая характеристика фото­метра, длины волн, принятые для определения спектрального отноше­ния
Объем жидкости в резервуаре (по уровню)	Температура ЧЭ уровня	Статические характеристики ЧЭ уровня и температуры. Функции влияния температуры на сигнал измерительного преобразова­теля уровня. Тарировочная характеристика ре­зервуара
Масса жидкости в резервуаре (по гидростатическому давлению)	Температура ЧЭ давления	Статические характеристики ЧЭ давления, температуры. Функции влияния температуры на сигнал измерительного преобразовате­ля давления. Тарировочные характеристики резер­вуара
Физико-химиче­ские свойства, по­казатели качества, концентрация, со­став	Температура анали­тического устройства, расход и давление анализируемого, вспо­могательного и образ­цового веществ, ат­мосферное давление, режимные параметры электрических цепей	Статические характеристики ЧЭ тем­пературы, давления, расхода, тока, напряжения. Функции влияния для параметров, по которым осуществляется коррек­ция статической характеристики ана­лизатора. Справочные данные и константы, необходимые для обработки измери­тельной информации, и др.

На рис. 14.5, а показана обобщенная структурная схема автома­тического анализатора качества. В анализаторах, осуществляющих измерение одного параметра, основной сигнал измерительной информации формируется в аналитическом устройстве АУ с помо­щью того или иного детектора Д. Для уменьшения погрешности анализатора и обеспечения его нормального функционирования с помощью ряда чувствительных элементов осуществляется измере­ние ряда параметров, по значениям которых корректируется стати­ческая характеристика, стабилизируются режимные параметры аналитического устройства и осуществляются необходимые для проведения анализа переключения. Две последние функции реали­зуются МПС через УФУВ. В аналитический блок помимо анализи­руемого и вспомогательного (ВВ) веществ предусматривает­ся возможность подачи образцового вещества (0В), что обеспечи­вает периодическую самоградуировку анализатора.

В анализаторах (рис. 14.5, б), реализующих многопараметриче­ские методы анализа состава (см. гл. 12), используется несколько аналитических устройств с соответствующими детекторами.

Все необходимые измерения вспомогательных и режимных пара­метров осуществляются блоком измерения параметров аналитиче­ских устройств БИП, который коммутируется с блоком ЭК (на рис. 14.5, б связь между БИП не показана). Сигналы, необходимые для управления работой этих устройств, и стабилизация их режим­ных параметров вырабатываются МПС и поступают к аналитиче­ским устройствам через УФУВ. В табл. 14.1 приведены технологи­ческие параметры, для которых уже сейчас созданы измерительные устройства со встроенными микропроцессорными системами.

§ 14.4. Применение средств цифровой вычислительной техники в измерительных системах

Измерительные системы (ИС), представленные на рис. 2.10, а, б, имеют в настоящее время широкое применение в системах автома­тического контроля, регулирования и управления химико-технологи­ческими процессами. Измерительные системы с несколькими пер­вичными измерительными преобразователями ПИП с одним вто­ричным прибором (см. рис. 2.10, б) имеют ограниченные функцио­нальные возможности и усложняют средства автоматического регулирования параметров.

Применение ИС (см. рис. 2.10, а) с индивидуальным вторич­ным прибором для каждого первичного измерительного преобразо­вателя на современных химико-технологических процессах, где требуется измерение нескольких сотен параметров, сопряжено с существенным увеличением площади щитов контроля и управле­ния и с затруднениями оператора, связанными с необходимостью восприятия большого потока информации в ограниченный отрезок времени. Из-за физиологических ограничений даже весьма трени­рованный оператор не может должным образом переработать и использовать полученную такими ИС информацию. Поэтому часто этим занимаются одновременно несколько операторов.

Рост мощностей технологических установок, значительное уве­личение в связи с этим числа измеряемых параметров, развитие цифровой техники обработки информации и переход к оптимиза­ции процессов путем применения АСУТП определили новые тенден­ции развития ИС, применение на технологических процессах наря­ду с ИС и системами автоматического контроля систем технической диагностики и систем распознавания образов, объединенных поня­тием «информационно-измерительные системы» (ИИС).

В области измерительной техники, связанной с ИИС, кроме приведенных в § 2.7 используются следующие понятия.

Измерительно-вычислительная система (ИВС) — это ИИС, в состав которой входит программно-управляемое цифровое вычис­лительное устройство (микропроцессор, микро- и миниЭВМ и т. п.).

Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК)—это универ­сальное ядро ИВС, включающее все средства цифровой обработки, хранения, регистрации и отображения измерительной информации, кроме первичных измерительных преобразователей.

При измерении электрических величин технические средства ИВС и ИВК могут совпадать, так как практически отсутствует не­обходимость первичного преобразования информации.

Основная концепция ИИС, состоящая в системной организации местной автоматической работы средств получения, обработки и передачи измерительной информации, была сформулирована в на­чале 60-х годов в большой степени под влиянием развивающейся цифровой вычислительной техники. Тогда же были созданы ИИС первого поколения, характеризующиеся централизованным цикли­ческим получением информации с обработкой ее с помощью входя­щих в ИИС специализированных вычислительных устройств. Эле­ментной базой этих ИИС служила дискретно-полупроводниковая техника.

В технологических процессах ИИС первого поколения использо­вались в виде так называемых систем централизованного контроля. Эти ИИС не получили широкого применения на химико-технологи­ческих процессах из-за табличной формы представления измери­тельной информации, затрудняющей определение предыстории и тенденции хода процесса, а также из-за дублирования функций щитовой системы измерений и управления, используемой на про­цессе.

Второе поколение ИИС (70-е годы) характеризуется адресным сбором информации, обработкой ее с помощью ЭВМ, входящей в состав ИИС, и использованием в качестве элементной базы микро­электронных схем малой и средней степени интеграции.

Третье поколение ИИС, развивающееся в настоящее время, характеризуется использованием в их составе больших интегральных микросхем, микропроцессоров, микропроцессорных комплектов и микроЭВМ, что позволяет значительно улучшить многие характеристики ИИС, и определенной децентрализации процесса сбора, обра­ботки и хранения информации. В этих ИИС за счет микропроцессор­ных средств выполняется обработка и промежуточное хранение информации в местах, максимально приближенных к месту ее по­лучения, например в рассмотренных измерительных устройствах со встроенными МПС. Центральная ЭВМ выполняет при этом более сложные и срочные задачи. Информационно-измерительные систе­мы второго и третьего поколений в соответствии с приведенным вы­ше определением представляют собой ИВС.

В настоящее время промышленностью выпускается несколько разновидностей ИВК, к которым для создания ИВС достаточно подключить соответствующие измерительные устройства.

При автоматизации технологических процессов, когда задачи измерения технологических параметров решаются в неразрывной связи с задачами регулирования и управления, ИВС создаются в рамках АСУТП на базе управляющих вычислительных машин (УВМ) или управляющих вычислительных комплексов (УВК), входящих в состав АСУТП. Организация последней по своей идео­логии аналогична организации ИВК для ИИС третьего поколения.

Широкое применение в современных ИВС и УВК микропроцес­соров, мини- и микроЭВМ, построенных по магистрально-модульной структуре, обеспечивает простоту наращивания аппаратных средств и возможность изменения решаемых задач ИВС или УВК путем программирования. Это определяет тот факт, что все разно­видности ИИС (см. § 2.7), а именно измерительных систем сбора и обработки информации, систем автоматического контроля, тех­нической диагностики и распознавания технических образов, име­ют по существу одинаковую структуру, которая в обобщенном виде показана на рис. 14.6.

Первичная измерительная информация, например о параметрах химико-технологического процесса (объекта измерений ОИ), выра­батывается первичными измерительными преобразователями (ПИП). Сигналы ПИП унифицируются и преобразуются по форме и виду энергии (например, пневматические преобразуются в элек­трические) в блоке аналоговых промежуточных преобразователей (БАПП). Унифицированные аналоговые электрические сигналы в блоке аналого-цифровых преобразователей БАЦП преобразуются в код и поступают в цифровое устройство ЦУ, которым в современ­ных ИВС служат мини- или микроЭВМ. В частных случаях в каче­стве цифровых устройств используются микропроцессоры, специа­лизированные вычислительные устройства. В качестве устройств вывода в ИВС используются дисплеи, цифровые индикаторы, сиг­нализаторы, накопители на магнитных лентах или и т. п.

Блок цифроаналоговых преобразователей (см. приложение 1) (ЦАП) служит для формирования компенсирующих воздействий в процессе преобразования измеряемых величин. Все функциональ­ные блоки ИВС могут соединяться между собой через стандартные интерфейсные устройства (ИФУ), а управление ИВС осуществляется устройством управления (УУ). В частных случаях реализации некоторые из названных блоков ИВС могут отсутствовать. Напри­мер, если в ИВС используются рассмотренные выше измерительные устройства, имеющие выходной сигнал в виде кода, отпадает необ­ходимость включения в ИВС блоков БАПП и БАЦП.

Рис. 14.6. Структурная схема информационно-вычислительной системы

При автоматизации химико-технологических процессов ИВС вы­полняют функции измерения, контроля и технической диагностики, используя измерительную информацию, поступающую от одних и тех же ПИП, а названные функции реализуются ИВК программны­ми средствами.

Одной из основных функций ИВС является сбор и обработка из­мерительной информации. При этом ИВС обеспечивают выполнение как прямых, так и косвенных измерений, в том числе расчет техни­ко-экономических показателей процесса. В табл. 14.2 приведены примеры использования ИВС для выполнения косвенных и совокуп­ных измерений.

Полученную с помощью ИВС информацию принято разделять на оперативную, статистическую и отчетную.

Оперативной называют информацию, используемую для контро­ля и управления технологическим процессом. Ее важной частью яв­ляется информация о технико-экономических параметрах.

Статистической называют информацию, получаемую на основе многократных измерений и позволяющую судить о качестве техно­логического процесса на протяжении длительного времени (несколь­ко часов, дней, месяцев).

Отчетной называют информацию, содержащую сведения о ко­личестве, качестве и ассортименте сырья, промежуточных и конеч­ных продуктов технологического процесса.

Таблица 14.2

Косвенные и совокупные измерения, осуществляемые на химико-технологических процессах с помощью ИВС

Параметр	Измеряемые параметры	Функция	Информация, сохраняемая в памяти ИВС
Массовый рас­ход газа (принци­пом переменного перепада давлений на сужающем уст­ройстве)	ΔР, РР, ТР, ρН		Статические харак­теристики первичных измерительных преоб­разователей измеряе­мых параметров и статические характе­ристики сужающего устройства
Массовый рас­ход газа или жид­кости (принципом переменного пере­пада давления на сужающем устрой­стве)	ΔР, ρP		То же
Масса (турбин­ным счетчиком)	n,ρP, ηP	m= ƒ(n,ρP, ηP)	Статические харак­теристики первичных измерительных преоб­разователей. Функции влияния
Коэффициент по­лезного действия нагревательной пе­чи	GC, GT, t1, t2		Статические харак­теристики первичных измерительных пре­образователей. Значения сР2, cP1, q
Состав много­компонентных сме­сей (несколькими анализаторами)	n физико-химических свойств	См. гл. 13	Статические харак­теристики анализато­ров. Коэффициенты сис­темы уравнений
Функция жестко­сти (в деструктив­ных процессах)	t, Q	W= tτ a = t(V/Q) a	Статические харак­теристики первичных преобразователей. Значения V и а
Расход тепловой энергии потока жидкости	G, t1, t2,	θ = Gcж (t2-t1)	Статические харак­теристики первичных измерительных преоб­разователей. Значение сж

Вторым важным направлением использования ИВС, в настоя­щее время интенсивно развивающимся, является техническая ди­агностика, дающая информацию о неисправностях и повреждениях оборудования, на основании которой решается задача отыскания места повреждений и установление причин этих повреждений и не­исправностей. Задача технической диагностики решается с исполь­зованием контрольных карт процесса, оценок переменных состоя­ний и параметров моделей процесса, методов распознавания техни­ческих образов, информационных графов.

Обозначения к табл. 14.2:

ΔР — перепад давления на сужающем устройстве;

Р_р и Т_р—абсолютные давление и температура газового потока;

ρ_н—плотность газа в нормальных условиях;

ρ_Р — плотность газа в рабочих условиях;

n — число оборотов турбинки;

η_Р — динамическая вязкость в рабочих условиях;

G_c и G_T — массовые расходы сырья и топлива;

t₁ и t₂ — температуры сырья на выходе и входе в печи или потре­бителя тепловой энергии;

q — низшая массовая теплота сгорания топлива;

С_р2 и С_р1 — теплоемкости сырья при постоянном давлении на вы­ходе и входе печи;

t —характерная температура деструктивного процесса;

τ — время контакта;

Q — средний объемный расход;

V—объем реактора;

а — постоянная величина;

с_ж — теплоемкость жидкости