Цифровые измерительные приборы ( ЦИП)

 

       Представляют собой средства измерений, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в виде последовательности цифр (в цифровой форме).

В настоящее время ЦИП занимают ведущее место в мировой технике.

       Непрерывные величины могут принимать бесконечное количество значений в определенном диапазоне. Дискретные величины принимают лишь ограниченное количество дискретных значений в этом диапазоне. Преобразование непрерывной величины в дискретный  цифровой код выполняется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в два этапа:

1 - дискретизация непрерывной величины во времени;

2 - квантование непрерывной величины по уровню и присвоение кода отождествленному уровню.

           

1. Дискретизация непрерывной величины во времени.

Это этап преобразования непрерывной величины х(t) в последовательность дискретных величин (х₁, х_{2, …} х_к), значение которых совпадает с соответствующими значениями х(t) только в определенные моменты времени. Промежуток времени между двумя соседними точками отсчета называется шагом дискретизации, т.е.  ∆t=t₁-t₂.

       Проблема выбора шага дискретизации заключается в том, что при малых значениях шага ∆t имеет место избыточность информации. При выборе больших ∆t часть информации может быть потеряна.

 

2. Квантование непрерывной величины по уровню и присвоению кода отождествленному уровню.

Эта операция сводится к тому, что величина х(t_i) заменяется ближайшим фиксированным значением х_к по установленной на первом этапе шкале дискретных уровней (х₁, х_{2, …} х_к). Эти дискретные (фиксированные) уровни образованы по определенному закону. Разность между двумя разрешенными уровнями называют интервалом (шагом или ступенью) квантования. Интервал квантования может быть как постоянным, так и переменным.

Следующим преобразованием измерительного сигнала является присвоение кода величине х_к. Цифровым кодом называется последовательность цифр или сигналов, подчиняющаяся определенному закону с помощью которой осуществляется условное представление численного значения величины. Код – символ, присваиваемый дискретной величине, который представляется в виде физических сигналов (например, электрического напряжения).

       Но носителем информации в коде является не значение физических величин, а временное или пространственное расположение этих сигналов (величина электрического напряжения не является носителем информации).

Если носителем информации является временное расположение, то код называется последовательным, т.к. информация передается по одному информационному проводу во времени. Передача сигнала занимает много времени.

       Если носителем информации является пространственное расположение, то код называется параллельным. Такой код передается по проводам, количество которых определяется разрядностью цифрового устройства. Этот вид передачи занимает меньше времени.

Рассмотрим процесс  преобразования на графике непрерывной во времени функции х(t). Здесь х₀ – минимальное значение квантования, х(t_n) – максимальное значение квантования.

 

 

 

На этапе дискретизации в определённом временном интервале от нуля до t_n  в моменты времени t₁, t₂,_..., t_k,…, t_n устанавливаются соответственно им фиксированные величины х₀, х₁, х₂,…, х_к,    …,х(t_n).

В момент времени t_i ему будет соответствовать значение х(t_i) и при квантовании оно будет заменено ближайшей величиной х_к. Эта замена будет отличатся на незначительную величину - это погрешность дискретизации

Δх_диск = Х_к- х(t_i)

Чем больше значение n, тем меньше величина погрешности дискретизации Δх_диск, но процесс усложняется и занимает больше времени.

       Отождествление непрерывной величины х(t_i) с дискретным значением  х_к, может быть с ближайшим нижним или с ближайшим верхним уровнем, что зависит от алгоритма квантования.

       Присвоение дискретного значения величине х_к кода также определяется правилами системы считывания. 

 

Измерение температуры

       Температура является одним из важнейших параметров, т.к. по ней судят не только о степени нагретости тел, а также о других параметров вещества:

- теплоемкость,

- теплопроводимость,

- вязкость,

- плотность.

 

       В термодинамике температуру определяют как параметр состояния вещества, характеризующий его нагретость и направление перехода тепла.

       Все методы определения температуры основаны на однозначной связи температуры и других физических величин (объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС).

       За единицу измерения температуры принять один градус Цельсия (С⁰).

       Он представляет одну сотую часть между двумя характерными точками состояния воды (температура плавления льда и температура кипения). Т.е. температурой шкале Цельсия этим точкам присваиваются значения 0 и 100º.

       В настоящее время в соответствии с результатами международной конвенции, принята шкала в основу которой положено широко известное шкала Кельвина (К).

       В соответствии с этим устанавливается, что 1ºС = 1 К и вводится понятие тройная точка воды (существование трех фаз) t= 0,01ºС и температура в Кельвинах определяется как

                                                             t^оK = t^o C + 273,15^o

Если возьмем две шкалы Цельсия и Кельвина, то одна относительно другой будут сдвинута на 273,15^o

 

       В некоторых случаях применяются другие температурные шкалы Реомюра и Фаренгейта

n^oC= 0,8 n^o· R = (1,8n+32)^oF

Классификация методов

Измерения температуры

       В зависимости от принципа действия можно выделить следующие группы приборов.

1. Термометры расширения, основанные на измерении объема жидкости или линейных размеров твердых тел при измерении температуры.

2. Манометрические термометры, основанные на изменении давлений вещества заключенных в постоянный объем при изменении температуры.

3. Термоэлектрические термометры.

4. Электрические термометры сопротивления.

       5. Пирометры излучения (яркостные и радиационные).

 

       Яркостные – измеряют яркость нагретого тела на данной длине волны (кузнец по яркости определяет температуру металла).

 

       Радиационные – определяют температуру по действии теплового излучения (кузнец поставив руку на определенное расстояние от металла определяет температуру).

Термометры расширения

       В эту группу входят стеклянные и дилатометрические температуры.

       Стеклянные термометры по назначению делятся на технические, лабораторные и повышенной точности. Они изготовляются из стекла с малым коэффициентом объемного расширения.

В качестве термометрических веществ применяется ртуть, толуол, этиловый спирт, пентан. Особой точностью измерения и стабильностью градуировки отличается ртутные термометры. Недостатком является их хрупкость и невозможность дистанционной передачи показаний.

 

       Дилатометрические термометры основные на относительном удлинении под действием температуры двух твердых тел, имеющих различные коэффициенты линейного расширения. При изменении температуры длина одного из тел меняется больше, чем другого и это изменение передается на отсчетное устройство.

      
       Термометры расширения  выпускаются 2-х типов:

- стержневые,

- пластинчатые (биметаллические).

           

       Эти приборы не отличаются высокой точность и используются для измерения очень редко, в основном в бытовой технике.

       Но благодаря простоте и надежности они нашли широкое применение в качестве первичных преобразователей в системах сигнализации и автоматического регулирования температуры.

Манометрические термометры

 

 

1. Термобаллон.

2. Манометр с трубчатой

пружиной.

3. Капилляр.

 

 

Все элементы представляют единую замкнутую герметичную систему, заполненную рабочей жидкостью или газом. Термобаллон помещается в контролируемую среду, а манометр устанавливается на щите оператора.

       При изменении температуры, давление в термобаллоне изменяется, что отражается на шкале манометра 2, которая обычно градуируется в градусах Цельсия.

 

       Можно выделить три вида:

1. Газовые измеряют температуру от -150ºС до 600ºС. В качестве рабочего газа –использую гелий  или азот.

2. Жидкостные с диапазоном измерения от -50ºС до 300ºС. Термометрические вещества: ртуть, толуол, силиконовые жидкости.

3. Конденсационные работают в диапазоне от 50ºС до 300ºС. Термобалон заполнен на 0,7÷0,75 объема, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же легко кипящей жидкости(пропан, ацетон, спирт).

Манометрические термометры это проборы прямого действия и отличаются простотой и высокой надёжностью, но имеют невысокую точностью.