Скачать 2.36 Mb.
|
ГЛАВА 4.^ РЕГИСТРАЦИИ 4.1. Общие сведения Под регистрацией будем понимать процедуру запоминания и хранения в любой форме достаточно больших объемов информации. Хорошо всем знакомы примеры бытовых регистрирующих средств измерений: медицинский ртутный термометр, индукционный электрический счетчик активной энергии, спортивно-медицинский динамометр. Но эти устройства регистрируют только одно (обычно последнее) значение измеряемой величины, т.е. являются регистраторами для статических моделей объекта исследования. Обычный фотоаппарат также может быть отнесен к статическим регистраторам, правда, не измерительным. Кинематограф, видеотехника это уже динамическая регистрация (но тоже не измерительная). К группе аналоговых динамических методов и средств измерительной регистрации относятся такие, в которых бесконечное множество значений входного непрерывного (аналогового) сигнала преобразуется в другое бесконечное множество значений выходного сигнала-образа (в частности, видимого изображения), представленного в различных аналоговых формах (диаграмма на бумаге, запись на магнитном носителе, изображение на экране и т.п.) с заданной достоверностью. К цифровым методам отнесем такие, в которых бесконечное множество значений входных непрерывных сигналов преобразуется в конечное множество дискретных во времени и квантованных по уровню значений. При этом выходная информация может быть представлена в аналоговой (точнее псевдоаналоговой) форме. В настоящее время в практике динамических исследований чаще других используются следующие основные методы аналоговой регистрации (Analog Recording):
Каждый из этих методов можно классифицировать на группы; Некоторые из них представлены достаточно разнообразно. ^ метод реализуется в самопишущих приборах и светолучевых осциллографах. Второй метод представлен магнитографами, которые, кстати сказать, являются измерительными преобразователями, а не приборами; третий аналоговыми запоминающими осциллографами. В настоящее время среди средств аналоговой регистрации наиболее широко распространены электронные самопишущие приборы для регистрации различных сравнительно медленно меняющихся величин (температуры, относительной влажности, давления, электрических параметров и др.). До сих пор, если требуется регистрировать достаточно высокочастотные процессы (полоса частот сотни герц единицы килогерц), используются светолучевые осциллографы. В тех ситуациях, где требуется длительная многоканальная регистрация, возможность работы в полевых условиях, применяются измерительные магнитографы. Аналоговые средства регистрации имеют ряд серьезных недостатков: сравнительно невысокую точность (1,0... 5 %), не всегда достаточное число входных каналов, невысокое быстродействие, невысокую надежность (вследствие наличия механических узлов), невозможность автоматизированной обработки результатов записи. Кроме того, их практически невозможно использовать в информационно-измерительных системах, системах автоматизированного управления. Основная тенденция современной измерительной техники решение задач измерения, регистрации, анализа цифровыми методами и средствами. Одно из важных преимуществ цифровых измерительных регистраторов – легкий переход от процедуры регистрации к процедуре автоматизированного цифрового анализа. Очевидно, что с дальнейшим развитием цифровой и аналоговой микроэлектроники (схемотехники, технологии), вычислительной техники стоимость цифровых решений в деле регистрации процессов будет быстро снижаться, область применения цифровых методов и средств будет расширяться. Следовательно, роль аналоговых регистраторов будет и в последующем постоянно уменьшаться. ^ Как и показывающие, аналоговые самопишущие приборы (СП) разделяются на электромеханические и электронные. В электромеханических СП могут применяться различные системы преобразователей электрической величины в механическую. Но чаще всего это магнитоэлектрический измерительный механизм. Принцип действия простейшего электромеханического (магнитоэлектрического) СП основан (рис. 60) на взаимодействии подвижной катушки (рамки) 3 с током (пропорциональным исследуемому сигналу) с полем постоянного магнита 1. ![]() Рис. 60. Упрощенное устройство электромеханического СП: 1 постоянным магнит; 2 ось; 3 катушка; 4 перо; 5 двигатель; 6 бумага; 7 стрелка; 8 шкала Движение поворот на угол α(t) катушки 3, закрепленной на оси 2, передается отсчетному устройству (ОУ), состоящему из стрелки 7 и шкалы 8, а также регистрирующему устройству (РУ) образованному пером 4 и движущейся бумагой 6. Развертка во времени осуществляется равномерным перемещением диаграммной бумаги 6, благодаря вращению вала двигателя 5. Обобщенная структура электромеханического СП показана на рис. 61, а. Входной сигнал X(t) поступает в измерительную цепь ИЦ, в которой осуществляются вспомогательные преобразования (масштабирование сигналов, преобразование различных величин в ток), и далее, обычно в виде тока i(t), на измерительный механизм ИМ. Выходная величина ИМ угол поворота α(t) определяет показания ОУ и положение пишущего органа (пера) РУ. Все достоинства обычного магнитоэлектрического механизма сохраняются в СП, но, вследствие большего необходимого вращающего момента (причина заметное трение пишущего органа о бумагу), потребляется большая мощность от источника исследуемого сигнала. Типичные значения классов точности электромеханических СП 0,5...2,5 %. Полоса частот регистрируемых сигналов узкая 0...5 Гц. ![]() Рис. 61. Обобщенные структуры электромеханического (а) и электронного (б) СП Электронные СП отличаются от электромеханических как по структуре (рис. 61, б), так и по конструкции. Классический магнитоэлектрический измерительный механизм заменен реверсивным двигателем, в схеме присутствуют различные аналоговые измерительные преобразователи (например, усилители, преобразователи переменного напряжения в постоянное и др.). Развертка во времени выполняется так же, как и в электромеханических СП, т.е. дополнительным двигателем, равномерно перемещающим бумагу. В основу работы электронных СП положен принцип уравновешивающего (компенсирующего) преобразования, в соответствии с которым электромеханическая отрицательная обратная связь (ОС) обеспечивает уравновешивание входного сигнала, например напряжения UY (t), меняющимся компенсирующим напряжением Uк(t). Разница U(t) входного UY (t) и компенсирующего Uк(t) сигналов поступает на усилитель Ус, выходное напряжение которого управляет реверсивным двигателем РД. Образованный угол поворота α(t) определяет показания ОУ и РУ. Компенсирующее напряжение Uк(t) формируется узлом ОС и меняется таким образом, что уменьшает разницу потенциалов U(t) на входе усилителя до минимального, различаемого усилителем, значения. Узел ОС может быть реализован, например реохордом, движок которого перемещается валом РД. Формируемое при этом компенсирующее напряжение Uк(t) уравновешивает входное напряжение UY (t), которое определяет положение стрелки ОУ и пера РУ по оси ординат Y . Качество уравновешивания и, следовательно, метрологические (статические) характеристики в большей мере определяются усилителем Ус и узлом отрицательной обратной связи. Динамика электронных СП характеризуется верхними частотами исследуемых сигналов до значений 0,5...2 Гц. Существует большой класс СП, содержащих преобразователи входных периодических напряжений и токов в постоянные значения (часто в средние квадратические). Не следует путать частотные свойства входных преобразователей таких СП (обычно до единиц десятков килогерц) с динамическими возможностями собственно механизма (обычно — единицы герц). Англоязычные термины этого класса регистраторов: Recorder, Paper Recorder, Y T Recorder. В некоторых моделях СП применяется термическая (тепловая) регистрация. При этом РУ представляет собой нагретый стержень (тепловое перо), который, перемещаясь, воздействует на термочувствительный носитель (термобумагу), оставляя видимый след. ^ (БСП) в отличие от обычных СП, имеют более высокое быстродействие. Недостаточно хорошая динамика обычных СП заставила искать конструктивные и технологические решения, обеспечивающие более широкую полосу частот. В основе этих решений лежат использование увеличенного противодействующего момента и сознательное уменьшение размаха (амплитуды) колебаний подвижной части. Диапазоны частот исследуемых сигналов в БСП 0... 150 Гц. Существует разновидность БСП, основанная на струйной записи (отклонение меняющимся электрическим полем заряженной струи краски). Такие приборы обеспечивают еще более высокие динамические характеристики (до 2 кГц), благодаря меньшей, чем в механической системе, массе подвижной части (струи). Однако из-за своей сложной конструкции и специфики обслуживания они распространены не так широко. ^ (ДСП) предназначены в основном для построения функциональных зависимостей меняющихся сигналов X(t) и Y(t). Такой прибор может выступать в роли характериографа, инструмента для построения, например, зависимости вход выход различных четырехполюсников. ![]() Рис. 62. Конструкция двухкоординатного самопишущего прибора: 1 каретка; 2 рейка; 3 реверсивный двигатель оси Y; 4 реверсивный двигатель оси X; 5 бумага; 6 перо Конструкция ДСП (рис. 68) обеспечивает перемещение пера независимо по двум координатам (Y и X). Каретка 1, на которой закреплено перо (фломастер, стеклянный капилляр, карандаш и т.п.) 6, благодаря реверсивному двигателю 3 и нерастяжимой нити, движется по рейке 2. Это определяет положение пера по оси ординат (оси Y). Рейка 2 с расположенной на ней кареткой 1 может перемещаться параллельно-поступательно при вращении вала второго реверсивного двигателя 4, что определяет положение пера по оси абсцисс (оси X). Лист бумаги 5 в этой конструкции неподвижен и по окончании регистрации несет двухкоординатное изображение. Структура ДСП содержит два обычно идентичных канала уравновешивающего преобразования Y(t) и Х(t), которые обеспечивают отклонения, соответственно, по осям ординат и абсцисс. Динамические характеристики ДСП аналогичны характеристикам электронных СП. Существует разновидность конструкции ДСП, в которой по одной из осей перемещается лист бумаги. При этом рейка ^ с закрепленным на ней реверсивным двигателем 3 неподвижна. По рейке перемещается каретка 1 с пером 6 (как и в предыдущем варианте), что определяет положение пера по оси Y , а положение пера относительно листа бумаги по оси X определяется перемещением собственно листа 5. Эту функцию выполняют реверсивный двигатель 4 и прижимные ролики. Окончательный результат регистрации тот же двухкоординатное изображение (Y X). Некоторое преимущество подобной конструкции заключается в меньшей механической инерционности тракта X, поскольку масса перемещаемого листа бумаги меньше суммарной массы рейки, закрепленного на ней двигателя и каретки с пером. Двухкоординатный самопишущий прибор может быть использован и в режиме обычного СП (режим Y Т). Для этого вместо канала (обычно сменного блока) X(t) используется канал (сменный блок) развертывающего линейно изменяющегося напряжения. Существуют устройства, внешне похожие на ДСП, так называемые плоттеры (Plotters), входными сигналами для которых служат цифровые (логические) сигналы. Плоттер не является в полном смысле измерительным прибором, а выступает обычно в качестве периферийного устройства графического вывода для средств вычислительной техники. В настоящее время широко распространен еще один самостоятельный класс приборов, которые могут выдавать результат регистрации в виде диаграммы сигнала на бумаге цифровые измерительные регистраторы (Transient Memory Recorder, ADC Recorder). Но внутреннее содержание таких приборов совершенно другое. Основными узлами их являются аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и достаточно большого объема запоминающее устройство. Полоса частот исследуемых сигналов у таких регистраторов определяется быстродействием АЦП и значительно шире (может достигать единиц десятков мегагерц). Зарегистрированный массив кодов затем преобразуется в графический образ входного сигнала на бумаге. ^ Динамика светолучевых осциллографов (СЛО) существенно лучше, чем у самопишущих приборов СП, поскольку масса подвижной части (рамки) осциллографического гальванометра СЛО существенно меньше массы катушки или ротора двигателя СП. Понятно, что отклонять поток света легче, чем поворачивать стрелку ОУ и тем более пишущий орган (например, стеклянный капилляр) РУ. В основе СЛО (рис. 63) лежит классический принцип магнитоэлектрического механизма взаимодействие тока рамки б гальванометра с полем постоянного магнита 5. Рамка висит на натянутых упругих растяжках, на одной из которых закреплено крошечное зеркало 4 (обычно кусочек фольги). Поворот рамки (и, следовательно, зеркальца) приводит к отклонению потока света, падающего на зеркальце, и к отклонению светового пятна на светочувствительном носителе (фотобумаге или фотопленке) 8 и/или матовом экране 10. Развертка во времени осуществляется равномерным движением носителя (бумаги, пленки) и вращением зеркального многогранника 9. Поток света (спектр которого обычно смещен в ультрафиолетовую область) формируется источником 1, конденсором 2 (задача которого формирование параллельного потока из расходящегося) и диафрагмой 3 (предназначенной для «вырезания» узкого пучка для каждого отдельного гальванометра канала). Осциллографический гальванометр (ОГ) Oscillographic Galvanometer содержит рамку, растяжки, токоподводы, зеркальце. Он выполнен в виде неразборной конструкции и представляет собой миниатюрный цилиндр длиной 60...90 мм и диаметром 4...6 мм, в котором имеется прозрачное окно для узкого потока света. Корпус ОГ выполнен из немагнитного материала, но в него встроены элементы общего магнитопровода. В случае использования жидкостного успокоения корпус ОГ заполнен неорганической прозрачной жидкостью, обладающей определенной вязкостью. ![]() Рис. 63. Устройство светолучевого осциллографа: ^ источник света; 2 конденсор; 3 диафрагма; 4 зеркало; 5 постоянны магнит; 6 рамка; 7 полупрозрачное зеркало; 8 фотопленка (фотобумага)' 9 зеркальный многогранник; 10 матовый экран Светолучевые осциллографы многоканальные приборы, поэтому содержат несколько ОГ. Конструктивно все ОГ объединены общим магнитопроводом. Важной характеристикой ОГ является его чувствительность S, которая определяется отношением отклонения пятна на фотопленке (бумаге) или на экране к току, вызывающему это отклонение. Отклонение пятна зависит не только от текущего в ОГ тока, но и от «длины луча», т.е. от расстояния от зеркальца до пленки (бумаги) или до экрана. Поэтому принято приводить значение чувствительности к длине луча L = 1 м. Поэтому размерность чувствительности выглядит, например, так: S = 20 мм/(мА·м). Иногда в паспортных данных ОГ задается обратная чувствительности величина – постоянная ОГ. Зная значение чувствительности и имея результат регистрации, можно определить текущие значения тока, протекавшего в ОГ во время эксперимента. Если с помощью СЛО зарегистрирован некий сигнал, известны значения чувствительности ОГ и скорости движения фотопленки (бумаги), то можно найти его основные параметры. Предположим, что нас интересует амплитудное значение Im и период T колебаний синусоидального сигнала. Пусть линейные размеры этих параметров на диаграмме равны, соответственно, 40 и 100 мм. Чувствительность ОГ известна: S = 20 мм/(мА·м), скорость движения фотопленки v = 500 мм/с, длина луча L = 1 м. Пренебрегая всеми погрешностями, найдем интересующие нас параметры. Амплитудное значение тока Im = 40 мм · мА · м / (20 мм · 1 м) = 2 мА. Период колебаний сигнала T = 100 мм · с / 500 мм = 0,2 с. Выбирая ОГ для эксперимента, прежде всего следует руководствоваться его амплитудно-частотной характеристикой. Это особенно важно при исследовании несинусоидальных процессов с высшими гармониками. Затем определяют необходимую чувствительность для получения на диаграмме амплитудных параметров достаточного размера. На этом этапе может возникнуть потребность применения шунтов или добавочных сопротивлений. И, наконец, задают такую скорость движения носителя, которая обеспечит нормальное воспроизведение временных параметров и ВТО же время позволит записать фрагмент процесса достаточной продолжительности. Основные достоинства СЛО:
Основные недостатки СЛО:
Англоязычная терминология СЛО – Oscillographic Recorder, Ultra-Violett (U-V) Recorder. ^ В отличие от предыдущих регистраторов, измерительные магнитографы – ИМГ (Magnet Tape Recorder) – являются не приборами, а измерительными преобразователями, поскольку не имеют отсчетных устройств (индикаторов). Принцип магнитной записи основан на воздействии магнитного поля (образованного переменным током) на положение магнитных доменов в материале носителя (ленте, проволоке). Основным элементом магнитной головки является магнитопровод с намотанной на него катушкой. При протекании переменного тока i(t) в катушке в магнитопроводе возникает магнитный поток φ(t). Магнитопровод имеет небольшой воздушный зазор, в котором замыкаются магнитные силовые линии потока φ(t). Этот воздушный зазор соприкасается с магнитным носителем, домены которого реагируют на магнитный поток и меняют (и затем сохраняют) свое положение. Таким образом, если носитель равномерно перемещается, на нем запоминаются все изменения во времени магнитного поля в зазоре. Поскольку современные ИМГ, как правило, многоканальны, то магнитные головки записи (ГЗ) содержат несколько отдельных самостоятельных элементов (магнитопроводов с катушками). Поэтому на носителе (магнитной ленте) при записи исследуемого процесса формируются несколько независимых дорожек с синхронно записанными входными сигналами. Головки воспроизведения (ГВ) по конструкции аналогичны головкам записи, но их задача воспринять информацию, сохраненную на носителе. Расположение магнитных доменов на носителе хранит записанную информацию, которая и воспринимается ГВ. Изменения выходного сигнала ГВ пропорциональны изменениям ранее записанных входных токов i(t). В аналоговых ИМ Г применяются два способа магнитной записи: прямая запись (Direct Recording DR) и запись модулированным (чаще частотно-модулированным ЧМ, Frequency Modulation FM) сигналом. ^ (прямая запись) обеспечивает простое устройство, но имеет некоторый недостаток полоса частот исследуемых сигналов начинается не с нуля, а с нескольких сотен герц, поскольку производная (т.е. изменение во времени) магнитного потока на низких частотах недостаточно велика для воздействия на магнитные домены носителя. ^ (частотно-модулированная запись) основан на переносе спектра входного сигнала в область более высоких частот, поэтому ИМГ с ЧМ-записью могут регистрировать медленно меняющиеся (и даже постоянные) сигналы (рис. 64). Верхняя граница полосы частот в обоих вариантах примерно одинакова и составляет десятки – сотни килогерц или даже единицы мегагерц. Характеристики применяемых в нынешней практике ИМГ весьма разнообразны. Скорость движения ленты: от единиц миллиметров в секунду до единиц метров в секунду. Ширина ленты (диаметр проволоки): от долей миллиметра до единиц сантиметров. Время возможной регистрации: от долей секунды до нескольких суток. Масса устройств: от сотен граммов до единиц килограммов. ![]() Рис. 64. Магнитограф с частотно-модулированной записью: а упрощенная структура; б характеристика преобразования . Основные достоинства ИМГ:
Основные недостатки ИМГ:
Наряду с чисто измерительными задачами ИМГ используются также в качестве так называемых черных ящиков на борту самолетов и кораблей. При этом они регистрируют разнообразную информацию о состоянии основных агрегатов, все команды и переговоры экипажа с основной базой. Существует разновидность магнитных регистраторов, использующих промежуточное аналого-цифровое преобразование исследуемого сигнала и последующую цифровую магнитную запись. В этих аппаратах метрология определяется не только аналоговыми преобразованиями сигнала, но и характеристиками АЦП, поэтому они ближе к цифровым измерительным регистраторам. ^ По признакам введенного ранее понятия «регистрация» аналоговые запоминающие осциллографы (АЗО) относятся к регистрирующим средствам измерения, хотя это и необщепризнано, видимо, потому, что длительность хранения информации недостаточно велика. Два простых физических принципа лежат в основе действия АЗО: явление вторичной эмиссии электронов из диэлектрика «мишени» и достаточно длительное хранение заряда в диэлектрике. По устройству запоминающая электронно-лучевая трубка (ЗЭЛТ) Storage X-Ray Tube отличается от обычной ЭЛТ наличием (помимо основной) дополнительных электронно-лучевых пушек (формирующих рассеянные потоки медленных электронов), а также дополнительных электродов «мишени» и коллектора. «Мишень» размещена между внутренней поверхностью (люминофором) экрана и коллектором и представляет собой мелкоструктурную (ячейки размером 0,1...0,2 мм) металлическую сетку, покрытую слоем диэлектрика. Потенциал мишени отрицательный и составляет несколько сотен вольт. Коллектор также представляет собой металлическую сетку (шаг 1...2 мм), которая имеет небольшой (сотни вольт) положительный потенциал. Работу ЗЭЛТ удобно представить двумя фазами: первая фаза запоминания (собственно регистрация), вторая фаза считывания. В первой фазе, напоминающей действие обычной ЭЛТ, сфокусированный поток электронов (основной поток) с большой скоростью попадает на мишень и выбивает в местах удара вторичные электроны, которые собираются коллектором. Число выбитых электронов значительно больше, чем упавших (коэффициент вторичной эмиссии гораздо больше единицы), поэтому на мишени в точках попадания остается положительный заряд. След основного потока электронов образует траекторию положительных зарядов на поверхности мишени, несущую информацию о исследуемом сигнале. Во второй фазе мишень облучается рассеянными потоками медленных электронов, для которых траектория на мишени является прозрачной, а вся мишень (отрицательно заряженная) непрозрачна. Таким образом, на люминофоре экрана возникает (и поддерживается в течение времени подсветки) копия траектории, т.е. образ исследуемого сигнала. Длительность времени хранения заряда от нескольких часов до нескольких недель, но время воспроизведения (считывания) меньше: единицы минут единицы часов. Это объясняется ускорением рассасывания (диффузии) хранимого мишенью заряда при подсветке в процессе считывания. Основные характеристики АЗО практически не отличаются от соответствующих характеристик обычных аналоговых (электронно-лучевых) осциллографов. При сравнительно высоких динамических характеристиках АЗО (до сотен мегагерц единиц гигагерц) точность результатов измерения амплитудных и временных параметров невысока (единицы процентов при квалифицированном операторе). Стоимость АЗО значительно выше стоимости обычного ЭЛО за счет специализированной трубки, надежность ниже, срок службы меньше, масса и габаритные размеры больше. ![]() Сравнение соотношения «быстродействие–точность», т.е. основных характеристик регистраторов, показано на рис. 65. Общий характер диаграммы хорошо отвечает известному правилу измерительной техники «выиграешь в точности потеряешь в скорости» (аналогичному «золотому правилу механики») и позволяет предварительно выбрать инструмент для эксперимента по регистрации ![]() Рис. 65. . Отметим одно важное обстоятельство. Возможности развития аналоговых регистраторов фактически исчерпаны; технологическими и конструктивными способами совершенствования характеристик «выбраны», по сути, все резервы. Развитие этой (аналоговой) группы идет в основном по пути некоторого улучшения эксплуатационных характеристик. Положенные в основу принципы действия при нынешнем уровне развития технологии, точной механики реализованы практически полностью. В этом смысле аналоговые методы и средства нельзя считать перспективным направлением развития регистрирующей техники. Однако пока существует экономически оправданная ниша, в которой они находят целесообразное применение. |
![]() | Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный... С. Е. Витун, заведующий кафедрой финансов и кредита уо «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы», кандидат экономических... | ![]() | Республики Беларусь Учреждение образования «Белорусский государственный... Учреждение образования «Белорусский государственный педагогический университет имени Максима Танка» |
![]() | Учреждение образования «Гродненский государственный медицинский университет» Кафедра биохимии Рекомендовано Центральным научно-методическим советом уо “Гргму” (протокол № от 10. 06. 20010 г.) | ![]() | Министерство образования и науки РФ федеральное государственное бюджетное... «Московский государственный университет технологий и управления имени К. Г. Разумовского» |
![]() | Конкурс «Лучший инновационный проект студентов и аспирантов» проводится... «Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова» в рамках всероссийского фестиваля науки, организуемого Министерством... | ![]() | Учреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»... Т. М. Шаршакова, Н. П. Петрова, В. М. Дорофеев. ― Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет»,... |
![]() | Учреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»... Т. М. Шаршакова, Н. П. Петрова, В. М. Дорофеев. ― Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет»,... | ![]() | Учреждение образования «гомельский государственный технический университет... Список использованных источников |
![]() | Государственное образвательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева” | ![]() | Кафедра акушерства и гинекологии Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «тамбовский государственный университет имени г.... |