Cyfrowe systemy pomiarowe

Cyfrowe systemy pomiarowe – system pomiarowy jest zbiorem współpracujących ze sobą przyrządów pomiarowych służących do otrzymywania, przetwarzania, przesyłania oraz zapamiętywania informacji pomiarowej. Zakwalifikowanie do kategorii systemów pomiarowych związane jest z funkcją dodatkową jaką pełni urządzenie oprócz pobrania informacji z obiektu mierzonego, a mianowicie z przetwarzaniem wyniku pomiaru. Proces pobrania informacji z obiektu badanego to proces pomiarowy. W teorii występuje podział na systemy p. analogowe i systemy p.cyfrowe, jednak obecnie praktycznie wszelkie tworzone systemy pomiarowe są systemami cyfrowymi, stąd stosuje się określenie cyfrowe systemy pomiarowe.

Klasyfikacja systemów pomiarowych

Wykorzystanie informacji w funkcji wielkości strumienia informacji

Efekty automatyzacji systemów kontroli

Niezawodność kontroli a stopień automatyzacji

Automatyzacja procesu pomiarowego (p.p.), a więc wyłączanie z ww. procesu bezpośredniego udziału człowieka, pozwalają na:

• zwiększenie wydajności działań metrologicznych
• wysoki stopień obiektywności
• eliminację błędów operatora.

Stopień automatyzacji p.p. dzieli systemy pomiarowe na:

• systemy ze sterowaniem ręcznym
• systemy półautomatyczne
• systemy automatyczne

Zastosowanie urządzeń zastępujących człowieka w procesie pomiarowym umożliwia wykonanie większej ilości pomiarów w jednostce czasu, czyli realizację działań metrologicznych na większą skalę i obróbkę większej ilości informacji pomiarowych.

Poprzez określenie celu cyklu pomiarowego dokonuje się podziału na:

• system pomiarowy – celem jest uzyskanie prostej informacji o obiekcie
• system pomiarowo-kontrolny – celem jest uzyskanie prostej informacji o stanie badanego obiektu dzięki wykonaniu szeregu pomiarów
• system pomiarowo-diagnostyczny – celem jest otrzymanie informacji o przyczynach danego stanu obiektu badanego (diagnoza) oraz wykonanie odpowiednich działań korekcyjnych na badanym obiekcie. Pomiary wieloparametrowe Wykorzystanie systemów pomiarowo-kontrolnych (pomiarowo-diagnostycznych) do zastosowań przemysłowych – procesy produkcyjne, nadzór nad działaniem złożonych obiektów itp., zdecydowanie wpływa na zwiększenie wydajności, zmniejszenie awaryjności – podwyższenie niezawodności działania badanych obiektów.

W teorii występuje podział na systemy pomiarowe analogowe i s.p. cyfrowe, jednak obecnie praktycznie wszelkie tworzone systemy pomiarowe są systemami cyfrowymi, stąd dalej stosuje się określenie cyfrowe systemy pomiarowe.

Zadania i struktura cyfrowego systemu pomiarowego

Ogólny proces pomiarowo-kontrolny (diagnostyczny), ze względu na realizowane zadania, można przedstawić następująco:

grupa czynności	kolejne działania elementarne	funkcje systemu pomiarowego
I. Przygotowanie pomiaru	1. wybór metody pomiarowej 2. wybór przyrządu pomiarowego 3. opracowanie układu pomiarowego	realizuje a priori – uwzględnione przy projekcie systemu
II. Pomiar właściwy	4. wybór obiektu 5. wybór zakresu pomiarowego 6. porównanie wielkości mierzonej z wzorcem 7. odczyt wyniku porównania 8. przesył i rejestracja wyniku pomiaru	określony przez program/obsługę automatyczne/obsługa automatyczne automatyczne automatyczne opcjonalne
III. Opracowanie wyników pomiarów	9. obróbka matematyczna wyników pomiarów 10. interpretacja wyników pomiarów 11. opracowanie dokumentacji pomiaru 12. zmiana parametrów obiektu badanego na bazie p.10	opcjonalne opcjonalne realizacja z udziałem człowieka realizowane przez s. diagnostyczny

System pomiarowy realizuje czynności I.1÷II.7 .

System pomiarowo-kontrolny realizuje czynności I.1÷III.10 .

System pomiarowo-diagnostyczny realizuje czynności I.1÷III.12 .

Ogólna struktura systemu pomiarowo-kontrolnego

Uogólnioną strukturę systemu pomiarowo-kontrolnego można przedstawić w następujący sposób:

Struktura systemu pomiarowo-kontrolnego – prosta (sterowanie główne)

Możliwa jest również struktura ze sterowaniem rozproszonym tzn. każdy z modułów ma własne sterowanie (praca autonomiczna) i brak koordynującego modułu sterowania, współdziałanie między modułami dzięki transmisji sygnałów informacyjnych. Współdziałanie poszczególnych bloków jest możliwe przez skoordynowanie sterowań wewnątrz-modułowych.

Struktura systemu pomiarowo-kontrolnego ze sterowaniem rozproszonym

Z przedstawionych dwóch powyższych struktur systemów szersze zastosowanie znalazła wersja ze sterowaniem ogólnym (sterowanie główne), którego poszczególne moduły schematu systemu pomiarowego – prostego scharakteryzowano poniżej.

Opisywane moduły są odpowiedzialne za wykonanie kolejnych faz ogólnego procesu pomiarowo-kontrolnego, przedstawionego w ww. ujęciu tabelarycznym.

Moduł pobierania danych

Zespół odpowiedzialny bezpośrednio za pomiar obiektu badanego, realizuje działania w procesie pomiarowo-kontrolnym:

I. przygotowanie pomiaru

II. pomiar właściwy (p. ww. ujęcie tabelaryczne).

Ostatnią funkcją dotyczącą jednego pomiaru jest przesłanie informacji pomiarowej do kolejnego bloku systemu pomiarowo-kontrolnego. Działaniem tego modułu kieruje moduł sterowania.

Moduł przetwarzania informacji

Moduł ten realizuje funkcję obróbki matematycznej wyników pomiarów (III.9 z tab.1). Moduł powyższy posiada strukturę sprzętowo-programową z przewagą działań programowych (algorytmy obróbki danych). Pracą m. przetwarzania informacji zarządza układ sterujący.

Moduł interfejsu z otoczeniem

W module dokonywana jest interpretacja wyników pomiarów (III.10 tab.1) przynajmniej w częściowym stopniu. Ściślej określa się formy prezentacji przetworzonych wyników pomiarów.

W systemach pomiarowo-kontrolnych należy dążyć do wykonania co najmniej częściowej analizy otrzymanych wyników. Stworzona w ten sposób forma prezentacji ułatwi (wyręczy) operatorowi podjęcie decyzji (diagnozy). Przy określaniu formy prezentacji (cyfrowa, graficzna, dźwiękowa) należy także uwzględnić:

• czytelność formy
• jednoznaczność formy
• prędkość prezentowania wyników.

Czas odczytu informacji przez człowieka w funkcji intensywności informacji I

Moduł interfejsu z otoczeniem jest kierowany przez układ sterowania.

Moduł sterujący

Zapewnia poprawne współdziałanie wszystkich trzech omówionych modułów. Jest to jego główne zadanie, stąd nie realizuje bezpośrednio żadnej z czynności elementarnych procesu pomiarowo-kontrolnego z ww. tablicy. Układ ten jest określany również jako kontroler.

Sposób działania kontrolera określa metodę sterowania pozostałych modułów, a więc działanie całego systemu pomiarowo-kontrolnego.

Rozróżnia się różne typy kontrolerów – różne metody sterowania pracą systemu:

• kontroler o sterowaniu sekwencyjnym w pętli otwartej.

Praca systemu w tempie określonym przez zegar jednostki centralnej – kontrolera. Zapoczątkowany cykl przez zewnętrzny czynnik inicjujący. Po wykonaniu zbioru określonych czynności, system przechodzi w stan spoczynkowy – oczekiwania na następny cz. inicjujący.

• kontroler o sterowaniu sekwencyjnym w pętli zamkniętej.

Praca systemu w tempie określonym przez zegar jednostki centralnej – kontrolera. Zapoczątkowany cykl przez zewnętrzny czynnik inicjujący. Po wykonaniu zbioru określonych czynności, układ samoczynnie przechodzi do następnego cyklu. Praca w „pętli nieskończonej”.

• kontroler o sterowaniu asynchronicznym.

Kolejne etapy cyklu pomiarowo-kontrolnego wykonywane są po otrzymaniu informacji zwrotnej z modułów systemu o poprawnym wykonaniu operacji bieżącej.

Odrębne zagadnienie to zasady przesyłu danych stosowane w systemie pomiarowo-kontrolnym. Wymiana danych między dwoma urządzeń implikuje konieczność dopasowania ich szybkości transmisji:

• asynchroniczny przesył danych – z potwierdzeniem

Możliwość nadawania/odbioru znaku następnego jest sygnalizowana sygnałem potwierdzenia odbioru. Szybkość transmisji jest uzależniona od szybkości wolniejszego z dwóch urządzeń.

• synchroniczny przesył danych – bez potwierdzenia

Przesył danych w założonym a priori cyklu o szybkości działania transmisji niezmiennej w czasie.

Bibliografia

• Badźmirowski K., Karkowska M., Karkowski Z.: Cyfrowe systemy pomiarowe, Warszawa WNT 1979
• Sowiński A.: Cyfrowa technika pomiarowa, Warszawa WKIŁ 1976