Меню

Микропроцессорный прибор для измерения



Микропроцессорные (Цифровые) электроизмерительные приборы

Основное место в средствах автоматики сегодня занимают цифровые и микропроцессорные электроизмерительные приборы. Их принципиальное отличие от аналоговых состоит в том, что основная обработка измерительной информации осуществляется не в аналоговом, а в цифровом виде. При этом отображение и регистрация информации может быть как цифровой, так и аналоговой. Еще одним отличием микропроцессорных приборов является обязательное наличие каналов вывода измерительной информации и связи с внешними управляющими компьютерами и сетями. Обмен информацией может осуществляться как в форме унифицированного токового сигнала 4-20 мА, так и по цифровым интерфейсам и протоколам (GBIP, RS-232/485, USB, HART, Ethenet и др.).

В цифровых электроизмерительных приборах для обмена данными часто применяется метод передачи информации непосредственно по силовым сетевым проводам. Технология такой передачи данных (PLC- Power Line Communication) близка к технологии использования телефонных сетей ADSL, но включает существенно больше средств шифрования, подавления помех и выделения полезного сигнала. При построении автоматизированных систем учета электроэнергии (АСКУЭ) использование в качестве канала связи линий электропередачи позволяет избежать прокладки дополнительных коммуникаций и тем самым удешевить создаваемую систему.

Структура электроизмерительных микропроцессорных приборов полностью повторяет общую структуру микропроцессорных средств измерения, рассмотренную в части I (раздел 1.7). Т.е. они включают входную аналоговую электронику, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, который ведет обработку сигналов, извлекает информацию об измеряемой величине, управляет ее отображением на дисплее и осуществляет связь с внешними устройствами.

Все цифровые электроизмерительные приборы имеют ограничение по величине напряжения или измеряемого тока, воспринимаемого измерительной схемой прибора. Их значения не должны превышать соответственно 5-10 В или 20-50 мА. Поэтому обязательным элементом цифровых электроизмерительных приборов являются шунты и делители напряжения, которые могут быть встроенными в измерительный прибор (для напряжений не более 1000 В постоянного тока и 700 В переменного тока или не более 10А постоянного и переменного тока) или внешними. При измерении высоких напряжений и больших значений тока совместно с цифровыми электроизмерительными приборами используются также внешние измерительные трансформаторы.

По конструктивному исполнению микропроцессорные электроизмерительные приборы могут быть переносными, настольными и щитовыми.

· Переносные и настольные приборы обычно приборы выполняются многофункциональными (мультиметры), способными измерять перемен6ное и постоянное напряжение и ток, сопротивление, частоту, сдвиг фаз.

·
Щитовые микропроцессорные электроизмерительные приборы как правило выполняются специализированными. Причем для приборов, предназначенных для работы в средствах автоматического управления, отображение измеряемой информации не является обязательным, поскольку основной функцией таких приборов является измерение величины и передача полученной информации внешним устройствам.

Отметим, что для микропроцессорных электроизмерительных приборов понятие «специализированный прибор» совсем не означает, что он предназначен только для измерения единственной величины, например тока или мощность. Так при наличии в его составе шунта, делителя напряжения и соответствующего программного обеспечения и соответствующей схеме подключения микропроцессорный прибор способен одновременно вести измерение целого комплекса электрических величин – тока, напряжения, частоты, активной, реактивной и полной мощности, разности фаз, потребленной энергии. Такие электроизмерительные приборы (Рис. 2.71) используются, в частности в системах автоматизированного контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ). Они позволяют с помощью одного устройства не только контролировать параметры электросети и осуществлять учет потребляемой электрической энергии, но и контролировать качество этой энергии, передавать полученную информацию на узлы учета электроэнергии, сигнализировать и автоматически выполнять действия по защите электросетей при аварийных и нештатных ситуациях.

Типичные приборы АСКУЭ имеют следующие функции:

· Многотарифный учет энергии (сменные, суточные, сезонные и другие тарифы) при количестве схем тарификации до 64.

· Контроль, учет и регистрация количества потребленной и отпущенной активной, реактивной и полной электроэнергии

· Построение графиков потребления активных и реактивных мощностей

· Контроль, учет и регистрация полной, активной и реактивнойя мощности по каждой из фаз.

· Контроль и регистрация среднеквадратических значений фазных напряжений и токов по каждой фазе

· Контроль и регистрация углов сдвига фазы между основными гармониками фазных напряжений и токов;

· Контроль и регистрация частоты сети

· Обмен информацией с внешними устройствами обработки данных. В разных системах используется передача информации через оптический порт, один из интерфейсов (токовая петля 20 мА, модули интерфейса САN, МBUS, USB, GSM–модем, радио–модем) или модули передачи данных по сети переменного тока 380В

При измерении параметров переменного тока – напряжения, силы тока и мощности, наиболее объективной характеристикой являются их среднеквадратические (эффективные) значения. В некоторых случаях необходим контроль других характеристик, связанных с мгновенными значениями сигнала, например с максимальными значениями. Такие измерения не представляют большой проблемы в случае, если сигналы являются синусоидальными. Однако, особенностью цепей переменного тока является то, что реальная форма напряжения в электросети, тока, протекающего в цепи электрической нагрузки, значения потребляемой мощности или напряжения в сети существенно отличаются от синусоидального и зависят от характера нагрузки (Рис. 2.72).

Читайте также:  Как правильно измерить давление автоматическим тонометром омрон

Аналоговые приборы и дешевые цифровые, которые обычно градуируются при идеальном синусоидальном сигнале, при отличии формы напряжения или тока от синусоидальной будут давать показания характеризующиеся достаточно большой погрешностью. Поэтому в микропроцессорных приборах обычно используют специальные приемы, позволяющие устранить зависимость показаний от формы переменного сигнала и измерять эффективные значения характеристик переменного тока при любых параметрах нагрузки и электрической цепи.


Приборы, которые способны измерять истинное эффективное значение сигналов переменного тока, могут быть основаны на использовании одного из следующих принципов:

· Электронное умножение используется в прецизионных цифровых и аналоговых электронных приборах, осуществляются электронными схемами и заключается возведение входного сигнала (ток, напряжение, мощность) в квадрат и усреднение его по времени. Приборы такого типа могут иметь очень малую погрешность, менее 0,01%, но имеют низкое быстродействие.

· Преобразование в постоянный ток (выпрямление) используется при измерении переменного напряжения и тока в цифровых и аналоговых электронных приборах. Метод имеет достаточно низкую точность (погрешность не менее 0,5%) из-за нелинейности характеристик выпрямительных диодов. Достоинством метода является высокое быстродействие и возможность измерять сигналы высокой частоты (до 20 кГц)

· Тепловое преобразование рассматривается как один из наиболее эффективных и недорогих способов и обеспечивают малую погрешность измерений эффективного значения силы переменного тока (до 0,01%) и возможность измерение высокочастотных сигналов (до 1 ГГц) при сравнительно малом быстродействии (не более 0,01 с). В преобразователях этого типа измеряемый ток нагревает тонкую проводящую нить длиной 0,5- 1 см, к средней части которой крепится миниатюрная термопара, изолированная от самой нити. Вся эта конструкция помещается в запаянный стеклянный баллон. При повышении температуры, прямо связанном с эффективным значением измеряемого тока, на выходе термопары возникает термо-ЭДС, т.е. напряжение постоянного тока, которое далее и измеряется цифровым прибором. В зависимости от схемы подключения термопреобразователя такие приборы способны измерять ток и напряжение, величину мощности, потребляемой нагрузкой.

Перечисленные выше методы измерения параметров переменного тока используются как в микропроцессорных, так и в аналоговых электроизмерительных приборах. Два следующие метода могут применяться только с использованием микропроцессорной техники.

· Метод подвыборки заключается в том, что значения тока или напряжения в сети переменного тока измеряются через строго заданные промежутки времени t в течение множества периодов входного сигнала. При этом длительность интервалов времени между измерениями должна быть сравнима, но не равна (!), периоду переменного тока Тп. Метод не требует дорогостоящих быстродействующих АЦП и скоростных микропроцессоров, но характеризуется малым быстродействием – для точности измерений порядка 0,1% требуется проведение измерений более 1000 периодов сигнала, т.е. более 20 с. Использование дополнительных алгоритмов обработки сигналов, например скользящего среднего, позволяет несколько повысить быстродействие таких приборов. Однако, они все равно остаются достаточно медленными, что не позволяет использовать их в электрических сетях, где возможны сколько- нибудь заметные искажения синусоидальности тока и в случаях, когда от измерительных приборов требуется одновременно и наличие защиты от перегрузки.

· Метод прямой дискретизации реализуется быстродействующими АЦП, которые оцифровывают сигнал с частотой много большей частоты переменного тока в течение 1-10 периодов . При этом жестко контролируется привязка цикла дискретизации к определенной фазе входного сигнала. После перевода в цифровую форму сигнал обрабатывается микропроцессором, который вычисляет все параметры сигнала – амплитудное значение, среднеквадратическое (эффективное) значение, частоту сигнал, сдвиг фаз, если измерения ведутся в трехфазной сети, а также все другие возможные параметры электросети. С уменьшением стоимости высокоразрядных и при этом быстродействующих сигма-дельта АЦП электроизмерительные приборы, основанные на методе прямой дискретизации, стали относительно недороги и при этом позволяют вести измерения с точностью до 0,01% при быстродействии 0,05 с и менее.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Микропроцессорные цифровые измерительные приборы

Приборы, выполненные на БИС и СБИС имеют встроенный микропроцессор. При проектировании таких приборов исходным отправным пунктом является перечень выполняемых ими функций. Так например:

а) В многопроцессорном мультиметре:

запоминаются данные для сравнения с максимальным значением результата измерения;

рассчитываются средние и среднеквадратические отклонения;

определяется максимальное значение параметра;

производится расчет значений сопротивления и мощности;

отклонения напряжений, масштабирование (умножение на константу);

осуществляются операции калибровки и др.

б) В частотометре:

производится пересчет интервала времени в частоту или фоновый сдвиг;

расчет времени нарастания или спад импульсов;

расчет средней частоты и отклонений от нее;

умножение на константу, калибровка;

пересчет отклонений частот в проценты;

вычисления разности частот.

в) В осциллографе:

цифровое представление частоты и амплитуды;

расчет длительности периода и частоты;

измерение временных интервалов;

времени нарастания и спада;

расчет мгновенной мощности и энергии сигнала;

калибровка, расчет относительных значений амплитуды и др.

Читайте также:  Двугранный угол измерение двугранного угла угол между плоскостями

г) В спектральном анализаторе:

запоминание данных преобразования сигналов;

осуществляется спектральный анализ;

производится пересчет из временной области в частотную;

расчет статистических характеристик;

пересчет в децибеллы и др.

Конкретные функции приборов могут быть выполнены набором программных модулей. Примером многоуровневого программного обеспечения является структура программирования анализатора параметров полупроводниковых приборов НР4145A фирмы Hewlett-Packard. Программное обеспечение основано на управляющей программе-мониторе реального времени и программах-драйверах, управляющих аппаратной частью прибора, графическим дисплеем, лицевой панелью, встроенным магнитным диском.

Высший нулевой приоритет имеют задачи информационно-измерительной системы и задачи анализа состояния лицевой панели. На первом следующем уровне находятся задачи печати и графопостроителя, задачи анализа накопленной информации и т.д. На втором уровне выполняются задачи символьно-графического дисплея и «меню».

Словом, структура программного обеспечения должна выполнять следующие вычислительные функции, связанные с обработкой и анализом данных:

автоматическую установку пределов измерений;

автоматическое управлене процессом уравновешивания в приборах сравнения постоянного и переменного тока;

первичную обработку данных, а именно: определение отклонений от номинальных значений, определение моментов приближения к границам, вычисление отношения максимума и минимума, умножение и деление на константы;

статистическую обработку данных: определение средних значений контролируемых величин за определенные интервалы времени, дисперсии, и.т.д.;

обработку данных по упрощенным алгоритмам: определение контролируемых параметров по измеренным значениям и известным зависимостям, например, определение температуры с учетом нелинейности характеристик термоэлементов и температуры окружающей среды;

обработку данных по алгоритмам, реализующим метод измерения, например, определение скоростей движения и значения расхода на основе корреляционных методов или нахождение параметров объекта на основе спектрального анализа сигналов и др.

К контроллерным относятся функции непосредственного управления аппаратного обеспечения, в частности функции программ-драйверов. По характеру управления узлами и измерительными схемами контроллерные функции подразделяются на следующие виды:

функции управления измерительной цепью. К ним относятся управление переключателями каналов (коммутаторами) и переключателями диапазонов, подключение образцовых в процессе калибровки, управление измерительными усилителями. В приборах для измерения неэлектрических величин к таким функциям можно отнести подготовку измерительной цепи, например, в химических анализаторах: управление механическими манипуляторами, дозаторами, гидравлическими схемами, температурным режимом. В большинстве случаев эти функции выполняются программными методами с помощью микропроцессора и портов ввода-вывода;

функции управления аналого-цифровым преобразованием, зависящие от типа применяемого АЦП;

функции управления cредствами взаимодействия с оператором. К ним относятся функции управления клавиатурой, индикаторами, звуковой сигнализацией и дисплеем;

функции управления печатающими устройствами, самописцами, графопостроителями и т.д.

Контроллерные функции связаны с техническим и программным обеспечением сопряжения измерительного прибора с номенклатурой внешних устройств. Если рассматривать микроконтроллер как совокупность центрального процессора, ОЗУ, ПЗУ и портов ввода-вывода, то любое управление производится по схеме микроконтроллер — аппаратно-программный интерфейс (программа-драйвер) — контролируемое устройство. Аппаратно-программный интерфейс реализует алгоритм управления и представляет самостоятельную область рассмотрения аппаратных и программных средств ИМС.

Другой вид функций ИМС — тестовые функции. Характерной особенностью современных измерительных приборов и систем со встроенным микропроцессором является самотестирование. Оно необходимо на стадии производства для отладки на этапе выпуска, на стадии ремонта для локализации неисправности и главное — самотестирование необходимо на стадии эксплуатации для проверки прибора без внешних дополнительных средств, для чего используется ограниченное число специально генерируемых комбинаций входных величин, соответствующих наиболее ответственным или тяжелым условиям эксплуатации.

Ряд функциональных устройств приходится тестировать совместно, для того чтобы можно было замкнуть цепочку: микроЭВМ — задание тестового сигнала — тестируемый модуль — входной сигнал — микроЭВМ (анализ выходного сигнала).

Следующим классом функций являются сервисные функции. Они позволяют ввести режим диалога оператора и микропроцессорного прибора, что позволяет максимально использовать преимущества вычислительной техники для автоматизации рутинных процессов сбора и обработки информации, давать подсказку оператору в виде указания последовательности действий, замечаний при неверных действиях, предлагать несколько альтернативных вариантов алгоритмов измерений и обработки.

Можно выделить следующие этапы измерения и анализа с применением диалога:

сбор и последовательная обработка измерительной информации;

основная обработка и интерпретация результатов;

вывод результатов для документирования и архивации.

Приведенный перечень, выполняемых микропроцессорами функций в измерительных приборах определяет и основные типы приборов со встроенным микропроцессором.

Наиболее широко используются следующие типы средств измерений:

вольтамперметры c автоматической коррекцией погрешностей и программной обработкой результатов измерений;

мосты и компенсаторы переменного тока с автоматизацией процесса уравновешивания;

регистрирующие приборы с АЦП — преобразование с управлением визуализацией данных;

приборы и преобразователи для измерения неэлектрических величин с устройствами коррекции погрешностей, обработкой данных по определенным алгоритмам (корреляционные расходомеры) и др.

Схема типового измерительного прибора, позволяющего преобразовать данные на входе в цифровую форму и производить их обработку цифровыми методами приведена ниже на рисунке.

Источник

Микропроцессорные измерительные приборы

Тема 13. Микропроцессорные, компьютерные и виртуальные измерительные приборы и системы

Лекция 26. Основные сведения

Читайте также:  Закон кулона единицы измерения силы

Автоматизация измерений способствует более быстрой обработке большого числа измеряемых параметров, повышению требований к точности измерений и их быстродействию (при ограниченных возможностях оператора в восприятии и обработке больших объемов информации) и, следовательно, к снижению загруженности и роли оператора в процессе измерений.

Переход к построению цифровых средств измерений привел к созданию автоматизированных измерительных систем с использованием микропроцессоров.

Автоматизированными средствами измерений считают автономные непрограммируемые приборы и гибкие измерительные системы (ГИС), построенные на базе цифровой техники.

Автономные непрограммируемые приборы работают по жесткой программе и предназначены для измерений определенных параметров сигналов и характеристик цепей. В этих приборах автоматически выполняется только часть измерительных операций, например таких, как определение полярности входного сигнала и установка пределов измерения.

Гибкие измерительные системы позволяют программным способом перестраивать систему для измерения различных физических величин и менять режим измерений. При этом аппаратная часть измерительной системы не изменяется. По структурному построению ГИС подразделяют на интерфейсные, микропроцессорные и компьютерноизмерительные.

Наиболее мощными типами ГИС являются измерительновычислительные комплексы (ИВК), которые создаются путем объединения с помощью специальной многопроводниковой магистрали в одну измерительную систему компьютера, измерительных приборов и устройств отображения информации. Связь между компьютером и всеми остальными узлами и их совместимость обеспечиваются с помощью совокупности аппаратных, программных и конструктивных средств.

Устройство сопряжения компьютера со средствами измерений или любыми другими внешними системами называют интерфейсом. Иногда в это понятие включают и программное обеспечение автоматизированной системы. Обычно в ИВК используются стандартные устройства (модули), подключенные к общей магистрали, и стандартные интерфейсы. При этом для решения новой метрологической задачи достаточно сменить часть модулей, используемых в качестве источника или приемника информации, и программное обеспечение.

В микропроцессорных ГИС все узлы подключаются непосредственно к магистрали микропроцессора. Встроенные микропроцессоры осуществляют сервисные операции, обеспечивают различные режимы измерений и определяют ряд параметров сигнала или цепи. Работа таких приборов выполняется в соответствии с программами, заложенными в запоминающем устройстве.

В настоящее время во многих измерительных системах применяются персональные компьютеры. Это, прежде всего, связано с тем, что компьютер делает измерительную систему исключительно гибкой, так как пользователь может легко изменить его программное обеспечение. Компьютерно-измерительные системы объединяют средства измерений, обработки, вычислений и управления на собственной шине персонального компьютера.

Микропроцессорные измерительные приборы

Структурная схема ЦИП со встроенным микропроцессором показана на (рис. 13.1). Конкретным примером такого прибора может быть цифровой ваттметр, измеритель временных интервалов и др.

Работа такого прибора происходит следующим образом. Клавиатура содержит поле задания режима, поле цифровых данных и шифраторы. С помощью поля режима задаются режим измерения и измеряемая величина. Диапазон измерения вводится посредством цифровой клавиатуры. Сигналы с клавиатуры с помощью шифратора преобразуются в код и поступают на шину данных.

Микропроцессор по подпрограмме установки режима анализирует данные с клавиатуры, сравнивая их с константами из ПЗУ, и вырабатывает управляющие коды на ЦАП (для обеспечения предела измерений), на мультиплексор (для подключения входного канала) и т.д. Одновременно вводимая информация с клавиатур интерпретируется для вывода на дисплей.

Отображение вводимых данных на дисплее целесообразно полностью идентифицировать с надписями на клавиатуре, для этого в ПЗУ необходимо программировать зоны интерпретации кодов вводимых данных в символы, показываемые на дисплее. Кроме программирования режима работы прибора, анализ входных данных может включать в себя контроль вводимых данных (синтаксический контроль, контроль полноты исходных данных и т.п.).

Собственно режим измерений должен начинаться с приходом команды «пуск» (с клавиатуры — при местном управлении, с интерфейсной шины — при дистанционном). Сформированный в АЦП код поступает в микропроцессор, где производится обработка по программе и вычисление вторичных параметров. Передача кода из АЦП в микропроцессор может осуществляться как в режиме прерывания по запросам от АЦП, так и в режиме обращения к АЦП в качестве адресуемого регистра (особенно при работе АЦП в режиме запуска от микропроцессора).

Для получения информации о коррекции погрешности и для диагностики работоспособности прибора микропроцессор по шине данных на мультиплексор передает код для подключения к АЦП встроенной образцовой меры (в случае цифрового вольтметра — опорное напряжение). Код с АЦП, соответствующий образцовой мере, поступает в микропроцессор и сравнивается с константой из ПЗУ. Вычисляется соответствующая поправка, которая будет участвовать в расчете измеряемых параметров до следующего цикла калибровки прибора. Прибор с подобной структурой легко перестраивается на другие (близкие по характеру) виды измерений. Для этого достаточно заменить ПЗУ (программу и константы, включая интерпретацию входной информации о режимах) и клавиатуру (если меняется состав измеряемых параметров, т.е. тип прибора). Включение на вход прибора мультиплексора позволяет измерять параметры сигналов с нескольких входов, т.е. проводить комплексные (многопараметровые) измерения.

Источник