цифровые измерительные приборы что это

Общие сведения. Цифровые измерительные приборы

Цифровые измерительные приборы

Лекция №14

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называют приборы, содержащие аналого-цифровые преобразователи, устройства обработки цифровой информации и отображения результатов измерений в цифровой форме.

В настоящее время ЦИП занимают ведущее место на мировом рынке, хотя в промышленности еще имеется большой парк аналоговых измерительных приборов.

ЦИП имеют много достоинств:

-высокая точность измерений,

-широкий диапазон измеряемой величины,

-результат измерений в цифровой форме (возможность последующей обработки, сохранения, индикации),

-возможность внешнего управления, автоматизации и программирование процесса измерения.

Обобщенная структурная схема ЦИП представлена на рис.14.1.

Рис.14.1.

Входное устройство по сигналу Блока управления (БУ) каждый цикл измерений преобразует измеряемый электрический сигнал u_x(t) в постоянное напряжение U₌ в определенном диапазоне значений, который зависит от значения u_x и выбранного предела измеряемой величины. В следующем цикле при изменении значения u_x изменяется значение U₌

АЛУ – арифметико-логическое устройство выполняет операции с отдельным значениям U_D, полученным в цикле или с набором их значением в множестве циклов.

Блок управления синхронизирует процессы обработки сигналов.

Таким образом, в любом ЦИП происходит два процесса:

— дискретизация – представление непрерывно изменяющихся значений напряжения измеряемой величины u_x в дискретный набор значений U_=t

, для отдельных моментов времени, определяемых циклами измерений (рис.14.2,а),

— квантование – преобразование отдельного значения U_=t в цифровой код U_Dt. (рис.14.2,б).

Рис.14.2. а)- дискретизация во времени, б) квантование в двоичный код.

Ширина спектра сигнала растет с увеличением скорости изменения сигнала. Поэтому для того, чтобы уменьшить погрешность дискретизации надо уменьшить период (увеличить частоту) дискретизации. Это наглядно видно на рис.14.2а.

Погрешность квантования зависит от шага квантования, т.е. от разрядности АЦП. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность квантования.

Период дискретизации T_discr =1/ f_discr должен быть больше длительности процесса квантования T_КВ, которая зависит от метода квантования.

В процессе квантования измеряемая величина сравнивается с известной мерой, составленной из суммы квантов разных разрядов.

При методе «последовательного счета» (самый медленный алгоритм, рассмотрен в лекции 12) мера набирается последовательным наращиванием по единице младшего разряда (рис.14.3,а).

Второй метод «поразрядного уравновешивания» (рис.14.3б) заключается в последовательном уменьшении (или увеличении) меры, начиная со старшего разряда.

В третьем методе «считывания» (рис.14.3в) применяется одновременное сравнение с множеством мер, набранных с возрастающим количеством квантов.

Методы перечислены в порядке нарастания быстродействия. Однако, при этом возрастает так же сложность и стоимость ЦИП.

Рис.14.3. К алгоритмам преобразования сигнала в цифровую форму.

ЦИП характеризуются следующими параметрами:

-измеряемая величина, т.е. какая электрическая величина измеряется,

-пределы измерения, т.е. переключаемые диапазоны измеряемой величины,

-чувствительность, т.е. наименьшая единица младшего разряда,

-количество разрядов индикатора,

-точность ЦИП, комплексная характеристика, выражаемая погрешностями,

-по назначению, т.е. виду измеряемого напряжения – постоянного (DC) или переменного напряжения (AC- среднего, действующего, амплитудного значений), для импульсного напряжения, универсального назначения;

-по устройству – вольтметры с фиксированной логикой и программируемые (с микропроцессором);

-по методу аналого-цифрового преобразования :

Ниже рассматриваются ЦИП с фиксированной (жесткой) логикой.

Упрощенный пример схемы вольтметра с время-импульсным преобразованием приведен на (рис.14.4). В вольтметре имеется генератор непрерывной периодической импульсной последовательности (ГИ), генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), счетчик импульсов (СИ), компаратор (КМП), входное устройство (ВУ) и управляющее устройство (УУ).

Рис.14.4. Упрощенная схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием.

Для измерения переменных напряжений вольтметр постоянного тока дополняется преобразователем переменного напряжения в постоянное напряжение. При этом схема преобразователя зависит от измеряемой величины. Такие преобразования рассмотрены на лекции 13 в разделе «Аналоговые вольтметры переменного напряжения». Как показано, возможны измерения действующих, амплитудных и средних по модулю значений напряжения.

Цифровые частотомеры и фазометры с фиксированной логикой.

Источник

Классификация измерительных приборов и список технических устройств

Измерительные приборы прочно вошли в жизнь человека. За счет обширной классификации измерительных приборов можно определить именно тот аппарат, который понадобится для конкретных операций. Это могут быть как простейшие, по типу рулетки или амперметра, так и мультифункциональные измерительные приборы. При выборе устройства следует ориентироваться на его предназначение и основные характеристики.

Общие сведения

Измерительным прибором называют такое устройство, которое позволяет получить значение некоторой физической величины в заданном диапазоне. Последний задается с помощью приборной шкалы. А также технические приборы позволяют переводить величины в более понятную форму, которая доступна определенному оператору.

В настоящее время список измерительных приборов довольно широк, но большинство из них предназначается для контроля за проведением технологического процесса. Таким может быть датчик температуры или охлаждения в кондиционерах, нагревательных печах и других устройствах со сложной конструкцией.

Среди наименований измерительных инструментов есть как простые, так и сложные, в том числе и по конструкции. Причем сфера их применения может быть как узкоспециализированной, так и распространенной.

Чтобы узнать больше сведений о конкретном инструменте, необходимо рассмотреть определенную классификацию контрольно-измерительных устройств и приборов.

Виды измерительных приборов

В зависимости от того, какие бывают измерительные инструменты, их названия могут отличаться в разных классификациях.

Обычно приборы могут быть следующего вида:

Вышеописанные приборы являются наиболее распространенными и применяются для измерения ряда физических величин. Сложность происходящих физических процессов требует применения нескольких приборов, причисляемых к разным классам.

Классификация устройств

В разных сферах применяется своя классификация устройств, предназначенных для измерения физических величин.

Приборы могут делиться по таким критериям:

Регистрирующие устройства делятся на самопишущие и печатающие разновидности. Наиболее прогрессивным вариантом являются самопишущие аппараты, поскольку у них выше точность предоставления информации и шире возможности для измерения заданных ранее параметров.

Аналоговые и цифровые

Контрольно-цифровые инструменты могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. Первые считаются более удобными. В них показатели силы, напряжения или тока переводятся в числа, затем выводятся на экран.

Но при этом внутри каждого такого прибора находится аналоговый преобразователь. Зачастую он представляет собой датчик, снимающий и отправляющий показания с целью преобразования их в цифровой код.

Хотя аналоговые инструменты менее точны, они обладают простотой и лучшей надежностью. А также существуют разновидности аналоговых инструментов и приборов, имеющих в своем составе усилители и преобразователи величин. По ряду причин они предпочтительнее механических устройств.

Для давления и тока

Каждому еще со школы или университета знакомы такие названия измерительных приборов, как барометры и амперметры. Первые предназначены для того, чтобы измерять атмосферное давление. Встречаются жидкостные и механические барометры.

Жидкостные разновидности считаются профессиональными из-за сложности конструкции и особенностей работы с ними. Метеостанции применяют барометры, заполненные внутри ртутью. Они наиболее точные и надежные, позволяют работать при перепадах температур и иных обстоятельствах. Механические конструкции проще, но постепенно их вытесняют цифровые аналоги.

Амперметры используются для измерения электрического тока в амперах. Шкала амперметра может градуироваться как в стандартных амперах, так и микро-, милли- и килоамперах. Лучше всего такие приборы подключать последовательно. В таком случае снижается сопротивление, а точность снимаемых показателей возрастает.

Слесарные инструменты

Достаточно часто можно встретить измерительные слесарные инструменты. Наиболее важная характеристика — точность измерений. За счет того, что слесарные инструменты механические, удается добиться точности до 0,005 или 0,1 мм.

Если погрешность измерений превысит допустимый порог, то произойдет нарушение технологии работы инструмента. Тогда потребуется переточка некачественной детали или замена целого узла в устройстве. Поэтому для слесаря важно при подгонке вала под втулку использовать не линейку, а инструменты с большей точностью измерений.

Наиболее популярным инструментом с высокой точностью измерений является штангенциркуль. Но и он не сможет дать гарантии точного результата с первого измерения. Опытные рабочие делают несколько измерений, которые затем преобразуют в некоторое среднее значение.

Встречаются операции, требующие максимальной точности. Таких много в микромашинах и отдельных деталях устройств крупного размера. Тогда следует воспользоваться микрометром. С его помощью можно измерять с точностью до сотых долей миллиметров. Распространенное заблуждение о том, что он позволяет измерять микроны, является не совсем верным. Да и при проведении стандартных домашних работ такая точность может не пригодиться, поскольку достаточно действующих значений точности и погрешности.

Специальные устройства

Существует такое известное устройство для измерения под названием угломер.

Его предназначение заключается в измерении углов деталей, а конструкция состоит из следующих элементов:

Процесс измерения таким прибором простой. Деталь прикладывается одной из граней к линейке. Сдвинуть ее надо таким образом, чтобы образовался равномерный и достаточный просвет между гранями и линейками. Затем сектор закрепляется винтом. Снимаются показатели сначала с линейки, а затем с нониуса.

Контрольно-измерительные устройства нашли довольно широкое применение в различных сферах производства, домашнего быта, слесарного дела и строительных работ. Они различаются как по сфере применения, так и по возможности измерения.

Все приборы могут подразделяться по способу преобразования, выдачи информации и виду выходной информации, предназначения и другим критериям. Имея хорошую классификацию, можно отыскать конкретный инструмент для определенных задач и операций.

Но главная цель у них состоит в измерении показаний, их записи и контроле технологических процессов производства. Рекомендуются использовать точные измерительные устройства, однако, устройство становится гораздо сложнее. Это потребует учета большого количества факторов и измерений параметров, чтобы вывести на экран точные показания.

Источник

ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Цифровыми измерительными приборами называются приборы, которые в процессе измерения осуществляют автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результата измерений на цифровом отсчетном устройстве или регистрацией его при помощи цифропечатающего устройства. Функциональная схема цифрового прибора приведена на рисунке 12.

Аналоговая величина Х сначала преобразуется входным аналоговым преобразователем (ВАП) к виду, удобному для последующего преобразования. Затем при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП) производится её дискретизация и кодирование. Наконец, циф­ровое измерительное устройство (ЦИУ) превращает кодированную информацию об измеряемой величине в цифровой отсчет, удобный для считывания оператором.

Основой всякого цифрового прибора служит аналого-цифровой преобразователь, который осуществляет дискретизацию, квантование и кодирование информации. Дискретизация есть процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты времени. Процесс квантования заключается в замене непрерывных значений величины x(t) конечным набором ее дискретных значений x_n. Каждое из этих значений совпадает с одним из установленных уровней квантования, отстоящих друг от друга на интервал (шаг) квантования.

Кодированием называется процесс представления численного значения определенной последовательностью цифр или сигналов, т.е. кодом. Для преобразования цифрового кода в напряжение, воздействующее на цифровое измерительное устройство и информирующее показания цифрового измерительного прибора, используется устройство, называемое дешифратором.

В последние годы все большее распространение находят цифровые электроизмерительные приборы. Эти приборы измеряют значения непрерывно изменяю­щейся величины в отдельные (дискретные) моменты времени и представляют полученный результат в циф­ровой форме.

Представление непрерывно изменяющейся физиче­ской величины в виде последовательности ее дискрет­ных значений, отличающихся друг от друга на неболь­шую долю, называется квантованием измеряе­мой величины по уровню и по времени. Обычно интервал времени между соседними измере­ниями выбирают таким, чтобы отклонение изменяю­щейся величины от фиксированного измеренного зна­чения не превышало заданной погрешности измерения.

Основное достоинство цифровых приборов заклю­чается в том, что результат измерения может подвер­гаться дальнейшим физическим и математическим преобразованиям без увеличения погрешности, так как цифровое значение величины может быть с любой сте­пенью точности представлено последовательностью сигналов (например, импульсов), каждый из которых может иметь существенные искажения.

Основными элементами цифровых электроизмери­тельных приборов являются триггеры, логические схемы, бесконтактные ключи и цифровые указатели.

Триггеры представляют собой электронные схемы с двумя устойчивыми состояниями, одно из которых со­ответствует цифре 0, другое – цифре 1. Из этих двух цифр в двоичной системе счисления можно построить любое число. Логические схемы позволяют перевести эти числа в десятичную систему и отобразить на цифровых индикаторах в привычной форме.

В качестве цифровых индикаторов широкое применение находят электронные лампы с фигурными электродами, имеющими форму цифр от 0 до 9.

В настоящее время промышленностью выпускаются главным образом цифровые вольтметры. Разработаны и находят применение также цифровые амперметры, омметры, частотомеры, фазометры и другие приборы.

Применение цифровых приборов с дискретным отсчетом позволило создать многоканальные автоматиче­ские устройства для централизованного контроля многих параметров, характеризующих сложные техноло­гические процессы. Измерение параметров производится поочередно с заданной дискретностью по времени.

Цифровые электроизмерительные приборы имеют высокую точность (погрешность от 0,1 до 1%), боль­шое быстродействие, широкие пределы измерений, легко комплектуются с цифровыми вычислительными машинами, позволяют передавать результаты без искажения на неограниченные расстояния.

К недостаткам этих приборов следует отнести их сравнительную сложность и высокую стоимость.

Источник

Цифровые измерительные приборы (общие сведения)

Цифровыми называются электроизмерительные приборы, преобразующие определяемую аналоговую величину в кодированный сигнал и представляющий результаты измерения в виде цифрового значения на отсчетном устройстве.

В соответствии с определением цифровые измерительные приборы (ЦИП) состоят из аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифровых отсчетных устройств (ЦОУ). Результаты преобразования АЦП, в виде кода могут подаваться на регистрирующие или вычислительные приборы.

Иногда, в качестве преобразователя выступают цифро-аналоговые преобразователи, представляющие сигнал в виде аналоговой квантованной величины. ЦОУ отображает результат в виде цифр с заданным количеством разрядов.

В основе цифровых электрических измерений заложено аналого-цифровое преобразование (кодирование), которое заключается в присвоении дискретного значения (кода) искомой величине с определенным шагом по времени.

Процесс дискретизации аналоговой величины пояснен иллюстрацией. Преобразователь за каждый промежуток времени t вырабатывает сигнал определенной величины, соответствующий величине измеряемого сигнала.

Разницу между значениями t1 и t2, t2 и t3 и т. д. называют шагом дискретизации. Фиксированные значения Х1, Х2, Х3 и т. д. называют уровнями квантования, а разница между соседними значениями Х называется ступенью квантования или квантом

Чем меньше ступень квантования, тем ближе и точнее дискретный сигнал будет соответствовать аналоговой измеряемой величине.

Код в ЦИП выдается в соответствии с квантованным значением Х, принимаемым равным определяемой величине. При преобразовании аналоговой величины в квант, большое значение имеет правило отождествления измеряемой и квантованной величины.

На практике применяются следующие правила отождествления: с ближайшим большим или равным значением, с ближайшим меньшим или равным значением, с ближайшим значением.

На графике четко видно, что ни в один момент времени измеряемая аналоговая величина не совпала с фиксированным значением квантования. Это означает, что АЦП будет присваивать код по одному из вышеперечисленных правил.

Число уровней квантования определяется устройством приборов, от этого числа зависит число возможных отсчетов.

Для примера, если максимальное значение отсчетного устройства составляет 9999, это значит, что бесконечное количество значений аналоговой измеряемой величины в пределах от 0 до 9999 может быть представлено десятью тысячами различных показаний. ЦИП в данном случае имеет 10000 уровней квантования.

В результате квантования появляется погрешность дискретизации. На рисунке аналоговая величина в момент времени t1 имеет промежуточное значение между Х3 и Х4. АЦП в соответствии с одним из правил отождествления присвоит для времени t1 допустим значение Х4. Разница между фактической величиной и значением Х4 это и есть погрешность дискретизации.

Иногда, по значениям, полученным с помощью дискретизации сигнала, возникает необходимость восстановить все уровни измеряемой аналоговой величины. Практически это всегда выполняется с погрешностью, которую называют погрешностью аппроксимации.

АЦП преобразует входную величину в код одним из следующих методов: метод последовательного счета, последовательного приближения и метод считывания.

Метод последовательного счета заключается в последовательном во времени сравнении измеряемой величины Х с известной квантованной величиной Хк, изменяющейся во времени скачками.

Каждый скачок составляет один уровень квантования. АЦП выдает код соответствующий числу ступеней квантования, при котором наступает равенство с измеряемой величиной.

При инверсном преобразовании происходит сравнение известной квантованной величины с измеряемой квантованной величиной, функционально связанной с входным сигналом.

Метод последовательного приближения заключается в сравнении квантованной величины с известной квантованной величиной, изменяющейся во времени скачкообразно по определенному закону.

При совпадении этих величин, происходит отождествление по одному из правил, в соответствии с этим значением выдается код преобразования.

Метод считывания заключается в одновременном сравнении измеряемой величины со всеми доступными уровнями квантования. Код выдается в соответствии с отождествленным уровнем квантования.

Основными достоинствами цифровых приборов являются:

Рекомендуем купить цифровой осциллограф для диагностики автомобиля в Москве у компании ООО ПК ТехАвто.

Источник

Цифровые измерительные приборы что это

Общие сведения о ЦИП
В связи с повышением требований к точности измерений и необходимостью автоматизации процессов измерений большого числа параметров при использовании систем автоматического контроля и управления, а также в связи с применением вычислительной техники появились и широко применяются измерительные приборы, получившие название цифровые.
Цифровыми называются приборы, которые измеряют дискретные (отдельные) значения х1, х2, х3,…

Непрерывной во времени величины x или ее аналога (то есть величины, пропорционально измеряемой) и результат измерения выдают в цифровой форме. Дискретное представление измеряемой величины отличает эти приборы от давно существующих приборов с цифровым отсчетом, таких, например, как счетчики электрической энергии.
Цифровые приборы следует отнести к автоматическим приборам сравнения с непосредственным отсчетом, работающим на принципе компенсации измеряемой величины образцовой мерой. Результат измерения, например, значения х1 (рис. 8) получается в момент равенства с некоторым приближением этой величины к образцовой мере или величине, пропорциональной образцовой мере.
Измеренное значение x кодируется тем или иным способом, и затем результат измерения (эквивалент кода) фиксируется счетным устройством в цифровой форме на шкале прибора или печатается на бумаге специальным печатающим устройством, основанном на электромеханическом принципе.
Кодирование может быть выполнено, например, числом импульсов, числом одинаковых ступеней, образцового напряжения или определенной комбинацией различных по величине образцовых напряжений. Число импульсов или ступеней напряжений и комбинации образцовых напряжений могут применить только определенные дискретные значения. Наименьшей ступенью дискретности в этих случаях является ил один импульс, или наименьшая величина ступени напряжения. Следовательно, при измерении цифровыми приборами осуществляется замена текущего значения измеряемой величины ближайшим дискретным значением кода. Такое измерение называется дискретным по величине иди по уровню.
Измерение непрерывной величины цифровым прибором производится только в определенные фиксированные моменты времени t1,t2,t3 (рис. 8 (. 21)), поэтому такое измерение осуществляется дискретно и по времени. Представление текущего значения измеряемой величины прижженным значением, лежащим между двумя ближайшими образцовыми величинами, различающимися на элементарную величину, называется квантованием по величине или по уровню. Замена непрерывной величины дискретными значениями называется квантованием по времени.

Классификация цифровых измерительных приборов (ЦИП)

ЦИП классифицируются:
по роду измеряемой величины;
по методу квантования (кодирования);
По роду измеряемой величины ЦИП подразделяются на вольтметры, вольтамперметры, омметры, вольтомметры, частотомеры, фазометры, хронометры и др.
По методу квантования (кодирования) ЦИП можно разделить на:
приборы пространственного квантования;
приборы с квантованием частотно-временных параметров измерительных сигналов (число-импульсное, время-импульсное, частотно-импульсное);
приборы с квантованием параметров интенсивности (метод последовательного взвешивания или кодоимпульсный метод).
ЦИП пространственного квантования основаны на взаимодействии измеряемой величины (обычно линейное или угловое перемещение) x на квантующее устройство КВУ
преобразующее перемещение в пропорциональное число импульсов. Импульсы подсчитываются пересчетным устройством ПУ и фиксируются устройством индикации УИ.

ЦИП частотно-импульсного квантования преобразует измеряемую величину в импульсы, частота которых пропорциональна измеряемой величине ( Рис.13 (. 27))), т.е. число импульсов за определенное (заданное) время

ЦИП кодо-импульсного квантования измеряемую величину преобразует в код в результате последовательного сравнения с мерами из набора, образованного по определенным правилам. Код, образуемый в процессе этой операции, соответствует совокупности мер, воспроизводящих величину, наиболее близкую к значению измеряемой величины.

Элементы и узлы цифровых измерительных приборов

Источник