Измерение физических величин. Системы сбора данных
Измерение физических величин: основы теории и практические аспекты
В учебном пособии Ю.В. Кюрджиева и А.В. Чернышева, изданном Московским государственным техническим университетом имени Н.Э. Баумана, рассматриваются фундаментальные принципы измерения физических величин и организации систем сбора данных. Пособие предназначено для студентов, изучающих методы научных исследований в области вакуумной и компрессорной техники, и представляет собой структурированное введение в теорию измерений и практические аспекты построения автоматизированных измерительных систем.
Теоретические основы измерений
Первая глава пособия посвящена теории измерений. Авторы начинают с определения измерения как процесса получения информации об объекте исследования с помощью измерительных систем. Подчеркивается необходимость объективности, избирательности и наглядности получаемой информации. Измерение рассматривается как отображение элементов эмпирического множества на элементы абстрактного множества по определенному правилу преобразования, реализуемому измерительной системой.
В книге представлена классификация измерений по типам, основанная на допустимых преобразованиях результатов измерений. Выделяются номинальное, порядковое, интервальное, пропорциональное и кардинальное измерения, каждое из которых обладает своими характеристиками и ограничениями. Подробно рассматриваются методы измерений, включая метод отклонений, разностный, нулевой, методы чередования и подстановки, компенсационный, мостовой, метод аналогий, повторений и перечисления. Особое внимание уделяется влиянию измерительного прибора, способа отображения и окружающей среды на результаты измерений, а также способам минимизации этих влияний.
Системы сбора данных и их реализация
Вторая глава посвящена системам сбора данных. Рассматриваются основные компоненты таких систем, включая датчики, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и компьютеры. Авторы подробно описывают классификацию сигналов, включая аналоговые и цифровые, а также различные типы аналоговых сигналов: уровневые, переменные во временной и частотной областях. Обсуждаются вопросы дискретизации сигнала, включая проблемы, связанные с частотой дискретизации и квантованием.
В пособии рассматриваются различные схемы измерений и классификация источников сигнала по характеру внутреннего сопротивления, наличию заземления, числу фаз, наличию экранирующей поверхности и полярности. Особое внимание уделяется автоматизированным измерительным системам, включая централизованные и децентрализованные системы, а также распределенные системы сбора данных. Описываются различные типы модульных систем, такие как универсальные платы ввода/вывода, внешние модули АЦП/ЦАП, портативные крейты и модули PXI/PXIe/CompactPCI. В заключение даются рекомендации по выбору аппаратной части системы сбора данных, включая учет количества каналов, типов сигналов, требований к точности и разрешающей способности, а также условий эксплуатации.
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.03: Прикладная механика
- 15.03.04: Автоматизация технологических процессов и производств
- 15.03.05: Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Ю.В. Кюрджиев, А.В. Чернышев Измерение физических величин. Системы сбора данных Учебное пособие
УДК 621.51+621.52(075.8) ББК 31.76+31.77 К99 Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/217/book767.html Факультет «Энергомашиностроение» Кафедра «Вакуумная и компрессорная техника» Рекомендовано Редакционно-издательским советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия Рецензенты: канд. техн. наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана К.А. Макаров; канд. техн. наук, старший научный сотрудник отд. 114 РКК «Энергия» им. С.П. Корол¨ева Д.В. Сысоев Кюрджиев, Ю. В. К99 Измерение физических величин. Системы сбора данных : учебное пособие / Ю. В. Кюрджиев, А. В. Чернышев. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 53 [3] с. : ил. ISBN 978-5-7038-3885-3 Приведены основные сведения по теории измерений. Рассмотрены методы и стратегии измерений, а также системы сбора данных. Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих курс «Методы научных исследований в вакуумной и компрессорной технике». УДК 621.51+621.52(075.8) ББК 31.76+31.77 ISBN 978-5-7038-3885-3 c○ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 c○ Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016
ПРЕДИСЛОВИЕ Целью учебного пособия является ознакомление с основами организации измерений физических величин с использованием систем сбора данных. Пособие рекомендуется в качестве основной литературы при изучении дисциплин «Основы научных исследований в вакуумной, компрессорной технике и пневмомеханике», «Методы научных исследований в вакуумной и компрессорной технике» для студентов специальностей кафедры «Вакуумная и компрессорная техника». Пособие состоит из двух глав. В первой главе изложены основы теории измерений физических величин, теории измерений, методов измерений и стратегии измерений. Во второй главе рассмотрены вопросы построения автоматизированной системы сбора данных, различные схемы измерений, даны сведения по автоматизации средств измерения. Список литературы включает 12 наименований, в том числе 6 ссылок на документы, размещенные на официальных сайтах производителя программно-аппаратной части систем измерения. Из широкого спектра компонентов аппаратной части систем измерения, предлагаемых различными производителями, в примерах, включенных в данное пособие, авторы ограничились компонентами двух производителей: американской фирмой NATIONAL INSTRUMENTS и московской фирмой L-CARD. Данный выбор обусловлен широким спектром предлагаемых компонентов и их доступностью для потребителя. В результате изучения пособия студенты ознакомятся с основами измерений физических величин, получат достаточно информации для выбора схем и аппаратных средств, необходимых для организации автоматизированной системы сбора данных. 3
ВВЕДЕНИЕ Прежде чем приступить к изучению теории измерений физических величин, необходимо определиться с термином «измерение». Обычно под процессом измерения подразумевается сбор информации об объекте исследования, а под результатом измерения — описание состояния объекта измерения (или явления) в окружающем мире через измеряемые величины. Между состоянием (или явлением) и результатом измерения должно выполняться то или иное соотношение. Получение информации является необходимым, но недостаточным условием идентификации измерения. Например, просмотр учебного фильма сопровождается накоплением информации, но не может быть отнесен к измерению. При измерении сбор информации должен быть избирательным. Процесс измерения обеспечивает информацией о том, что необходимо знать об измеряемой величине, и не дает информации ни об одном из иных явлений или состояний изучаемого объекта. Это необходимое, но недостаточное условие. Например, наблюдая картину в пустой комнате, можно получить информацию только о картине. Это наблюдение не может быть измерением. Необходимым условием измерения является объективность получаемой информации. Она не должна зависеть от наблюдателя; при этом любой наблюдатель получает одну и ту же информацию и приходит к одним и тем же выводам. Чтобы гарантировать объективность измерения, требуется использовать те или иные средства (приборы, системы), преобразующие наблюдаемое явление или состояние в другое явление или состояние, которые наблюдатель может истолковать однозначно. Такие средства называются измерительными системами. 4
В дальнейшем под измерением будем понимать получение информации с помощью измерительных систем (приборов) в форме результата измерения, отражающего характеристику, состояние или явление окружающего мира — объекта измерения. Измерительная система должна гарантировать необходимую наглядность описания, объективность и избирательность измерения. Различают структурную и метрическую информацию. Структурная информация — информация о состоянии, структуре или природе данной характеристики объекта исследования. Метрическая информация — информация, выраженная через числовую величину: давление, температуру, интенсивность, фазу и т. п. Соответственно различают качественные и количественные измерения. Качественное измерение дает возможность установить природу объекта (или явления), который должен быть измерен. Информация, полученная при качественном измерении, позволяет осуществить выбор приборов для проведения количественного измерения.
1. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 1.1. Теория измерений Собранная в результате измерения информация дает возможность свести сложные характеристики, состояния, явления и соотношения к более простым законам и взаимозависимостям и сформировать лучшую, более ясную и объективную модель мира или его частей, а также законы и теории. С помощью измерений сравнивается теория с действительностью: определяется, дает ли эта модель, гипотеза или теорема верное представление о мире. Взаимодействие между реальным миром и представлением о нем включает процедуру измерения (получение информации об окружающем нас мире) и использование этой информации для изменения окружающего мира (рис. 1.1). В основу теории измерений положен следующий принцип: измерения являются частью звена между эмпирическим миром и теоретическом представлении о нем. При этом измерение трактуется как отображение элементов исходного множества эмпирического пространства на элементы множества образов, являющегося частью пространства абстрактных представлений [1]. Элементы исходного множества — это эмпирические характеристики состояний или явлений в мире, а элементы множества образов — символы из воображаемого абстрактного множества символов (рис. 1.2). При количественных измерениях символы могут быть числами, а при качественных измерениях — названиями. Таким образом, измерение представляет собой отображение элементов эмпирического множества на элементы абстрактного множества по определенному правилу преобразования. Эти правила реализуются измерительной системой, обеспечивающей описательность, объективность и избирательность. 6
Похожие