Автоматизация измерений, контроля и испытаний

1. Основы метрологического обеспечения

Под метрологическим обеспечением (МО) понимается установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерении. Основной тенденцией в развитии МО является переход от существовавшей ранее сравнительно узкой задачи обеспечения единства и требуемой точности измерений к принципиально новой задаче обеспечения качества измерений.

Качество измерений понятие более широкое, чем точность измерений. Оно характеризует совокупность свойств СИ, обеспечивающих получение в установленный срок результатов измерений с требуемыми точностью (размером допускаемых погрешностей), достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью.

Понятие "метрологическое обеспечение" применяется, как правило, по отношению к измерениям (испытанию, контролю) в целом. В то же время допускают использование термина "метрологическое обеспечение технологического процесса (производства, организации)", подразумевая при этом МО измерений (испытаний или контроля) в данном процессе, производстве, организации. Объектом МО являются все стадии жизненного цикла (ЖЦ) изделия (продукции) или услуги. Под ЖЦ понимается совокупность последовательных взаимосвязанных процессов создания и изменения состояния продукции от формулирования исходных требований к ней до окончания эксплуатации или потребления.

Так, на стадии разработки продукции для достижения высокого качества изделия производится выбор контролируемых параметров, норм точности, допусков, средств измерения, контроля и испытания. Так же осуществляется метрологическая экспертиза конструкторской и технологической документации. При разработке МО необходимо использовать системный подход, суть которого состоит в рассмотрении указанного обеспечения как совокупности взаимосвязанных процессов, объединенных одной целью достижением требуемого качества измерений. Такими процессами являются:

• установление рациональной номенклатуры измеряемых параметров и оптимальных норм точности измерений при контроле качества продукции и управлении процессами;

• технико-экономическое обоснование и выбор СИ, испытаний и контроля и установление их рациональной номенклатуры;

• стандартизация, унификация и агрегатирование используемой контрольно-измерительной техники;

• разработка, внедрение и аттестация современных методик выполнения измерения, испытаний и контроля (МВИ);

• поверка, метрологическая аттестация и калибровка контрольно-измерительного и испытательного оборудования (КИО), применяемого на предприятии;

• контроль за производством, состоянием, применением и ремонтом КИО, а также за соблюдением метрологических правил и норм на предприятии;

• участие в разработке и внедрении стандартов предприятия;

• внедрение международных, государственных и отраслевых стандартов, а также иных нормативных документов Госстандарта;

• проведение метрологической экспертизы проектов нормативной, конструкторской и технологической документации;

• проведение анализа состояния измерений, разработка на его основе и осуществление мероприятий по совершенствованию МО;

• подготовка работников соответствующих служб и подразделений предприятия к выполнению контрольно-измерительных операций.

Метрологическое обеспечение имеет четыре основы: научную, организационную, нормативную и техническую. Отдельные аспекты МО рассмотрены в рекомендации МИ 2500-98 по метрологическому обеспечению малых предприятий. Разработка и проведение мероприятий МО возложено на метрологические службы (МС). Метрологическая служба служба, создаваемая в соответствии с законодательством для выполнения работ по обеспечению единства измерений и осуществления метрологического контроля и надзора.

2. Цифровые устройства: шифраторы и дешифраторы, сумматоры, счетчики, мультиплексоры, регистры, магнитоэлектронные переключатели

Интегральные счетчики

Интегральный счетчик - цифровое устройство (цифровая микросхема или ее часть), выполненное на интегральных триггерах со схемами управления разной структуры и осуществляющее счет поступающих на его вход импульсов. Счет импульсов в счетчик представляется определенными комбинациями состояний триггеров. При поступлении на вход схемы очередной логической 1 в счетчике устанавливается новая комбинация состояний триггеров, соответствующая числу, превышающему предыдущее на единицу. Такие счетчики называют суммирующими. В цифровой измерительной технике применяют и вычитающие счетчики, в которых в процессе счета входные числа последовательно убывают на единицу, а также реверсивные счетчики, способные переключаться из режима суммирования в режим вычитания и наоборот.

Для представления чисел в счетчиках используются в основном двоичная, десятичная и двоично-десятичная системы счислений. При применении двоичной системы счисления логические уровни на прямых выходах триггеров определяют цифры двоичных разрядов числа. В этом случае каждый разряд числа в счетчике обеспечивается определенным состоянием одного триггера. Максимальное число импульсов, которое может быть записано, составляет N = 2л-1, где п - число разрядов (число триггеров) в счетчике.

Рассмотрим простейший двоичный кольцевой счетчик, представляющий собой три замкнутых в кольцо JК-триггеров (рис.1, а), по которым под воздействием входных импульсов (точка Вх) циркулирует одна пли несколько кодовых единиц.

В рассматриваемой схеме прямой выход каждого предыдущего триггера соединен с входом J последующего триггера. Тактовые входы С всех триггеров объединены (узел Вх.) и на них поступают счетные импульсы. Перед началом счета первый триггер импульсным сигналом Уст. устанавливается в состояние 1, остальные триггеры - в состояние 0. Этому состоянию счетчика соответствует 0 на выходе Q 3 последнего триггера. После отключения сигнала Уст, начинается счет, и триггеры функционируют как обычные JK-триггеры.

Поскольку на информационных входах первого триггера было установлено J = 0 и К = 1, в момент окончания первого входного импульса он перейдет в состояние логического 0. Второй триггер примет состояние 1, так как на его входах было J = К = 1. Третий триггер не изменит своего предыдущего состояния. Таким образом, кодовая 1 перешла с первого триггера на второй. По окончании каждого следующего входного импульса 1 будет перемещаться от предыдущего триггера к последующему, т.е. переходить по схеме вправо (см. таблицу истинности на рис. 1, б).

рис.1. Кольцевой счетчик:

а - схема; б - таблица истинности

Шифраторы и дешифраторы

Прежде чем перейти к рассмотрению специфических устройств цифровой измерительной техники- шифраторов и дешифраторов, обратимся к системам отображения цифровой информации.

Системы счисления и коды, применяемые в цифровой измерительной технике. Для изображения любых чисел существует некоторое ограниченное число знаков и порядок их написания - это и есть система счисления. В наиболее привычной для нас десятичной системе таких знаков десять: 0, 1, 2,..., 9. Форма записи числа в десятичной систем счисления имеет вид:

              (1)

где 10 i - десятичный разряд; а i - значение символа в соответствующем разряде, которое может быть любым от 0 до 9.

Например, число 583 с помощью трех десятичных разрядов запишется как: N = 583 = 102-5 + 10'-8 + 10°-3.

Аналогично записывается целое число и в двоичной системе счисления:

Здесь коэффициенты b i, принимают лишь два значения: 0 и 1. Например, число 583 в двоичной системе запишется в виде

N= 1.29+0.28 + 0.27 + 1. 26+0.25+0.24+0.23+ 1. 22 + 1.2'+ 1.2°. (3)

Следовательно, числу 583 в десятичной системе соответствует число в двоичной - 1001000111. Последнее принято называть кодом числа в двоичной системе счисления. Написание числа в двоичном коде оказывается удобным для проведения арифметических действий по законам булевой алгебры, что применяется в вычислительных устройствах и, в частности, в компьютерах.

При использовании десятичной системы счисления для образования кода требуется десять различных импульсов, например отличающихся амплитудой, длительностью и пр. Такое представление кодов не применяют, так как для образования и его распознавания требуется сложная аппаратура, в то время как для образования и обработки двоичного кода могут быть использованы простые, двоичные элементы, имеющие всего два состояния: единица и нуль. Двоичный код наиболее компактен (экономичен) и пока является основным кодом в компьютерной технике. Однако двоичный код неудобен для управления десятичным цифровым отсчетным устройством измерительной аппаратуры.

Поэтому в цифровой измерительной аппаратуре широко используется двоично-десятичные и тетрадно-десятичные коды, так как представление измеряемой величины на индикаторе должно быть выполнено в привычном для наблюдающего человека десятичном виде, а перевод двоичного кода в десятичный - сложная задача для оператора.

В тетрадно-десятичной системе каждая десятичная цифра (0...9) кодируется четырьмя двоичными числами 0 и 1 (тетрада) при различных носовых коэффициентах. Широко распространен в цифровых измерительных приборах (ЦИП) код 8421, в котором весовыми коэффициентами являются цифры 8, 4, 2, 1 (табл.1).

Таблица 1. Двоично-десятичный код 8421

Если вернуться к числу 583, то в коде 8421 оно будет представлено следующим образом:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10