Бесконтактные методы и средства измерений

Бесконтактные методы измерения реализованы в различных инфракрасных (ИК) средствах измерения (InfraRed Instrumentation) - термометрах и измерительных преобразователях, а также в оптических (Optical) термометрах - пирометрах. Инфракрасные измерители обеспечивают измерение температур в широком диапазоне температур: -50...+5000 °С. Оптические термометры (пирометры) принципиально пригодны лишь для измерения очень высоких температур, при которых поверхность объекта уже видимо светится (+600 °С и выше). Кроме того, точность и чувствительность измерения оптическими термометрами невысоки.

Важными достоинствами ИК-термометров являются широкие диапазоны измеряемых температур, достаточно высокие точность, чувствительность и быстродействие, хорошие эксплуатационные характеристики, сравнительно невысокая стоимость. Однако не так просто реализовать основные преимущества ИК-термометров - для достоверного результата измерения требуются достаточно высокая квалификация пользователя, знание специфики ИК-измерений, определенный опыт практических обследований.

Оптическое излучение. Любое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля (-273 °С), имеет тепловое излучение. С ростом температуры увеличиваются амплитуда и частота колебаний молекул вещества тела. Человек своими органами чувств воспринимает тепло (осязанием) и свет (зрением). Физическая природа колебаний одна и та же (тепловая), но частота колебаний различна и зависит от конкретной степени нагретости объектов. При температуре 600... 1000 °С и выше (в зависимости от материала объекта) некоторое количество энергии тела излучается в видимой глазом части спектра.

В физике используется понятие «оптическое излучение», соответствующее электромагнитному излучению с длинами волн λ, расположенными в диапазоне 1 нм...1 мм. Этот диапазон делится на три части. Диапазон длин волн λ ультрафиолетового излучения составляет 1,0 нм...0,38 мкм. Диапазон длин волн λ видимого излучения - 0,38...0,76 мкм. Диапазон длин волн λ ИК-излучения - 0,76... 1000 мкм.

Устройство ИК-термометра. Методы и приборы бесконтактного ИК-измерения основаны на количественной оценке инфракрасного (теплового) излучения объекта. Тепловое излучение обладает практически теми же свойствами, что и видимый человеком свет: распространяется прямолинейно, способно отражаться, преломляться, проникать сквозь некоторые тела, может быть сфокусировано оптической системой линз (не обязательно прозрачных) и т. п.

На рис. 19.6 показана упрощенная структура ИК-термометра.

Рис. 19.6. Упрощенная структура ИК-термометра: 1 - объект; 2 - объектив; 3 - приемник

Тепловое излучение поверхности объекта объективом прибора фокусируется на приемник, в роли которого часто выступает термопара. ТермоЭДС термопары усиливается усилителем Ус, преобразуется аналого-цифровым преобразователем АЦП в цифровой код, который некоторое время хранится в запоминающем регистре Рг и представляется на индикаторе результатом измерения. Объектив ИК-измеритёля одновременно выполняет функцию полосового фильтра частот.

Инфракрасный измеритель может также содержать узлы связи (аналоговой или цифровой) с внешними устройствами. На рис. 19.6 показаны аналоговый АВ и цифровой ЦВ выходы. Наличие у ИК-термометра выхода аналогового сигнала, пропорционального текущему значению измеряемой температуры, позволяет подключить прибор к внешнему аналоговому самопишущему прибору или к цифровому измерительному регистратору.

Для задач длительного мониторинга применяются также ИК измерительные преобразователи. Эти устройства не имеют индикатора, их выходной аналоговый сигнал представлен пропорциональным измеряемой температуре током (например, 4...20 мА) или напряжением (например, 0... 5 В). Они предназначены для работы совместно с показывающими приборами или регистраторами в составе измерительных установок, комплексов или систем.

Интересным и перспективным направлением развития инфракрасной термометрии является тепловидение (или термовидение, или термография). Тепловизионная техника позволяет получить растровое изображение поверхности объекта - термограмму, по которой, как по фотографии, можно оценить значения температуры отдельных фрагментов поверхности.

Рис. 19.7. Цифровая регистрация температуры: 1 - ИК-преобразопатель; 2 - цифровой регистратор; 3 - компьютер

Измеряемая величина (Х) поступает на входное устройство прибора ВУ, где происходит масштабное преобразование сигнала, затем он поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код, который отображается в соответствующий код, который отображается в виде числового значения на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ). Для получения всех управляющих сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления. Входное устройство прибора устроено аналогично электронному прибору, а в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения помех.

27. Дискретизация и квантование сигналов: определения. Теорема Котельникова. Влияние разрядности и времени преобразования аналого-цифрового преобразователя на погрешности квантования и дискретизации.

По характеру изменения информативного параметра сигналы делятся на четыре группы:

• непрерывный по времени и размеру;

• непрерывный по времени и квантованный по размеру;

• дискретизированный по времени и непрерывный по размеру;

• дискретизированный по времени и квантованный по размеру.

Дискретный сигнал -это сигнал,изменяющийся дискретно во времени или поуровню. В первом случае он может принимать в дискретные моменты времени nТ, где Т = const - интервал (период) дискретизации, n = 0; 1; 2;...- целое, любые значения Y_д(nT) Î (Y_niin; Y_max), называемые выборками, или отсчетами. Такие сигналы (рис. 10.2,6) описываются решетчатыми функциями. Во втором случае значения сигнала Y_a(t) существуют в любой момент времени t Î (t_min; t_max), однако они могут принимать ограниченный ряд значений h_i = nq, кратных кванту q.

Цифровые сигналы -квантованные по уровню и дискретные по времени сигналыY_u(nT), которые описываются квантованными решетчатыми функциями (квантованными последовательностями), принимающими в дискретные моменты времени nТ лишь конечный ряд дискретных значений - уровней квантования h₁, h₂,.... h_n (рис. 10.2,в).

Сигналы, непрерывные по времени и квантованные по размеру получаются изсигнала, непрерывного по времени и размеру, посредством его квантования. Квантование - измерительное преобразование непрерывно изменяющейся величины в ступенчатоизменяющуюся с заданным размером ступени q - квантом.

Различают равномерное (q - постоянная величина) и неравномерное (q - переменная величина) квантование. Неравномерное квантование применяется достаточно редко, в специфических случаях, например при большом динамическом диапазоне квантуемой величины. В связи с этим в дальнейшем рассматривается только равномерное квантование.

Процесс квантования описывается уравнением

Y_KB(t)=N(t_i) q∙l(t-t_i),

где Y_KB(t) - квантованный сигнал; N(t_i) - число квантов; l(t-t_i) - единичная функция. Любой процесс измерения по сути своей есть процесс квантования. Например, при измерении длины тела линейкой с миллиметровыми делениями определяется целое число миллиметров, наиболее близкое к истинному размеру тела. В данном случае в роли кванта выступает миллиметр. При использовании микрометра квантом является величина, равная10^-6 м.

Разность между истинным значением длины тела и измеренным линейкой есть погрешность квантования. Погрешность квантования - методическая погрешность отражения непрерывной величины ограниченным по числу разрядов числом. Она равна разности между значением непрерывной функции и значением, полученным в результате квантования (см. рис. 20.2).

Сигналы, дискретизированные по времени и непрерывные по размеру получаются изнепрерывных по времени и размеру сигналов посредством дискретизации. Дискретизация - измерительное преобразование непрерывного во времени сигнала Y(t) в последовательность мгновенных значений этого сигнала.

Восстановление сигнала регулируется теоремой Котельникова

Физический смысл теоремы Котельникова.

Теорема Котельникова утверждает, что если требуется передать непрерывный сигнал с ограниченным спектром по каналу связи, то можно не передавать все его значения: достаточно лишь передать его мгновенные значения (отсчеты) через интервал . Поскольку сигнал полностью определяется этими значениями, то по ним он может быть восстановлен на приемном конце системы связи. Для этого достаточно соединить отсчеты плавной кривой. Это можно объяснить тем, что сигнал между отсчетами может изменяться только плавно, так как частоты выше дающие быстрые изменения, в сигнале отсутствуют. Ведь отсчеты берутся достаточно часто, и тем чаще, чем выше максимальная частота .

Практическое применение теоремы Котельникова.

Дискретизация сигнала осуществляется достаточно просто: периодически на короткое время через интервал ключом замыкается цепь от источника сигнала к нагрузке – получаем отсчеты . Далее эти отсчеты, пройдя через канал связи, поступают на вход идеального фильтра нижних частот (ФНЧ) с верхней частотой пропускания . На выходе фильтра получается исходный непрерывный сигнал .

28.Интервал регистрации и объем памяти. Количество отсчетов(отдельныхрезультатов аналого-цифрового преобразования, слов), которые запоминаются в памяти регистратора, определяется отношением Т _р / Т _д. Этим же отношением, естественно, определяется и объем памяти V (в отсчетах), которую займет массив зарегистрированных данных по окончании записи. Окончание интервала регистрации Т _р (как и его начало) также может быть организовано по-разному. Понятный способ – задание астрономического времени окончания записи. Правда, при этом необходимо всякий раз убеждаться в том, что соотношение заданных обшей длительности интервала регистрации Т _ри шага Т _ддискретизации не противоречит возможностям(максимальному объему V _м)памяти регистратора. В противном случае неизбежны потери информации.Максимально возможное время регистрации (максимальная длительность интервала регистрации Т _р) определяется простым соотношением Т _р = Т _д V _м, где V _м – максимальный объем памяти данных в отсчетах, словах (а не в байтах, так как один отсчет часто не равен байту, а больше). Например, при объеме памяти данных V _м = 1000 отсчетов (слов) и заданном шаге дискретизации Т _д, равном 1 мин, невозможна суточная запись (т.е. Т _р = 24 ч) исследуемого процесса, так как память будет вся заполнена уже примерно через 16 ч. При этом финальная часть процесса, естественно, не будет зарегистрирована.

Если значение шага дискретизации Т _д (или частоты дискретизации F _д) уже определено по каким-то критериям (например, исходя из максимальной скорости изменения исследуемого процесса), объем памяти регистратора V _м известен, то определить максимально возможное время регистрации Т _р можно, используя простые соотношения:

Т _р= V _м Т _д= V _м/ F _д.

Отметим, что совсем необязательно стремиться заполнить всю память регистратора, если для задач эксперимента достаточно некоторой ее части.

 

29 Цифровой измерительный прибор (ЦИП) — средство измерений, автоматически вырабатывающее сигналы измерительной информации в цифровой форме. Цифровой измерительный прибор имеет ряд преи­муществ перед аналоговыми приборами: удобство отсчитывания зна­чений измеряемой величины, возможность полной автоматизации про­цесса измерений, регистрация результатов измерения с помощью цифр. В ЦИП происходит преобразование непрерывной измеряемой вели­чины в цифровой код. Осуществляется этот процесс с помощью ана­лого-цифрового преобразователя (АЦП).Цифровой сигнал, можно передавать на большее расстояние, чем аналоговый, причем без снижения качества передаваемого сигнала. Это особенно актуально в последнее время, с учетом огромного роста передаваемой информации. Хранение информации в цифровых системах проще, чем в аналоговых. Цифровыми системами с компьютерным управлением можно управлять с помощью программного обеспечения, добавляя новые функции без замены аппаратных средств. Цифровая техника всегда превосходила аналоговую по точности. Цифровая техника миниатюрнее. Цифровая техника экономичнее и дольше служит.
·Отсутствие субъективной ошибки отсчетов результата измерения - субъективных погрешностей, связанных с особенностями зрения человека, из-за параллакса, из-за разрешающей способности глаза.

30 Цифровые измерительные приборы для измерения частоты и периода входного сигнала В цифровом (электронно-счетном) частотомере подсчитывается число импульсов N, соответствующее числу периодов неизвестной частоты fx за известный высокоточный интервал времени, называемый временем измерения ТИ. Если за время ТИ подсчитано N импульсов, то среднее значение измеряемой частоты fx = Ν/ ТИ. При времени измерения Ти =1 с количество подсчитанных импульсов (периодов) N и есть значение измеряемой частоты (Гц), т. е. fx = N. На рис. 21.2, а приведен пример построения схемы одного из цифровых частотомеров. Входное устройство, предназначено для согласования частотомера с источником сигнала, а также для усиления или ограничения напряжения на входе до значения, запускающего формирователь. Последний преобразует синусоидальные или периодические импульсные сигналы в последовательность импульсов постоянной амплитуды, независимо от входного сигнала, частота следования которых равна частоте измеряемого сигнала (рис. 21.2, б). Временной селектор (электронный ключ с двумя входами) открывается строб-импульсом, вырабатываемым устройством управления (схемой автоматики), на высокоточное время измерения и пропускает эти импульсы на электронный счетчик. Цифровой индикатор автоматически выдает результат измерения в герцах.