Введение
Различают аналоговые и дискретные методы выдачи измеритель ной информации. В обоих случаях простейшей формой выдачи является отображение результатов измерения на визуально считываемой шкале указывающего устройства. Для отображение тенденций изменения измеряемой величины существует ряд аналоговых и цифровых методов, более подробно описываемых ниже
Аналоговые приборы выдачи информации
Из показывающих приборов в настоящей главе описаны приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамический систем. В измерительном: устройстве эти приборы могут быть использованы либо для непосредственного отображения измерительной информации, либо в качестве устройств, отображающих аналоговые значения преобразованных цифро-аналоговым преобразованием дискретных значений измеряемых величин. Регистрируемые приборы, называемые самописцами, устанавливают в тех случаях, когда необходимо фиксировать изменение измеряемых величин во времени. Диаграммные записи наглядны; при правильном выборе диапазона измерениям скорости перемещения бумаги они фиксируют существенные изменения измеряемых величин и являются надежным документом,, отражающим ход производственных процессов. В основном применяют точечные регистраторы и приборы с непрерывной записью, При повышенных требованиях к точности используют компенсационные регистраторы или устройства записи в координатах X—Y (координатные регистраторы).
ПОКАЗЫВАЮЩИЕ ПРИБОРЫ
В первую очередь к этой группе приборов относятся приборы с магнитоэлектрической системой, в которых жестко связанная со стрелкой поворотная рамка вращается в однородном поле постоянного магнита. Возникающий при протекании тока по рамке крутящий момент отклоняет ее до тех пор, пока развиваемое возвратной пружиной усилие не уравновесит его. Шкала прибора строго линейна. Направление отклонения стрелки зависит только от направления тока, так что нулевая отметка может находиться внутри шкалы. Минимально достижимые диапазоны измерения прецизионных приборов составляют примерно 0,3 мкА (или 0,3 мВ), а для щитовых приборов 1 мкА (или 10 мВ). Потребляемая мощность в наилучшее случае не превышает ~1 мкВт.
В электромагнитных приборах вращающийся железный сердечник, жестко связанный со стрелкой, и неподвижный сердечник намагничиваются полем охватывающей их катушки. Под действием сил взаимного отталкивания возникает вращающий момент, уравновешиваемый усилием возвратной пружины. Подбирая форму сердечников и обмотки, можно обеспечить примерно линейную градуировку шкалы, хотя зависимость между током в катушке и развиваемым выталкивающим усилием — квадратичная. Приборы электромагнитной системы измеряют эффективное значение тока и потому применимы для измерений как постоянного, так и переменного токов. Минимально достижимые диапазоны измерений составляют 1 мА (или 1,5 В). Потребляемая мощность ~0,1 В*А.
В приборах с поворотным магнитом плоский магнит, жестко соединенный с указателем, устанавливается в направлении результирующей полей, создаваемых неподвижной, обтекаемой током катушкой и устанавливающим магнитом. Шкала приблизительно линейна. Так как подвижный элемент не связан с токопроводящими проводами и не несет на себе возвратных пружин, он достаточно легок и виброустойчив. Минимально достижимые диапазоны измерений составляют ~400 мкА (или 4 В).
ТОЧЕЧНЫЕ РЕГИСТРАТОРЫ
В точечных регистраторах свободно подвешенная стрелка (задающая душка) периодически прижимается к красящей ленте, установленной над диаграммной бумагой. Пишущая кромка образует хорду окружности, описываемой стрелкой измерителя, что обеспечивает достаточную линейность шкалы. Последовательность точек, образует линию, характеризующую значения изменения измеряемой величины. Метод регистрации позволяет использовать высокочувствительные механизмы, с малой потребляемой мощностью, развивающих малый крутящий момент. При регистрации медленно изменяющихся величин регистратор может быть использован для многоточечной регистрации. Одновременно с переключением контролируемых точек смещается красящая лента, в результате чего отдельные кривые записываются разными цветами. Потребляемая мощность ~10-7 Вт.
ИЗМЕРИТЕЛИ И РЕГИСТРАТОРЫ С НЕПРЕРЫВНОЙ ЗАПИСЬЮ
В регистраторах этого типа стрелка измерительного устройства жестко соединена с регистрирующим механизмом. Стрелка таких приборов должна обладать большей жесткостью, чем в точечных регистраторах, а измерительное устройство должно развивать большой крутящий момент, так как необходимо преодолеть трение между пером и бумагой. Прямолинейная запись достигается при помощи эллиптического выпрямляющею механизма. В приборах с непрерывной записью стрелка снабжается пером с капилляром; чернила подаются по тонкой трубке (шлангу) из специального баллончика. Такое устройство позволяет запасать линию длиной до 4500 м (потребляемая мощность 10-3 Вт, при наличии усилителя 10-7—10-9 Вт).
При выборе регистратора его чувствительность не всегда является ограничивающим фактором, поскольку существуют регистраторы со встроенными измерительными усилителями.
КОМПЕНСАЦИОННЫЕ РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ
Часто точность регистрирующих приборов прямого преобразования оказывается недостаточной. В этих случаях применяют автоматические регистраторы компенсационного типа. Такие самопишущие приборы выпускаются с точечной записью на 6 или 12 точек измерения и с линейной записью на 1-6 точек измерения.
Входное напряжение Ux сопоставляется с выходным напряжением моста Уитстона Ur . При неравенстве этих напряжений возникает разность напряжений DU, которая приводит в движение двигатель, перемещающий движок компенсирующего потенциометра P до момента изчезновения DU . Одновременно с движком перемещается каретка с пером, регистрирующим измеряемую величину. Минимальный диапазон измерения 1 мВ, достижимая точность ±0,25%. Подобные устройства позволяют представить измеряемые величины в виде функции времени. При необходимости представления зависимости между значениями двух измеряемых величин применяют двухкоординатные регистраторы компенсаторного типа. Диапазоны измерения 0,1; 0,3; 1; 3; 10 мВ; точность ±0,25%.
Приборы выдачи цифровой информации.
В цифровой технике тоже применяют показывающие и регистрирующие способы представления информации, а также цифро-аналоговые преобразователи, позволяющие представлять цифровые величины и аналоговой форме.
ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ
Во многих случаях можно ограничиться выдали измерительной информации в виде визуально считываемых показаний, высвечиваемых на различного типа цифровых табло, В отличие от аналоговой формы цифровое представление измерительной информации выгодно тем, что оно ограничивает субъективные ошибки считываний.
Механические приборы цифровой индикации
Существующие механические приборы визуальной цифровой индикации обеспечивают выдачу данных цифрами высотой до одного метра. В общем случае показания приборов легко считываются и сохраняются при отключении прибора. Вследствие их механической инерционности эти приборы применимы только при измерениях медленно изменяющихся величин и потребляют большую мощность. Наиболее распространенными типами приборов являются приборы с цифровой лентой и с цифровым роликом. Цифры каждой декады нанесены на бесконечную движущуюся ленту. Отдельным цифрам измеренного значения, которые должны быть представлены в десятичном коде соответствуют контакты ступенчатого переключателя цифрового показывающего прибора. При соответствии между положением переключателя и имеющимся кодовым значением контакт реле отключает двигатель.
В приборах с цифровым роликом последний укреплен на поворотном магните трехкатушечного логометра и устанавливается в положение, соответствующее измеряемому значению, при помощи трех соединяемых звездой обмоток, переключаемых кодовым преобразователем.
Оптические цифровые показывающие приборы
В оптических цифровых показывающих приборах представление цифр осуществляется при помощи диапозитивов (проекционные цифровые показывающие приборы) или в виде цифр, выделяемых заливающим светом. Оба метода обладают крайне малым временем установления показаний по сравнению с механическими индикаторами. Однако они не обеспечивают запоминания. Максимальная высота цифр около 10 см.
В проекционных цифровых указателях нанесенные на диапозитив цифры от 0 до 9 проецируются каждая своей лампочкой и системой линз на матовое стекло. Другой способ предусматривает использование заливающего света. При этом цифры гравируются ан передней пластине из оргстекла и освещаются лампой помещенной у ее торца. Каждой цифре соответствует собственная пластинка; пластинки установлены друг за другом и являются световодами; свет излучается только в местах гравировки цифр, которые при этом становятся видимыми.
Электронные цифровые приборы.
Электронные цифровые приборы применяют наиболее часто. Используются, в частности, газоразрядные указатели — газонаполненные лампы с холодным катодом, указатели со свето-1иодами (LED) и указатели с жидкими кристаллами [LCD, liquid-crystal display ].
В газонаполненных лампах с холодными катодами против сетчатого анода для каждой цифры установлен соответствующей конфигурации катод из тонкой проволоки.
Анод и десять катодов (от 0 до 9) размещены в пространстве друг за другом. Ввиду высокого рабочего напряжения при управлении полупроводниковыми элементами необходимо уделять особое внимание выбору размеров. В цифровых приборах со светодиодами (из арсенида галлия) цифры образуются из точечных или штриховых сегментов. Световое излучение возбуждается в результате полупроводникового эффекта: под действием подводимой электрической энергии носители зарядов перемещаются на более высокий энергетический уровень. После короткой выдержки они вновь возвращаются на низший энергетический уровень, Этот процесс сопровождается рекомбинацией электронов и дырок, при которой часть энергии отдается в виде излучения (фотонов).
Введение соответствующих примесей в материал полупроводников обеспечивает излучение в видимой области спектра. Могут поставляться материалы с излучением следующих цветов: оранжевым (240 мЛб*/'Вт), желтым (3б0 мЛб/Вт) и зеленым (150 мЛб/В ).
Индикаторы на жидких кристаллах применяются во многих областях. Эти соединения представляют собой соединения с углеродом и кислородом, которые ниже определенной температуры являются кристаллами, а выше этой температуры превращаются в жидкость.
Преимущества применения этих элементов заключается в том, что не надо применять энергию для вызова световой эмиссии, а достаточно энергии самого падающего света. Потребляемая мощность очень мала всего 4* 10-6 Вт/см2 .У индикаторов со штриховыми сегментами наибольшая высота цифр составляет около 18 мм. У элементов в виде матрицы размером 6х7 точек высота может составлять примерно 13 см. Рабочая температура от – 25 до 85 С.
Дискретно – аналоговые преобразователи.
Наиболее часто применяемыми способами являются следующие: дискретно-аналоговый (цифро-аналоговый) преобразователь со ступенчатым делителем омического сопротивления, дискретно аналоговый преобразователь со ступенчатым делителем (разветвлением) токов и дискретно-аналоговый преобразователь с цепочками сопротивлений. Менее употребительны способы с модуляцией продолжительности импульсов или с косвенным интегрирующим (суммирующим) преобразованием. Каждый дискретно-аналоговый преобразователь содержит следующие конструктивные элементы: переключатель аналоговых величин, блок (сетка) сопротивлений и источник опорного напряжения. В качестве переключателей применяют диоды:, транзисторы и теперь все чаще интегральные схемы. Блоки сопротивлений состоят из проволочных или тонкослойных (пленочных) резисторов или же из элементов толстопленочной техники. Источники опорного напряжения, выполненные на интегральных схемах, обеспечивают в настоящее время точность ±0,005 % .
ПЕЧАТАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Решающее значение для расшифровки результата измерений имеет документирование и протоколирование измеренных данных при помощи соответствующих печатающих устройств. В связи со все более широким применением печатающих устройств в различных системах переработки информации — начиная от персональных компьютеров и кончая мощными ЭВМ — в технологии печатания 22 последние годы достигнут значительный прогресс. В частности применение микропроцессоров для управления различными функциями в печатающих устройствах позволило существенно расширить объем этих функций. Предложение различных печатающих устройств весьма широко, что видно уже по диапазону цен на них. Эти цены колеблются в пределах примерно от 1000 до 700 000 марок ФРГ.
Печатающие устройства могут быть подразделены на два класса: ударного и безударного действия. В печатающих устройствах ударного действия процесс печатания происходит в результате удара рычага с литерой или символом или игл (в матричных печатающих устройствах) на красящую ленту. Имеются следующие типы ударных печатающих устройств: с цилиндрической головкой, со сферической головкой с колесом в виде маргаритки (daisy-wheel), матричное, барабаня цепное и ленточное.
Скорость печатания устройств от 10 знаков в секунду до 2000 строк в минуту. В безударных печатающих устройствах процесс печатана заключается в физическом или химическом воздействии на специально подготовленную бумагу. Имеются следующие типы таких печатающих устройств: тепловые матричные, электрочувствительные, электростатические, ксерографические и лазерные, а также с непрерывной подачей краски и с подачей краски по требованию.
Скорость печатания здесь достигает от 300 до 45 000 строк в минуту. Далее показаны некоторые примеры примененных печатающие устройств для выдачи результатов измерений. Современные печатающие устройства отличаются высокой эффективностью в от ношении качества печати, быстроты печатания, выбора форматов (длины строк) и выбора различных шрифтов (нормальной прямого, курсивного, полужирного). Для управление этими функциями обычно применяется приборная схема с собственным "интеллектом" (микропроцессор). Интерфейс между системой переработки результатов измерений и этой приборной схемой обычно является параллельным восьмиразрядным, а интерфейс между приборной схемой и самим печатающим устройством является сериальным с постоянным током или же здесь применяется интерфейс типа v24/v28. Сериальная (последовательная) передача информации выполняется асинхронно по семиразрядному коду ИСО с одним разрядом контроля четности.
Процедура передачи система переработки результатов измерений — приборная схема — печатающее устройство осущес7вляется под контролем организационной программы (рис. 2.6—15). Чаще всего применяются матричные печатающие устройства, причем либо с игольчатым печатающим механизмом, либо с посылкой струи чернил (краски). В обоих вариантах применяется одинаковое матричное представление.
Для умеренных скоростей печатания (от 250 знаков в секунду до 200 строк в минуту) можно применить матричные печатающие устройства, описанные в литературе 115, 161.
Для высоких скоростей печатания (около 600 строк в минуту) необходимы барабанные печатающие устройства.
Все печатающие устройства управляются по процедуре передачи информации.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ВИЗУАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Электронно-лучевые визуальные приборы (дисплеи) вместе со своей клавиатурой представляют собой универсальные устройства для ввода и выдачи информации в системах переработки результатов измерений. Наряду с алфавитно-цифровым вводом и выдачей текста они могут также наглядно показывать в графическом виде состояние процесса и ход изменения измеряемых величин. Возможны три метода:
растровый;
светового карандаша;
профильный.
При растровом способе, как и в телевизионной технике, выполняется развертка—электронный луч отклоняется по строчкам и столбцам. В результате формирования светлых и темных мест при сканировании получаются отдельные точки изображения, воспроизводящие требуемую информацию.
При методе светового карандаша электронный луч, вызывающий свечение при сканировании, воспроизводит на экране последовательности штрихов, отображающие требуемую информацию.
При профильном методе знаки (символы) изображаются масками.
В настоящее время -внедрен .преимущественно растровый метод, потому что для него могут быть использованы дешевые черно-белые и цветные мониторы. Имеются следующие возможности изображения: алфавитно-цифровой, полуграфический и полностью графический методы.
При всех трех методах изображения, как и в телевидении, исходят из тактового растр.
В отличие от метода чересстрочной развертки бытового телевидения с двумя взаимно переплетающимися полуизображениями нередко оба полуизображения записывают одно над другим. Вместо 625 строк в таком случае имеется только 311 строк, из которых вследствие искажения у краев используют только 288 строк. Если каждая строка имеет разрешающую способность, например, 488 точек, то все изображение представляет собой матрицу, состоящую из 129 024 точечных изображений. Чтобы не нужно было запоминать каждую точку в отдельности, на матрицу точечных изображений накладывают полевую матрицу, состоящую из 32 строк и 64 столбцов. Каждое поле может адресоваться и состоит из 7х9 точек. В каждом поле может быть изображен алфавитно-цифровой знак или символ. Знаки или символы хранятся в памяти знаков или символов и могут быть вызваны оттуда памятью воспроизведения изображений, которая содержит жит всю структуру изображения. При изображении кривых могут быть представлены семь кривых с 256 точками каждая с разрешающей способностью по амплитуде в 255 ступеней.
Разрешающая способность при полу графическом изображении, которое показано выше, нередко оказывается недостаточной. В таком случае можно перейти к полностью графическому изображению [181. Этим методом можно получать двухмерные (плоские) и трехмерные (объемные) изображения. Обычно применяют 512Х <512 точек изображения или в системах с высокой разрешающей способностью 3024 X 1024 точек. Здесь тоже применяют растровый метод с тактовым растром.
Поскольку в память воспроизведения изображений должна быть заложена каждая точка изображения — а при 16 цветах это -ответствует объему информации в 4 мегабит — такие дисплеи стали экономичными только после того, как появились дешевые высокоинтегральные модульные блоки для ЗУ и быстродействующие графические процессора. Графический процессор разгружает центральную ЭВМ от графических операций, отнимающих много времени. Для этой цели он управляется программными командами высокого уровня, например draw line ("начерти линию"), draw arc ("начерти дугу") и т.д. .Дополнительное контрольное устройство берет на себя задачи повторения изображений, запоминания новых изображений, освежения (актуазации) памяти воспроизведения изображений.
Простейшей задачей графического процессора является изображение какой-либо точки на экране. Для этого, однако, должно произойти отображение (mapping) физического уровня в память которая построена последовательно из слов по 16 бит (разрядов в логический адрес на дисплее (bit mapping).
С помощью "примитива" (элементарного оператора), например вычерчивания прямой, можно сформировать более сложные "примитивы". Для трехмерного изображения графических структур требуется дополнительная схемно-аппаратная часть, в которая осуществлялись бы алгоритмы с большим объемом операторов умножения. Требуется операционное время умножения 16х 16 разрядов порядка 65 нс. Около 500 конечных точек конечного изображения.