Разновидности измерительных информационных систем

Измерительные информационные системы, предназначенные для измерения и хранения информации, называются измеритель- ными системами (ИС).

Измерительные системы могут быть ближнего или дальнего действия. На вход системы поступает множество изменяющих во времени и (или) распределенных в пространстве величин. Упро- щеннаяклассификация измерительных систем представлена на рис. 6.4.

Измерительные системы

Рис. 6.4. Упрощенная классификация измерительных систем

Наиболее распространены системы для прямых измерений.

Обобщенная структура ИС представлена на рис. 6.5.

^Д С В Д

Рис. 6.5. Обобщенная структура измерительной системы для прямых измерений

Для всех ИС основными элементами являются первичные преобразователи {Д}, элементы сравнения {С}, меры {М} и эле- менты отображения информации {В}. Для совместных и сово-

купных измерений часто используются многомерные и аппрок- симирующие системы.

Характеристики измерительных систем. Важнейшими ха- рактеристиками ИС являются эффективность, полнота выполня- емых функций, достоверность, надежность, быстродействие, характеристики входов и выходов, метрологические характери- стики.

Эффективность. Под эффективностью понимается улуч- шение работы объекта при использовании системы. Ограничим- ся рассмотрением экономической эффективности систем, пред- ставляющих наибольший интерес для народного хозяйства. Приращение экономической эффективности можно выразить формулой

Э = Э₁ + Э₂,

гдеЭ₁ – экономический эффект от объекта в заданный промежуток времени без ИС; Э₂ – экономический эффект от объекта в тот же заданный промежуток времени с применением ИС.

Экономический эффект целесообразно рассчитывать по обще- признанному критерию полных затрат.

Для сравнения различных измерительных систем удобнее ис- пользовать нормированный показатель эффективности, называе- мый коэффициентом эффективности:

_Э₂ Э_{1 ,}

Э_n Э₁

где Э_n – экономический эффект от объекта при использовании идеальной измерительной системы, выполняющей идеально все функции и при отсутствии на это затрат.

Коэффициент эффективности изменяется в пределах 0 < n < 1, который определяется и уточняется на нескольких этапах проек- тирования и эксплуатации системы.

На этапах проектирования (ТЭО, ТЗ, ТП, РД) производится предварительная оценка по ожидаемым данным, которая уточня- ется послеввода ИИС в эксплуатацию.

Полнота (глубина) выполняемых функций. Она показывает, какая часть контролируемого или управляемого объекта охвачена измерительной системой.

Коэффициент, характеризующий полноту:

P=N_b/N,

где N – общее число параметров объекта (например, контроля, измерения, управления); N_b – число параметров объекта, охвачен- ных ИС.

Достоверность. Достоверность относится к обобщенным ха- рактеристикам. Требования, предъявляемые к этому показателю, являются исходными для обоснования частных характеристик системы. Наиболее существенные факторы достоверности – точ- ность измерения контролируемых параметров, глубина контроля, надежность и помехоустойчивость работы всех устройств. С уменьшением достоверности возрастает вероятность неработо- способного состояния объекта контроля, измерения, управления при информации в системе в пределах допусков. Характерный пример низкой достоверности – работа с низкой помехоустойчи- востью в условиях помех. Аналогичная ситуация возникает при неудовлетворительной надежности системы и при недопустимо малой точности измерений.

Надежность. Критерий надежности и его числовые характе- ристики выбираются с учетом особенностей назначения ИС и характера решаемых задач.

К основным критериям надежности систем относятся:

• средняянаработка на отказ t ;

• среднее время восстановления t _в;

• средняянаработка до отказа t ₀;

• интенсивность отказов λ;

• вероятность безотказной работы системы P(t) в течение за- данного времени t (вероятность восстановления F(t_B));

• вероятность завершения проверки объекта или группы объ-

ектов (вероятность восстановления) F(t_B) в течение заданного времени;

• коэффициент готовностисистемы Kr.

Для стационарных измерительных систем в народном хозяй-

стве широко используют критерии t _0, t _в и частично Kr.

С целью уменьшения влияния ненадежности на работоспо- собность системы используют два основных метода самоконтроля в измерительной системе: программный и схемный аппараты.

Программный метод основан на использовании заранее отра- ботанных испытанных программ (тестов). Такой самоконтроль в основном позволяет проверить устройства системы, производя- щие обработку информации.

Схемный метод (самоконтроль) требует дополнительного оборудования (аппаратуры) для проверки системы. Одной из раз- новидностей схемного самоконтроля является применение кодов с обнаружением и исправлением ошибок. Методы самоконтроля требуют временной информационной или аппаратурной избы- точности.

Быстродействие. Быстродействие характеризуется средним временем выполнения операций (измерения, контроля, управле- ния, диагностики, поиска и т.п.). Для циклических систем быст- родействие характеризуется временем цикла t_восп. Во многих слу- чаях при определении быстродействия необходимо учитывать среднее время выполнения вспомогательных операций t_Bосп, к ко- торым относится включение источников питания разогрева аппа-

ратуры, подключение кабелей и т.п. В таких случаях быстро- действие, например системы измерения, определяется выражени- ем:

^tr^=tвосп^+tосн^+tон^,

где t_осн – среднее время самого контроля и поиска неисправно- стей, t_он – среднее время считывания или записи и анализа ре- зультатов.

Быстродействие в ряде случаев удобно характеризовать ин- формационным критерием – количеством информации, перераба- тываемой в единицу времени. Для систем контроля и измерения быстродействие:

x

^{( H}_0i ^H_i ⁾ _{B1 }i 1 _,

^tk 0 ^tn₀ H ₀

где H_0i – энтропия i-го параметра до начала контроля; H_i – эн- тропия i-го параметра после контроля; t_k0 – время измерения

определяющих параметров;

стей.

^tn₀ H ₀

• время поиска неисправно-

В расчетах используется критерий Шеннона, учитывающий количество информации и возможности ее статистического коди- рования. Однако при расчете быстродействия во многих случаях целесообразно использоватькритерий Хартли, учитывающий только физические возможности системы. Тогда быстродействие эквивалентной информационной емкости определяется по фор- муле:

B₂ 

x

^{log m}

i 1 _,

^tk 0 ^tn₀H₀

где m – число различныхсостояний, например число уровней квантования в дискретной системе.

Характеристики входов и выходов системы. Они включают в себя перечень и данные входов системы, а также характеристи- ки устройств отображения информации. К последним относятся данные диспетчерского щита и пульта, данные дисплеев и других средств отображения информации.

Характеристики технических средств. Эти характеристики включают в себя данные элементной базы (типы и серии микро- схем и других элементов), типы готовых блоков, устройств и вспомогательного оборудования, включая источник питания, а также условия эксплуатации системы.

Многоканальный ИС параллельного действия. Это один из наиболее распространенных видов ИИС, обладающих наиболее высокой надежностью, более высоким быстродействием при од- новременном получении информации, возможностью подбора средств измерений к замеряемым величинам, что может исклю- чить унификацию сигналов. Однако они имеют повышенные сложность и стоимость (рис. 6.6).

^М1

^Мn

Рис. 6.6. Структурная схема многоканальной измерительной системы

Мультиплицированные (с общей образцовой величиной) ИС (рис.6.7). Системы предложены Ф.Е. Темниковым. Их еще называют системами с развертывающим уравновешиванием. Си- стемы имеют меньшее число элементов, чем параллельные ИС, но несколько меньшее быстродействие. В этих системах измери-

тельная величина сравнивается с линейно изменяющейся величи- ной. При фиксированных моментах начала развертки и равенстве х и х_к может быть определен интервал времени t_x, пропорцио- нальный значению х_к..

В многоканальной системе возникают трудности в разделении сигналов от элементов сравнения. В этом случае прибегают к специальным мерам.

Сканирующие (последовательного действия) ИС. С помо- щью одного канала они выполняют последовательно измерения множества величин и имеют сканирующее устройство (СкУ), ко- торое перемещает датчик в пространстве (рис. 6.8).

^Д1 _B1

^Дn _Bn

В

М

Рис. 6.7. Структурная схема Рис. 6.8. Структурная схема сканирующей мультиплицированной измерительной системы измерительной системы

При пассивном сканировании траектория движения может быть запрограммирована, при активном сканировании может изменяться в зависимости от получаемой измерительной ин- формации.

Сканирующие системы применяются для измерения темпера- турных полей, нахождения экстремальных значений исследуемых полей (давлений, механических напряжений и т.д.) или нахожде- ния одинаковых значений параметра. Недостаток систем – малое быстродействие.