Miernictwo Komentarz do wykładów cz2

Część II

Przyrządy i systemy

pomiarowe

9. Ogólna charakterystyka przyrządów
pomiarowych

Przyrząd pomiarowy (w skrócie miernik) to urządzenie służące do bezpośredniego lub
pośredniego wykonywania pomiarów, a zatem do odwzorowania wyróżnionej właściwości
badanego obiektu w liczbę (lub liczby). Po doprowadzeniu do niego wielkości mierzonej daje
wskazanie wartości tej wielkości dostępne zmysłom obserwatora, wyrażone w odpowiednich
jednostkach miary.

9.1. Opis działania przyrządów

Opis systemowy przyrządów pomiarowych stosuje podejście znane z teorii systemów, gdzie
każdy system graficzne reprezentowany jest jako blok posiadający swoje wejścia (wielkości
pobudzające) i wyjścia (wielkości będące reakcjami systemu na pobudzenie).

W metrologii wejścia systemu, jakim jest przyrząd pomiarowy, dzieli się na wielkość
mierzoną x

(lub wielkości mierzone), wielkości wpływające u, zakłócenia z i zasilanie,

wyjściem natomiast jest wskazanie przyrządu x

(najczęściej x

= x

Do wielkości wpływających zalicza się te, o których wiadomo, jak wpływają na działanie
przyrządu (np. temperatura) i mogą być kontrolowane (lub dodatkowo mierzone). Wielkości
zwane zakłóceniami mają charakter przypadkowy co do wystąpienia i skutków (wpływy na
wskazanie przyrządu) i z tego powodu nie mogą być kontrolowane.

Istnieją metody redukcji wpływu niektórych typów zakłóceń na działanie elektronicznych przyrządów
pomiarowych.

Matematycznie system opisywany jest za pomocą równania przetwarzania (lub układu
równań), w których wejścia są argumentami, a wyjścia wartościami odpowiednich funkcji,
samo natomiast przetwarzanie zależy od konkretnych wartości współczynników θ

występujących w równaniu, zwanych parametrami. Współczynniki te zależą od budowy
przyrządu.

Miernictwo – komentarz do wykładu

W przypadku przyrządu pomiarowego równanie przetwarzania ma ogólna postać:







Ponieważ zakłócenia nie są znane, zakładając ich addytywny charakter, powyższe równanie
można zapisać następująco:





 







gdzie Δ

oznacza błąd przypadkowy. W rzeczywistych sytuacjach używany miernik działa

nieco inaczej (f

) niż założyli konstruktorzy (f

), między innymi dlatego, że rzeczywiste

wartości jego parametrów (θ

), np. realizowana wartość wzorca, różnią się od wartości

założonych w projekcie przyrządu (θ

). Te ustalone różnice wraz z aktualnymi wartościami

wielkości wpływających są głównymi źródłami błędów o charakterze systematycznym (Δ

Zakładając ich addytywność można zapisać:









 













co w typowej sytuacji (dla przyrządów mających realizować odwzorowanie
identycznościowe, tj. f

(y) = y) daje znany nam już zapis:











Równania przetwarzania opisujące działanie przyrządu pomiarowego stanowią jego model
matematyczny f

Model matematyczny przyrządu pomiarowego to sformalizowany opis odwzorowania
wartości wielkości mierzonej x

w wynik pomiaru x

Modele matematyczne przyrządów pomiarowych różnią się od typowych modeli stosowanych
w innych dziedzinach nauki i techniki. Ich specyfika związaną jest z:



rozróżnieniem zjawisk pożądanych i niepożądanych wpływających na jednoznaczność
odwzorowania oraz określających granice jego niejednoznaczności,



koniecznością wielkiej precyzji modelu: typowa niedokładność, nie spotykana w modelach
innych urządzeń, jest rzędu 10

–2

÷ 10

–6

, w szczególnych przypadkach 10

–8

÷ 10

–12

Tak duża precyzja opisu ilościowego przyrządów pomiarowych wynika z dokładności stosowanych w nich
wzorców. Nie byłoby sensu (także finansowego) umieszczać w przyrządzie precyzyjnych wzorców, gdyby
informacja o całościowym ich działaniu był dużo mniej precyzyjna.

Poza opisem matematycznym stosuje się także inne opisy ilościowe przetwarzania zachodzącego w miernikach,
np. w postaci tabel.

Jednym ze sposobów opracowywania modeli matematycznych w ramach podejścia
systemowego jest analiza działania i wewnętrznej budowy przyrządu prowadząca do
wydzielenia stopni przetwarzania.

Stopnie przetwarzania (przedstawiane w postaci bloku z wejściem i wyjściem) to
elementarne zjawiska opisane jednym równaniem matematycznym. Współzależności

9. Ogólna charakterystyka przyrządów pomiarowych

zachodzących w mierniku zjawisk określają połączenia stopni przetwarzania, tworząc
strukturę przyrządu i narzucając strukturę modelu matematycznego.
Istnieją trzy podstawowe połączenia stopni przetwarzania, pokazane na poniższym rysunku:
a) szeregowe, b) równoległe i c) ze sprzężeniem zwrotnym.

Istota sprzężenia zwrotnego polega na tym, że informacja wyjściowa (y) po dodatkowym przetworzeniu (f

)

sumuje się ponownie z wejściem x dając przetwarzaną (f

) informację x

. Sumowanie ze znakiem „+” daje

sprzężenie zwrotne dodatnie, a z „–” sprzężenie zwrotne ujemne. Oba sprzężenia odgrywają bardzo ważną rolę w
przyrodzie i technice.

Poza powyżej przedstawionym podejściem można też analizować działanie i wewnętrzną
budowę przyrządu koncentrując się na funkcjach, jakie pełnia poszczególne jego części.

Rozróżniając i uwzględniając poszczególne bloki funkcjonalne oraz ich wzajemne relacje,
ogólną strukturę elektronicznego przyrządu pomiarowego można przedstawić za pomocą
schematu blokowego zawierającego tzw. łańcuch pomiarowy – bloki przetwarzania nośnika
informacji połączone szeregowo.

W konkretnych przypadkach w mierniku mogą nie występować niektóre z bloków znajdujących się w
schemacie ogólnym.

Do najważniejszych bloków funkcjonalnych w elektronicznym przyrządzie pomiarowym
należą bloki: przetwarzania analogowego (A/A), przetwarzania analogowo-cyfrowego (A/C),
przetwarzania cyfrowego (C/C), komunikacji z użytkownikiem, sterowania i generacji
pobudzenia (bloki przetwarzania cyfrowo-analogowego C/A lub cyfrowego).

Wybrane, konkretne przykłady powyższych bloków omawiane będą na kolejnych wykładach.

Miernictwo – komentarz do wykładu

9.2. Charakterystyki statyczne

Ważnym w praktyce sposobem opisu działania przyrządów pomiarowych są podawane przez
producenta ich charakterystyki statyczne i dynamiczne.

Przetwarzanie statyczne charakteryzuje się zależnością wyniku przetwarzania (wyniku
pomiaru) jedynie od aktualnego stanu wejścia (wartości wielkości mierzonej) i tym samym
niezależnością od stanów wejścia w przeszłości.

Charakterystyka statyczna miernika opisuje zależność wskazania przyrządu x

aktualnej, stałej w czasie określania charakterystyki, wartości wielkości mierzonej x

Charakterystykę statyczną opracowuje się w postaci modelu matematycznego przyrządu,
tabeli lub wykresu.

Charakterystyki statyczne przyrządów uzyskuje się w procesie pomiarowym nazywanym
wzorcowaniem przyrządów, wykorzystującym odpowiednio dobrane wzorce (regulowane lub
wiele stałych) i metody pomiarowe. Wartości wzorcowe podaje się na wejście przyrządu.

W czasie wzorcowania pomiary wykonywane są w stanach ustalonych, tzn. przy stałej wartości wielkości
wejściowej i po zaniknięciu stanów przejściowych spowodowanych jej zmianą.

Efektem wzorcowania jest zarówno charakterystyka statyczna jak i jej niepewność.

Parametry statyczne ujmujące ilościowo najważniejsze cechy charakterystyki statycznej
przyrządu pomiarowego wyznaczane są jej na podstawie. Do tych podstawowych parametrów
należą: zakres, liniowość (błąd nieliniowości), powtarzalność, przesunięcie charakterystyki
(offset) i jego dryft, oraz histereza (błąd histerezy).

Zakres pomiarowy to przedział między najmniejszą i największą dopuszczalną wartością
wielkości mierzonej.

Błąd nieliniowości to maksymalne odchylenie rzeczywistej charakterystyki statycznej od
modelu liniowego występujące w zakresie pomiarowym.

Powtarzalność jest parametrem oszacowującym poziom błędów przypadkowych.

Offset to wartość wskazania przyrządu przy zerowym pobudzeniu, a dryft offsetu mówi o
zmianie tej wartości w czasie.

9. Ogólna charakterystyka przyrządów pomiarowych

Dryft offsetu jest charakterystyczny dla mierników półprzewodnikowych, zwłaszcza po ich włączeniu, kiedy
przyrząd się „wygrzewa”.

Histereza jest zjawiskiem polegającym na nieco innym przebiegu charakterystyki statycznej
gdy wartość mierzona rośnie i gdy maleje. Widoczne jest ono jako tzw. pętla histerezy. Błąd
histerezy to maksymalną różnica miedzy „ramieniem wstępującym” i „zstępującym”
charakterystyki statycznej w pełnym zakresie pomiarowym.

Przebieg pętli histerezy zależy zarówno od wartości, przy której rozpoczęto pomiary, jak i wartości, przy której
przemieniono kierunek zmian wartości mierzonej.

Błąd statyczny to różnica między rzeczywistym a założonym statycznym przetwarzaniem
miernika. Obejmuje wszystkie wymienione powyżej czynniki wpływające na rozbieżność
pomiędzy wskazaniem przyrządu x

a wartością mierzoną x

9.3. Charakterystyki dynamiczne

Przetwarzanie dynamiczne charakteryzuje się zależnością wyniku przetwarzania (wyniku
pomiaru) nie tylko od aktualnego stanu wejścia (wartości wielkości mierzonej), ale również
od stanów wejścia w przeszłości (tzn. od tego, jakie wartości przez uprzedni czas
eksperymentu pomiarowego miała wielkość mierzona).

Przykład: Wyobraźmy sobie przetwornik strumienia cieczy (mierzonego np. w dm

·s

–1

) na wysokość słupa

cieczy (wyrażona np. w cm) – może nim być wyskalowane naczynie. Wysokość słupa cieczy jednoznacznie
zależy nie tylko od aktualnej wartości strumienia, ale też od tego, jaki był on w przeszłości.

Miernictwo – komentarz do wykładu

Opis dynamicznych właściwości przyrządów pomiarowych jest bardziej skomplikowany, niż
opis ich właściwości statycznych. Poniżej ograniczamy się do opisu działania mierników o
dynamice liniowej, gdyż w większości przypadków rzeczywiste charakterystyki dynamiczne
dają się dobrze przybliżyć charakterystykami liniowymi.

Dynamiką liniową nazywa się taki charakter przetwarzania dynamicznego, które od strony matematycznej
można opisać operatorami liniowymi (należą do nich np. różniczki i całki).

Charakterystykę dynamiczną miernika, a w szczególności jego parametry dynamiczne,
określa się stosując zmienne w czasie pobudzenie (zmienną wielkość mierzoną) o
specyficznych właściwościach.

Odpowiedź impulsowa miernika to przebieg uzyskiwany na jego wyjściu (zmiana wskazania
przyrządu w czasie) po podaniu na wejście impulsu wielkości mierzonej o jednostkowej
amplitudzie w chwili t = 0. Zarejestrowaną odpowiedź impulsową opisuje się za pomocą
odpowiedniej funkcji lub skończonej liczby próbek.

(Pojęcie próbkowania wyjaśnione będzie kiedy

indziej.)

Odpowiedź na skok jednostkowy miernika to przebieg uzyskiwany na jego wyjściu (zmiana
wskazania przyrządu w czasie) po skokowej zmianie w chwili t = 0 wielkości mierzonej z
zera do wartości jednostkowej (lub innej ustalonej x

max

). W zależności od właściwości

przyrządu, przebieg ten ma postać asymptotycznie narastającą lub tłumionych oscylacji.

W przyrządach 1-szego rzędu wskazanie miernika narasta ekspotencjalnie, można je zatem
opisać funkcją:

 





)

exp(

max







Stała czasowa τ w powyższym równaniu to parametr opisujacy dynamikę mierników 1-szego
rzedu.

Częstotliwości graniczna f

przyrządu pomiarowego to taka częstotliwość sinusoidalnych

zmian wartości wielkości mierzonej, przy której stosunek amplitudy sinusoidalnych zmian
wskazań przyrządu (A

) do amplitudy pobudzenia (A

) spada o 3 dB w stosunku do pasma

przenoszenia, gdzie w przybliżeniu wynosi on 1









log



Producenci mierników przeznaczonych do pomiarów wielkości zmiennych w czasie często podaja ten

parametr.

Jeżeli wielkość mierzona zawiera częstotliwości przekraczające

, to przyrząd nie zachowuje już swoich właściwości

– wynik pomiaru jest zazwyczaj niższy od wartości prawdziwej.

9. Ogólna charakterystyka przyrządów pomiarowych

Charakterystyka dynamiczna najczęściej przyjmuje postać modelu matematycznego
przetwarzania – równania różniczkowego lub całkowego. Rząd tego równania (np. rząd
różniczki) odpowiada rzędowi przyrządu. Rząd miernika jest kolejnym jego parametrem
dynamicznym.

Błędy dynamiczne to błędy wynikające z różnicy pomiędzy rzeczywistym przetwarzaniem
przyrządu o właściwościach dynamicznych a zastosowanym sposobem wyznaczania wyniku
pomiaru.

Jak dotąd nie opracowano powszechnie przyjętego podejścia do oszacowywania wartości błędów dynamicznych.

9.4. Oddziaływanie przyrządu z wielkością mierzoną

Podczas pomiaru przyrząd pomiarowy pobiera i zużywa energię. Analizując ten aspekt,
można wyróżnić trzy sposoby oddziaływania przyrządu z doprowadzoną wielkością
mierzoną:



energia pobierana jest z oddzielnego źródła (wielkość mierzona nie wydatkuje energii),



przyrząd pobiera energię rozpraszaną przez badany obiekt (stan obiektu, a tym samym
wartość wielkości mierzonej, nie są zakłócone),



przyrząd pobiera energię za pośrednictwem wielkości mierzonej.

Trzeci przypadek jest najmniej korzystny, gdyż pobranie przez przyrząd energii z badanego
obiektu powoduje zmianę wartości mierzonej wielkości. Zmiana ta ma charakter
systematyczny. W wielu sytuacjach można oszacować zmianę wartości mierzonej
spowodowana podłączeniem miernika – mamy zatem do czynienia z błędem metody, który da
się zniwelować poprzez obliczenie poprawki i wprowadzenie korekty.

Przykład: Pomiar SEM źródła napięcia stałego za pomocą woltomierza o skończonej rezystancji wejściowej.

Miernictwo – komentarz do wykładu

Podczas takiego eksperymentu pomiarowego prąd wymuszony przez siłę elektromotoryczną (E) przepływa przez
szeregowo połączone rezystancje: źródła napięciowego (R

) i wejściową woltomierza (R

), a zatem ma on

natężenie:





W takiej sytuacji napięcie na wyjściu źródła (tj. różnica potencjałów w zaznaczonych na rysunku punktach)
zmienia swoją wartość, która pokazywana jest przez woltomierz i wynosi (z prawa Ohma):





Przed użyciem woltomierza napięcie to było równe 2 V, a sam fakt włączenia miernika spowodował jego spadek
do wartości zależnej od R

(rys.: ≈2 V, ≈1,82 V, =1 V). Nawet bezbłędnie działający woltomierz pokazałby

wartość systematycznie mniejszą niż napięcie oryginalne.

9.5. Zagadnienia kontrolne

Na czym polega systemowy opis działania przyrządów pomiarowych
Co to są i jak się ze sobą łączą stopnie przetwarzania
Podstawowe parametry statyczne mierników
Sposoby oddziaływania przyrządu pomiarowego z doprowadzoną wielkością mierzoną
Podstawowe charakterystyki i parametry dynamiczne mierników

10. Analogowe przyrządy pomiarowe

10.1. Pojęcia podstawowe

Miernik analogowy to taki przyrząd pomiarowy, którego wskazania są funkcją ciągłą
wartości wielkości mierzonej. Występujący w nich blok ekspozycji wyniku pomiaru
najczęściej posiada element ruchomy połączony ze wskaźnikiem oraz podziałkę.

Mierniki analogowe, biorąc pod uwagę ich oddziaływanie z wielkością mierzona, podzielić
można na przyrządy o działaniu bezpośrednim i pośrednim.

W miernikach o działaniu bezpośrednim energia potrzebna do odchylenia elementu
ruchomego czerpana jest bezpośrednio z badanego obiektu fizycznego.

W miernikach o działaniu pośrednim wielkość mierzona steruje wielkością pomocniczą
dostarczającą energię potrzebną do wychylenia elementu ruchomego.

10.2. Analogowe mierniki elektro-mechaniczne

Pierwsze mierniki analogowe przeznaczone do pomiarów wielkości elektrycznych i
magnetycznych wykorzystywały odkrywane prawa oddziaływań mechanicznych pomiędzy
tymi wielkościami. Dało to początek całym rodzinom mierników, z których najważniejsze to:



magnetoelektryczne,



elektromagnetyczne,



elektrodynamiczne,



ferrodynamiczne,



elektrostatyczne.

Przyjrzyjmy się zasadzie ich działania na przykładzie miernika magnetoelektrycznego. Jest on zbudowany z
magnesu trwałego i umieszczonej w jego polu cewki (rys.). Zazwyczaj magnes jest elementem nieruchomym, a
cewka jest organem ruchomym połączonym ze wskaźnikiem.

Miernictwo – komentarz do wykładu

Przepływ prądu przez cewkę prowadzi do oddziaływania powstającego w niej pola magnetycznego z polem
magnesu i obrót mechanizmu o kąt α proporcjonalny do natężenia prądu I:

BlNd





gdzie: B – indukcja pola magnesu, N – liczba uzwojeń, l i d wymiary geometryczne, k i c

– stałe konstrukcyjne.

Tradycyjne mierniki analogowe praktycznie wyszły z użycia.

10.3. Analogowe mierniki elektroniczne

Mierniki elektroniczne to takie przyrządy pomiarowe, w których nośnik informacji o
wielkości mierzonej zamieniany jest na elektryczny sygnał pomiarowy i w tej postaci dalej
przetwarzany. Elektroniczne mierniki analogowe wykorzystują bloki przetwarzania
analogowego (A/A), w których nośnikiem informacji najczęściej jest napięcie.

Elektroniczne przetwarzanie nośnika informacji w przyrządach analogowych przynosi szereg
korzyści, do których m.in. należą:



zwiększenie dokładności wskazania wyniku pomiaru,



brak znaczącego oddziaływania z wielkością mierzoną (własny blok zasilania),



pomiar tym samym urządzeniem zarówno wielkości bardzo małych jak i bardzo dużych
(elektroniczne przełączanie zakresów wykorzystujące blok wzmocnienia lub tłumienia
sygnału),



zwiększone możliwości eliminacji wpływu sygnałów niepożądanych i zakłócających
(bloki kompensacji wielkości wpływających i filtry zakłóceń),



możliwość transmisji wyników przetwarzania na duże odległości (elektryczne łącza
przewodowe).

W elektronicznych miernikach analogowych wyróżnić można kilka typów bloków
funkcjonalnych.

Bloki generacji sygnałów pobudzających i czujników

Bloki generacji sygnałów pobudzających stosuje się w pomiarach biernych właściwości
obiektów badanych, tj. takich, które uwidaczniają się tylko w warunkach zewnętrznego
pobudzenia badanego obiektu.

Czujniki budowane są jako elementy elektroniczne, które w oparciu o wybrane zjawiska
fizyczne potrafią jednoznacznie zamienić wartość wielkości mierzonej na proporcjonalna do
niej wartość wielkości elektrycznej, która staje się nośnikiem informacji i jest dalej
przetwarzana w mierniku.

Zastosowanie czujników wielkości nieelektrycznych zostanie omówione na innym wykładzie.

Bloki przetwarzania analogowego

Zasadniczym elementem mierników elektronicznych są bloki analogowego przetwarzania
nośnika informacji, które to przetwarzanie ma charakter ciągły.

10. Analogowe przyrządy pomiarowe

Blok kondycjonowania sygnału dopasowuje poziom wartości nośnika informacji
pojawiającego się na początku toru pomiarowego (najczęściej na wyjściu czujnika) do
zakresu wejściowego następnego bloku miernika.

Blok komparacji i blok różnicowy, wykorzystując dobrane zjawiska fizyczne, realizuje na
nośniku informacji x(t) operacje odejmowania, np. wielkości porównawczej x

   





Blok dopasowania energetycznego ma za zadanie umożliwić optymalne przekazanie energii z
poprzedniego do następnego bloku w torze przetwarzania.

Bloki uzyskiwania wyniku pomiaru należą do zasadniczych elementów elektronicznych
mierników analogowych – w nich wytwarzana jest wartość nośnika informacji (najczęściej
napięcia) proporcjonalna do wartości wielkości mierzonej.
Bloki te realizują przetwarzanie wynikające z definicji wielkości mierzonej, co jest
szczególnie dobrze widoczne podczas pomiarów parametrów wielkości okresowo zmiennych
w czasie, takich jak: wartość średnia, wartość (między)szczytowa, czy wartość skuteczna.

Przetwarzanie to realizowane jest z wykorzystaniem dobranych zjawisk fizycznych w odpowiednio
zaprojektowanych układach elektronicznych.

Wartość średnia sygnału zmiennego x(t) o okresie T, zwana też składową stałą (DC),
zdefiniowana jest z użyciem całki z x po okresie, co wynika z interpretacji geometrycznej
całki oznaczonej (jest ona równa polu powierzchni utworzonej przez całkowaną funkcję i oś
odciętych):

 







śr



Gdy w wyniku przetworzenia pojawia się składowa stała, stosując dodatkowo blok
różnicowy, można ją wykorzystać do wytworzenia składowej zmiennej (AC):

 

   







Wartość międzyszczytowa określa różnicę między wartością maksymalna i minimalną (w
okresie) mierzonej wielkości zmiennej:

 

 

 

 









min

max



Wartość skuteczna należy do najważniejszych parametrów charakteryzujących wielkości
zmienne w czasie. W przypadku zmian okresowych jest ona zdefiniowana następująco:

 









Tak „skomplikowana” definicja powoduje, że przetwarzanie to wykonywane jest zazwyczaj
trzystopniowo (przetworzenie natężenia prądu zmiennego i na poniższym rysunku).

Miernictwo – komentarz do wykładu

Pierwszą operację realizuje blok kwadratora, drugą – integratora, a trzecie uzyskać można np. przez
odpowiednio zaprojektowane ujemne sprzężenie zwrotne.

Postać definicji wartości skutecznej wyjaśnia jej interpretacja energetyczna. Moc elektryczna jest iloczynem
spadku napięcia na odbiorniku energii i płynącego przez niego natężenia prądu. W przypadku zmiennego u(t) i
i(t) moc średnia (zwana też mocą czynną – o czym mowa będzie później), zgodnie z definicja wartości średniej,
wynosi:

   









Jeżeli odbiornikiem jest rezystor o wartości R (element, którego rola polega na rozpraszaniu energii
elektrycznej), to z prawa Ohma i = u/R, a zatem:

 























Ostateczna postać



jest analogiczna (a przez to łatwa do zapamiętania) do efektu energetycznego

przepływu prądu stałego przez rezystor: P = U/I. Zatem wartość napięcia skutecznego sygnału zmiennego jest
równa napięciu stałemu, które spowodowałoby wydzielenie takiej samej mocy na rezystorze.

Bloki komunikacji z użytkownikiem

Do najważniejszych elementów umożliwiających komunikacje miernika elektronicznego z
użytkownikiem należą: nastawy zakresu pomiarowego, elementy wyboru mierzonego
parametru i blok ekspozycji wyniku pomiaru – najczęściej w postaci członu ruchomego i
podziałki.

Ostatnia generacja elektronicznych mierników analogowych posiadała dodatkowe dwa bloki:
przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C) oraz (lampowy) wyświetlacz cyfrowy. Podstawowa
funkcja pierwszego z nich nie polegała na przetwarzaniu nośnika informacji, lecz na
przetworzeniu analogowo wytworzonego wyniku pomiaru (w postaci proporcjonalnego do
niego napięcia) na postać cyfrową umożliwiającą cyfrową ekspozycję wyniku.

Elektroniczne mierniki analogowe zostały obecnie wyparte przez mierniki cyfrowe.

10.4. Zagadnienia kontrolne

Czym charakteryzują się analogowe mierniki
Podstawowe funkcje bloków elektronicznych mierników analogowych

11. Przetworniki pomiarowe

11.1. Pojęcia podstawowe

Przetwornik to urządzenie (lub element) jednoznacznie odwzorowujący wartość wielkość
wejściowej x na wartość wielkości wyjściowej y, wykorzystujący w tym celu odpowiednie
zjawiska fizyczne:

 





gdzie f

jest znaną funkcją przetwarzania (modelem matematycznym przetwornika). Najczęściej próbuje się

budować przetworniki liniowe, lecz wiele z nich ma charakterystyki nieliniowe.

W przyrządzie pomiarowym zwykle kilka przetworników łączonych jest szeregowo tworząc
tzw. łańcuch przetwarzania. Ze względu na ich zastosowanie, zwane są przetwornikami
pomiarowymi, a cechuje je duża precyzja przetwarzania (tzn. że f

znane jest z większą

dokładnością niż w wielu innych zastosowaniach).

Ze względu na sposób przetwarzania nośnika informacji i postać wielkości wejściowych i
wyjściowych, dzieli się je na przetworniki: analogowe (A/A), analogowo-cyfrowe (A/C) i
cyfrowo-analogowe (C/A).

11.2. Przetworniki analogowe (A/A)

Wynikiem przetwarzania analogowego jest taka wartość wielkości wyjściowej, której jest
funkcją ciągłą wartości pobudzenia.

Do najważniejszych grup przetworników A/A należą: dzielniki napięć i prądów, przetworniki
prostownikowe, wzmacniacze pomiarowe i inne.

11.2.1. Układy kondycjonowania

Dzielniki napięć i prądów

Dzielniki służą do proporcjonalnego zmniejszenia napięcia lub natężenia prądu wejściowego,
gdy np. ich pierwotna, mierzona wartość przekracza zakres działania następnego bloku w
torze pomiarowym.

W układach stałoprądowych dzielniki buduje się z wykorzystaniem precyzyjnych rezystorów.
Idea dzielnika napięciowego pokazana jest na rys. (U

= U, U

= U

Miernictwo – komentarz do wykładu

Korzystając z prawa Ohma i II. prawa Kirchhoffa (sumowanie napięć w „oczku”) można
pokazać, że w układzie dzielnika spełniona jest zależność:











a stąd:





Powyższe wzory są prawdziwe, gdy z zacisków napięcia wyjściowego U

nie jest pobierany prąd (lub prąd ten

jest pomijalnie mały). Dlatego też powyższy dzielnik wbudowywany jest w bardziej złożone układy
elektroniczne, zapewniające spełnienie tego warunku.

Podobnie działa dzielnik prądowy, którego funkcję przetwarzania również wyprowadza się z
prawa Ohma i I. prawa Kirchhoffa (sumowanie prądów w „węźle”).















W układach prądu przemiennego stosowane są przekładniki napięcia i prądu wykorzystujące
zjawiska elektromagnetyczne. Przetworniki te pozwalają na pomiar bez przerywania pracy
obwodu badanego.

W elektrotechnice rozróżnia się wielkości zmienne i przemienne w czasie (np. napięcie, prąd). Wielkość zmienna
charakteryzuje się zmieniającymi się w czasie wartościami chwilowymi. Szczególnym jej przypadkiem jest
wielkość przemienna, której wartości chwilowe na przemian są dodatnie i ujemne, a wartość średnia wynosi
zero.

11. Przetworniki pomiarowe

Przekładnik napięcia przemiennego (rys.) stosowane są do pomiaru wysokich napięć, rzędu
kV.

Przy odpowiedniej konstrukcji rdzenia ferromagnetycznego w układzie

transformatorowym pracującym w stanie jałowym, daje na wyjściu napięcie wtórne U

(najczęściej o wartości znamionowej 100/√3 V) proporcjonalne do napięcia pierwotnego U

(zwykle 6/√3, 15/√3 lub 110/√3 kV):







gdzie N

i N

to liczby uzwojeń pierwotnych i wtórnych.

Przekładnik prądu przemiennego (rys.) pozwala na pomiar dużych natężeń prądu.
Budowane są jako transformatory małej mocy pracujące w stanie zbliżonym do zwarcia. Na
wyjściu pojawia się prąd I

proporcjonalny do prądu mierzonego I







Bardzo istotną rolę odgrywają przetworniki prądu na napięcie (I/U) i napięcia na prąd
(U/I). Wykorzystują one prawo Ohma, zatem ich głównym elementem jest precyzyjny
rezystor R. Wtedy:









lub









Analogicznie do dzielników napięć i prądów, rezystor przetwarzający wbudowywany jest w bardziej złożone
układy elektroniczne.

Miernictwo – komentarz do wykładu

11.2.2. Przetworniki prostownikowe (AC/DC)

Przetwornik prostownikowy (prostownik) przekształca wejściową wielkość przemienną,
(posiadającą jedynie składową zmienną AC) na wielkość wyjściową posiadającą składową
stałą (DC). Uzyskana składowa stała jest proporcjonalna do jednego z parametrów badanego
sygnału i jej pomiar wykorzystywany jest do pomiaru tego parametru.

Bardziej szczegółowe nazwy tych przetworników wynikają z mierzonego parametru. Należą
do nich przede wszystkim:

− prostowniki wartości średniej,
− prostowniki wartości szczytowej,
− prostowniki wartości skutecznej.

Prostowniki wartości średniej budowane są z elementów półprzewodnikowych jako
prostowniki jednopołówkowe lub dwupołówkowe. Charakterystyki przetwarzania i
przykładowe przebiegi pokazane są na poniższych rysunkach.

Prostowniki wartości szczytowej jest kolejnym przykładem przetwornika AC/DC. Jego
zadaniem jest uzyskanie składowej stałej równej (w dobrym przybliżeniu) wartości
szczytowej (maksymalnej) napięcia przemiennego. W tym celu najczęściej wykorzystuje się
układ ładowania kondensatora (C) przez diodę półprzewodnikową (D) w układzie
szeregowym (rys. a) lub równoległym (rys. b).

Cechą diody jest to, że może przez nią płynąć prąd, gdy jest spolaryzowana przepustowo (tzn. potencjał
odpowiedniego odprowadzenia jest wyższy niż drugiego i dioda ma pomijalnie małą rezystancję) i nie

11. Przetworniki pomiarowe

przepuszcza prądu, gdy jest spolaryzowana zaporowo (ma bardzo dużą rezystancję). Natomiast efektem
ładowania kondensatora (tj. gromadzenia w nim ładunku pochodzącego z wpływającego prądu) jest wytwarzanie
na okładkach napięcia równego napięciu przyłożonemu.
Rozważmy układ przetwornika szeregowego (rys): w pierwszej, narastającej fazie napięcia przemiennego, dioda
spolaryzowana jest przepustowo i napięcie na kondensatorze (u

), będące napięciem wyjściowym DC

mierzonym przez woltomierz, podąża za napięciem źródła u. Gdy napięcie przemienne wchodzi w fazę
opadającą. napięcie na kondensatorze jest od niego większe i dioda spolaryzowana jest zaporowo co powoduje,
że kondensator się nie rozładowuje. zachowując napięcie szczytowe U

Prostowniki wartości skutecznej (a w zasadzie ich główny element – kwadrator) mają za
zadanie podnieść do kwadratu przemienną wielkość wejściową. Charakterystyka ich
przetwarzania ma postać paraboli, zatem pobudzenie sinusoidalną wielkością AC daje na
wyjściu sinusoidę o dwa razy większej częstotliwości i wartościach niezerowych (rys.).
Składowa DC tak uzyskanego wyjścia (inaczej – wartość średnia) wykorzystywana jest w
dalszej kolejności do pomiaru wartości skutecznej wielkości wejściowej.

11.2.3. Realizacje przetworników na bazie wzmacniaczy

Jednym z przełomowych wydarzeń w elektronice (i tym samym w technice pomiarowej) było
pojawienie się analogowych układów wzmacniaczy napięcia wykonanych w postaci układów
scalonych (rys.). Do ich charakterystycznych cech należą:
-

stopień wejściowy w postaci układu różnicowego (tzn. dalej wzmacniana jest tylko różnica
napięć podanych na wejścia: nieodwracające (+) i odwracające (–)),

Miernictwo – komentarz do wykładu

możliwość uzyskania bardzo dużej wartości wzmocnienia (co powoduje, że w zgrubnych
analizach wejściowe napięcie różnicowe traktowane jest jako pomijalnie małe),

duża rezystancja wejściowa (powodująca, że prądy wpływające do wzmacniacza są
pomijalnie małe),

mała rezystancja wyjściowa.

Rys. Symbol i przykładowa realizacja różnicowego wzmacniacza scalonego

Opracowano wiele rodzajów wzmacniaczy scalonych cechujących się specyficznymi zastosowaniami i
właściwościami. Do najważniejszych z nich należą:
- wzmacniacze operacyjne (wielorakiego zastosowania),
- wzmacniacze instrumentalne (z precyzyjnie ustawianym wzmocnieniem),
-

wzmacniacze izolujące (z galwaniczną izolacją obwodu wejściowego i wyjściowego),

wzmacniacze bardzo małych napięć (stałych lub zmiennych),

wzmacniacze o wielkiej rezystancji wejściowej.

W technice pomiarowej do najważniejszych zastosowań wzmacniaczy scalonych należy ich
wykorzystanie do budowy analogowych układów przetworników pomiarowych, pełniących te
same funkcje co proste przetworniki omówione wcześniej, lecz o lepszych właściwościach
elektrycznych. Należą do nich m.in. (rys.):
-

wzmacniacze napięcia,

- przetworniki I/U,
- przetworniki R/U,
-

przetworniki różniczkujące,

przetworniki całkujące.

Rys. Układy przetworników analogowych: a) nieodwracający wzmacniacz napięcia, b) odwracający wzmacniacz

napięcia, c) przetwornik prądu na napięcie, d) przetwornik rezystancji na napięcie, e) przetwornik różniczkujący,

f) przetwornik całkujący

11. Przetworniki pomiarowe

11.3. Przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C)

11.3.1. Podstawy przetwarzania A/C

Proces przetwarzania analogowo-cyfrowego

Zadaniem bloku przetwarzania analogowo-cyfrowego jest przekształcenie wielkości
analogowej w ciąg znaków (cyfr), najczęściej binarnych (0, 1), które mogą być dalej
przetwarzane cyfrowo. Polega na próbkowaniu, kwantyzacji i kodowaniu.

Blok przetwarzania A/C posiada jedno wejście analogowe, na które podłączona jest wielkość
analogowa x(t), oraz N

linii wyjścia cyfrowego, przyjmujących logiczne wartości 0 lub 1,

stanowiących wyjście cyfrowe (rys.).

Logiczne 0 i 1 najczęściej są ustalonymi wartościami napięcia.

Próbkowanie (dyskretyzacja w czasie) polega na pobieraniu w określonych odstępach czasu
T

wartości wielkości x(t), czyli próbek (zwykle okres próbkowania T

jest stały).

Kwantowanie (dyskretyzacja wartości) polega na przyporządkowaniu każdej próbce jednego
ze skończonej liczby poziomów wartości (poziomów kwantowania).

Kodowanie polega na przedstawieniu numeru poziomu kwantowania przyporządkowanego
próbce (liczba naturalna) w postaci kodu, będącego najczęściej uporządkowanym szeregiem
stanów dwójkowych (kod binarny).

Do najpopularniejszych kodów binarnych należy kod naturalny, w którym liczba naturalna N
zapisana jest następująco:







gdzie c

jest wartością k-tego bitu i wynosi 0 lub 1. Na przykład (w kodzie 3-bitowym) 1 to 001, 2 to 010, a 5 to

101.

Procesy próbkowania (białe punkty) i kwantowania (czarne punkty) zmiennej w czasie
wielkości analogowej (linia ciągła) przedstawiono na poniższym rysunku.

Miernictwo – komentarz do wykładu

Wynik trzeciego procesu – kodowania – zależy od liczby bitów (linii) wyjściowych. Kody
przypisane przedziałom wartości z zakresu od 0 do 1 V dla przetwarzania 1-, 2-, 3- i 4-
bitowego pokazuje kolejny rysunek.

Matematycznie dwa pierwsze etapy przetwarzania A/C można opisać następująco:

− próbkowanie (równomierne):









, x

to próbka wielkości analogowej x, a nr

próbki k jest liczba naturalną;

− kwantowanie (równomierne):



















int

, gdzie X

to skwantowana wartość

próbki, a q to kwant, czyli odległość między sąsiednimi poziomami kwantowania.

Rozważmy jeszcze problem jednoznaczności przetwarzania A/C. Z definicji opisanych
procesów wynika, że ten sam przebieg wielkości analogowej, jeżeli będzie próbkowany w
tych samych chwilach, da ten sam ciąg kodów wyjściowych. Przetwarzanie A/C z postaci
analogowej na cyfrową jest zatem jednoznaczne. Czy jednoznaczność jest zachowana także w
drugą stronę? Pytanie to można przedstawić inaczej: czy mając do dyspozycji wyjściowe
cyfry (liczby naturalne – czarne punkty na rys.) da się zaproponować tylko jeden przebieg
wielkości analogowej, dający takie próbki? Oczywiście nie, gdyż choćby w czasie między

11. Przetworniki pomiarowe

próbkami wielkość analogowa może zmieniać się dowolnie. Wzajemną jednoznaczność
przetwarzania A/C zapewnia się jednak stosując odpowiednio częste próbkowanie.

Jak to pokazali Kotielnikow i Shannon, na podstawie próbek cyfrowych można wiernie odtworzyć zmiany
wielkości analogowej pod warunkiem, że częstotliwość próbkowania była co najmniej dwukrotnie większa od
największej częstotliwości zmian tej wielkości.

Przetworniki analogowo-cyfrowe

Urządzenie realizujące przetwarzanie analogowo-cyfrowe to przetwornik A/C. Przetwarzają
one napięcie analogowe.

Precyzja przetwornika A/C (z kodowaniem dwójkowym) jest określona przez liczbę bitów N
reprezentujących największą z możliwych wartości sygnału dyskretnego. Wtedy:
− liczba poziomów kwantowania wynosi 2

− wyjście (cyfrowe) może przyjąć jedną z wartości: 0, 1, ..., 2

–1,

− kwant q (różnica pomiędzy sąsiednimi poziomami kwantowania) wynosi (x

max

–x

min

)/2

Ponieważ wartość skwantowana próbki X

jest różna od wartości próbki przed kwantowaniem

, przetwarzanie A/C wprowadza błąd kwantowania Δ







który ma charakter szumu białego.

Poniższe rysunki przedstawiają symbol przetwornika A/C stosowany na schematach układów
elektronicznych oraz jego charakterystykę przetwarzania (U

na N

Podstawowe parametry przetworników A/C można podzielić na wejściowo-wyjściowe
(we/wy), statyczne i dynamiczne. Należą do nich m.in.:
− zakres i polaryzacja wejścia,
− liczba bitów wyjściowych,
− rozdzielczość q,
− dokładność,
− czas przetwarzania.

Wejście może być unipolarne (dozwolone napięcia tylko jednego znaku) lub bipolarne (przetwarzane napięcie
może być dodatnie i ujemne).

Miernictwo – komentarz do wykładu

11.3.2. Podział przetworników analogowo-cyfrowych

Działanie przetworników A/C można zinterpretować jako działanie przyrządów
pomiarowych: realizują one odwzorowanie wartości wielkości przetwarzanej (napięcia) w
liczbę (naturalną, zapisaną binarnie). Warunkuje to ich podział, podobnie jak metod
pomiarowych, na przetworniki z porównaniem bezpośrednim i porównaniem pośrednim.

Do najważniejszych przetworników z porównaniem bezpośrednim należą przetworniki z
komparacją równoległą (ang. flash), przetworniki kompensacyjne – a wśród nich
przetworniki z kompensacją równomierną i wagową (ang. successive approximation) oraz
przetworniki sigma-delta.

Przetworniki z komparacją równoległą należą do najszybszych, jednakże ze względu na złożoną budowę (w tym
konieczność użycia tylu komparatorów, ile jest bitów wyjściowych – rys.), maja one małą rozdzielczość.

Najwolniejszymi natomiast są przetworniki sigma-delta (ΣΔ), co wynika ze złożoności przetwarzania napięcia,
na które składają się następujące etapy: próbkowanie, nadpróbkowywanie, kształtowanie szumu kwantyzacji,

11. Przetworniki pomiarowe

decymacja i filtracja cyfrowa. Dzięki temu uzyskuje się jednak najwyższą dokładność przetwarzania i liczba
bitów wyjściowych może sięgać nawet 24. Przetworniki sigma-delta zbudowane są z dwóch bloków: modulatora
analogowego (sumator, integrator, komparator, klucz) oraz bloku przetwarzania cyfrowego (decymator, filtr
cyfrowy) (rys.).

Dokładniej przyjrzyjmy się działaniu przetworników kompensacyjnych. Mają one wspólny
schemat blokowy pokazany na rysunku. Przetwornik taki realizuje ideę kompensacyjnej
metody pomiarowej (metoda zerowa), gdzie rolę regulowanego wzorca pełni przetwornik
cyfrowo-analogowy C/A (omówiony później). Cyfrowy układ sterujący tak długo reguluje
przetwornikiem C/A, aż napięcie U

zrówna się (z dokładnością do kwanta) z przetwarzanym

napięciem u

. Wynikiem przetwarzania N

(wyjściem) jest kod bitowy sterujący w tym

momencie przetwornikiem C/A.

Różnica między kompensacją równomierna i wagową polega na algorytmie zmiany słowa
cyfrowego, sterującego przetwornikiem C/A (rys.): w przypadku kompensacji równomiernej
zmienia się ono od najmniejszej wartości co jeden kwant i w najmniej korzystnym przypadku
wymaga 2

cykli porównań. W przypadku kompensacji wagowej słowo sterujące przyjmuje

wartość odpowiadającą połowie przedziału, w którym mieści się przetwarzana wartość, co
daje zawsze N cykli porównań – są zatem dużo szybsze.

W przetwornikach z porównaniem pośrednim wielkość analogowa przetwarzana jest
najpierw na inną, proporcjonalna do niej wielkość, jak np. czas lub częstotliwość, a ta
następnie na kodowaną liczbę naturalną. Wśród wielu rodzajów takich urządzeń wymienić
można m.in. przetworniki realizujące:
− pojedyncze całkowanie (metoda czasowa),
− podwójne całkowanie (metoda czasowa),
− przetworniki napięcie-częstotliwość (metoda częstotliwościowa).

Miernictwo – komentarz do wykładu

Jako przykład warto rozważyć popularny przetwornik z podwójnym całkowaniem (rys. a).
Jego działanie przebiega w dwóch etapach związanych z położeniem przełącznika P. W
pierwszej fazie na integrator (blok całkujący) podawane jest napięcie przetwarzane u

. Trwa

to przez czas T

określony przez liczbę N

impulsów pochodzących z generatora zegarowego,

a zliczonych przez licznik z wyjściem cyfrowym. Druga faza rozpoczyna się od wyzerowania
licznika i polega na podaniu na integrator stałego napięcia odniesienia (wzorcowego) U

znaku przeciwnym do u

. Napięcie u

na wyjściu integratora maleje do zera, co wykrywa

komparator, zatrzymując licznik. Zliczona w czasie T

liczba impulsów N

jest

proporcjonalna do średniej (za czas przetwarzania) wartości

u (rys. b). Dzięki temu

przetworniki te dobrze tłumią zakłócenia okresowe o okresie będącym podwielokrotnością T

i są wykorzystywane m.in. w miernikach stosowanych w przemyśle.

Od strony matematycznej napięcie na wyjściu integratora w pierwszej fazie wynosi:

 







a w drugiej:

 









Po czasie T

+ T

spada ono do zera, zatem:













Stąd:





i ostatecznie:





11. Przetworniki pomiarowe

Porównując właściwości przetworników A/C warto zwrócić uwagę na kompromis między
dokładnością przetwarzania określoną przez liczbę bitów wyjściowych, a czasem
przetwarzania, co ilustruje poniższy rysunek.

11.4. Przetworniki cyfrowo-analogowe (C/A)

Zadaniem przetworników C/A jest zamiana informacji z postaci cyfrowej (zakodowana
liczba naturalna N

) na proporcjonalną do niej (skwantowaną) wartość wielkości analogowej

). W cyfrowych/mikroprocesorowych przyrządach pomiarowych przetworniki C/A

stosowane są przede wszystkim w bloku generacji sygnału pobudzającego badany obiekt
(jeżeli zachodzi taka potrzeba). Symbol i charakterystykę przetwarzania idealnego
przetwornika C/A pokazano na poniższym rysunku.

Aby zapewnić gładkość generowanego przebiegu wielkości analogowej (pozbyć się efektu kwantowanej postaci
wyjścia) za przetwornikami C/A stosowane są dolnoprzepustowe filtry wygładzające.

Podstawowe parametry przetworników C/A obejmują parametry we/wy, statyczne i
dynamiczne. Najważniejsze z nich to:



liczba bitów wejściowych,



rodzaj sygnału wyjściowego,



zakres i polaryzacja wyjścia,



obciążalność elektryczna wyjścia,



rozdzielczość,



dokładność przetwarzania,



czas ustalania się wyjścia.

Najczęściej wielkością wyjściową z jest natężenie prądu lub napięcie, co implikuje podział
przetworników C/A na prądowe i napięciowe.

Miernictwo – komentarz do wykładu

Przykładem przetwornika prądowego C/A jest przetwornik z sumowaniem prądów. W jego
skład wchodzą źródła prądowe, których wydajności stanowią szereg geometryczny wartości
podstawowej I oraz klucze elektroniczne sterowane wartościami bitów c

cyfrowego słowa

wejściowego N

: c

= 1 zamyka klucz, a c

= 0 go otwiera (rys.).

W efekcie do węzłów wpływają (i zgodnie z I. prawem Kirchhoffa sumują się) prądy z
odpowiednich źródeł. Całkowite natężenie prądu wyjściowego I

wynosi:















zatem jest wprost proporcjonalne do N

Do przetworników napięciowych C/A należą przetworniki drabinkowe. Ich nazwa bierze się
od charakterystycznego układu struktury dzielników napięciowych zbudowanych z
rezystorów ułożonych „w drabinkę”. Poniżej przedstawiono strukturę przetwornika
drabinkowego R-2R.

Tym razem klucze elektroniczne sterowane bitami słowa wejściowego N

zwierają rezystory

2R ze źródłem napięcia wzorcowego U

= 1) lub z masą (c

= 0). W efekcie wypadkowych

wartości rezystancji dzielnika, napięcie wyjściowe U

jest wprost proporcjonalne do N

















11. Przetworniki pomiarowe

11.5. Zagadnienia kontrolne

Podstawowe rodzaje przetworników analogowych
Procesy składające się na przetwarzanie analogowo-cyfrowe
Podstawowe sposoby przetwarzania i parametry przetworników A/C
Podstawowe sposoby przetwarzania i parametry przetworników C/A

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe

12.1. Cyfrowe przyrządy pomiarowe

Cyfrowe przyrządy pomiarowe przetwarzają cyfrową reprezentację informacji o wielkości
mierzonej (uzyskaną najczęściej z wykorzystaniem przetworników A/C) wykonując operacje
na słowach cyfrowych. Słowo to ustalona liczba bitów (np. 8, 16) kodujących np. wartość
jednej próbki. Mierniki cyfrowe uzyskiwany wynik pomiaru eksponują najczęściej w postaci
cyfrowej (cyfry na wyświetlaczu).

Niektóre przyrządy, pomimo cyfrowego działania, wynik pomiaru eksponują w postaci
analogowej, która jest o wiele szybciej interpretowana przez człowieka (np. zegarki
„kwarcowe”), zwłaszcza tam, gdzie szybka interpretacja jest pożądana (np. wartości progowe
i alarmy).

Jeżeli analizowana wielkość fizyczna jest zmienna w czasie, po stronie cyfrowej odpowiada
jej ciąg słów odpowiadających kolejnym próbkom, tworzących sygnał cyfrowy. Sygnał
cyfrowy może przyjmować skończoną liczbę wartości (są one skwantowane).

Działanie przyrządów cyfrowych wynika z możliwości przesyłania i przetwarzania cyfrowej
reprezentacji informacji o wielkości mierzonej. Do najważniejszych cech takich mierników
należą:



możliwość wykonywania wielu operacji cyfrowych w określonej kolejności (zgodnie
z tzw. programem działania),



duża szybkość działania,



zwiększenie dokładności pomiarów



umożliwienie skomplikowanych pomiarów pośrednich,



łatwość obsługi (prowadzenia pomiarów),



możliwość komunikacji i wymiany danych z innymi urządzeniami.

Z budową mierników cyfrowych wiąże się jeszcze jedna (negatywna) cecha. Jest nią błąd
dyskretyzacji, którego nie ma w miernikach analogowych. Błąd dyskretyzacji wynika z
ograniczonej rozdzielczości ekspozycji wyniku na wyświetlaczach cyfrowych i jest
zdeterminowany przez pozycję dziesiętną, na której znajduje się ostatnia cyfra wyniku.

Cyfrowe przyrządy pomiarowe zawierające układy małej i średniej skali integracji, których
rozkwit przypada na lata 70. i 80. ubiegłego wieku, w zastosowaniach profesjonalnych zostały
wyparte przez mierniki mikroprocesorowe.

Specjalizowane układy cyfrowe ...

12.2. Mikroprocesorowe przyrządy pomiarowe

Postęp, który się dokonał w elektronice układowej i technologii elektronowej, umożliwił integrację bardzo wielu
układów cyfrowych na niewielkiej powierzchni kryształu krzemowego – powstały układy wielkiej i bardzo
wielkiej skali integracji, umożliwiające sekwencyjne wykonywanie operacji arytmetycznych i logicznych na

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe

słowach cyfrowych. Należą do nich mikroprocesory. Układy te wykorzystywane są w miernikach do
wykonywania obliczeń na „surowych” wynikach pomiaru oraz do sterowania pozostałymi blokami składowymi.

Mikroprocesor (μP) jest cyfrowym układem sterująco-obliczeniowym bardzo wysokiej skali
integracji. Na jego budowę składa się kilka podstawowych bloków (rys.):



jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU),



układ sterowania (CU),



zespół rejestrów,



magistrala danych,



bufory.

ALU dokonuje operacji arytmetycznych (dodawanie, odejmowanie, w nowszych procesorach również mnożenie
i dzielenie) i logicznych na bitach i słowach (np. suma logiczna AND, zaprzeczenie NOR itd.).
CU dekoduje instrukcje (w postaci słów cyfrowych) nadchodzące do μP i w oparciu o nie steruje pozostałymi
blokami.
Rejestry to wewnętrzne komórki pamięci μP, w których przechowywane są tymczasowe informacje, jak np.
rozkazy, adresy i dane.
Magistrala danych to układ równoległych linii, na których pojawiają się dane w postaci cyfrowej (tj.
zakodowane za pomocą zer i jedynek logicznych).
Bufor to rejestr przechowujący dane wejściowe/wyjściowe, odseparowujący wnętrze μP od układów
zewnętrznych.

Rys. Funkcjonalny schemat blokowy typowego mikroprocesora

Każdy mikroprocesor posiada wiele parametrów, które go charakteryzują. Dla techniki
pomiarowej najważniejszymi są cechy wpływające na precyzję i szybkość cyfrowego
przetwarzania danych pomiarowych. Należą do nich przede wszystkim:



długość słowa (w bitach) na którym wykonywane są operacje (najczęściej 8- i 16-bitowe),



maksymalna częstotliwość zegara taktującego (typowo rzędu MHz – GHz).

Mikroprocesor współpracuje z innymi elektronicznymi układami scalonymi, tworząc
strukturę systemu mikroprocesorowego (rys.). Do podstawowych elementów takiego
systemu należą:



mikroprocesor,



pamięć stała (ROM),



pamięć zapisywalna (operacyjna) (RAM),

Miernictwo – komentarz do wykładu



układy wejścia-wyjścia,



magistrale: adresowa, danych, sterująca.

ROM pełni rolę pamięci programu. Zapisane są w niej kolejne instrukcje, które ma wykonywać μP (np. w czasie
realizacji kompletnego pomiaru). Jej zawartość nie zanika po wyłączeniu zasilania.
RAM to przestrzeń pamięci, w której tymczasowo przechowywane są informacje cyfrowe (np. wyniki obliczeń
pośrednich). Jej zawartość niknie przy braku zasilania lub podtrzymania zasilania.
Układy we-wy pośredniczą w wymianie informacji między systemem mikroprocesorowym a urządzeniami
zewnętrznymi (tzw. układami peryferyjnymi), takimi jak np. przetworniki A/C, klawiatura, wyświetlacz cyfrowy
itd.

Magistrale to układy równoległych linii służące do przesyłania w systemie słów cyfrowych kodujących: adresy,
dane i rozkazy (często są one fizycznie rozdzielone).
Każdy układ systemu mikroprocesorowego (poza μP) posiada swój własny adres cyfrowy, który
wykorzystywany jest przez do ustalenia, z którym z nich będzie się teraz komunikował μP.

Rys. Schemat blokowy typowego systemu mikroprocesorowego

Dzięki postępowi w obszarze technologii elektronowej, obecnie kompletne systemy
mikroprocesorowe, uzupełnione o inne specjalistyczne układy, mogą być produkowane jako
pojedyncze układy scalone. Należą do nich mikrokontrolery, procesory sygnałowe. Podobne
funkcje można uzyskać stosując programowalne układy logiczne.

Rys. Przykładowa struktura blokowa mikrokontrolera.

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe

Mikrokontrolery (μC) to systemy mikroprocesorowe zrealizowane w postaci pojedynczego
układu scalonego. Poza μP posiadają one zatem pamięć RAM, często (programowalną
zewnętrznie) pamięć ROM oraz rozbudowane układy we-wy. Bardzo często zintegrowane są
w nich niektóre układy peryferyjne, jak np. przetworniki A/C czy sterowniki wyświetlaczy
ciekłokrystalicznych (LCD). W technice pomiarowej wykorzystywane są do sterowania
działaniem miernika i przeliczania „surowych” wyników pomiarów.

Warto zauważyć, że μC zawierający przetwornik A/C to prawie kompletny miernik mikroprocesorowy.
Wystarczy go uzupełnić o zasilacz, blok analogowy (przetworzenie na napięcie i kondycjonowanie),
wyświetlacz i oprogramować.

Procesory sygnałowe (DSP) są mikroprocesorami przystosowanymi do cyfrowego
przetwarzania sygnałów (w tym sygnałów pomiarowych) w czasie rzeczywistym. W skład ich
budowy, poza μP, wchodzą rozdzielone pamięci programu (ROM) i danych (RAM) oraz
przetworniki A/C i C/A. Specjalistyczne rozwiązania sprzętowe DSP umożliwiają efektywne
wykonywanie typowych operacji występujących przy cyfrowym przetwarzaniu sygnałów (w
tym transformację danych w dziedzinę częstotliwości i z powrotem w dziedzinę czasu).

Rys. Ogólna struktura działania procesorów sygnałowych.

Programowalne układy logiczne (PLD) pozwalają na budowę złożonych układów cyfrowych,
co uzyskuje się w procesie programowania ich struktury i funkcji (nie jest to robione na etapie
produkcji). Podejście takie pozwala zoptymalizować powstające urządzenie pod względem
wykonywanych przez nie zadań.

Mierniki mikroprocesorowe budowane są w oparciu o systemy mikroprocesorowe. Typowa
struktura systemu musi być w nich uzupełniona o dodatkowe bloki umożliwiające m.in.
wprowadzenie wielkości mierzonej (najczęściej analogowej) czy ekspozycję wyniku pomiaru.
Ogólną strukturę miernika mikroprocesorowego przedstawia poniższy rysunek.

Rys. Schemat blokowy miernika mikroprocesorowego

Miernictwo – komentarz do wykładu

Do podstawowych bloków (wcześniej omawianych) należą:



analogowy blok czujników, przetworników wejściowych i kondycjonowania sygnału
(A/A),



blok przetwarzania AC/DC

(przetworniki AC/DC stosowane były tylko w prostszych miernikach

mikroprocesorowych; obecnie ich rolę przejmują fragmenty oprogramowania, co redukuje cenę
wytworzenia)



przetwornik A/C,



system mikroprocesorowy,



bloki komunikacji z użytkownikiem (płyta czołowa, klawiatura, urządzenia odczytowe),



blok generacji sygnałów pobudzających.

12.3. Cyfrowe przetwarzanie danych pomiarowych

Głównym atutem mierników mikroprocesorowych, dzięki któremu zdominowały dziś one
pomiary nie tylko profesjonalne, jest możliwość cyfrowego przetwarzania danych
pomiarowych pojawiających się na wyjściu przetwornika A/C. Wytworzone w przetworniku
A/C cyfrowe próbki nazywane są „surowymi” wynikami pomiaru. Na nich przeprowadzone
są dalsze, czasami złożone operacje matematyczne. Dzięki temu przetwarzaniu można
zwiększyć dokładność pomiarów, a z surowych danych wydobyć użyteczne informacje,
nieosiągalne innymi technikami.

Aspekty cyfrowego przetwarzania danych omawiane są szczegółowo na różnych kursach,
obejmujących sumarycznie kilka semestrów. W tym miejscu ogólnie przedstawione zostaną
tylko wybrane zagadnienia, mające bezpośrednie zastosowanie w technice pomiarowej.

12.3.1. Przetwarzanie próbek w dziedzinie czasu

Mierniki mikroprocesorowe znajdują zastosowanie w każdej gałęzi pomiarów, można zatem
nimi mierzyć te same wielkości, które dawniej mierzono przyrządami analogowymi. Należą
do nich m.in. parametry sygnałów zmiennych, obliczane na podstawie uzyskanych próbek w
dziedzinie czasu. Tym razem ciągły operator całkowania zastępowany jest dyskretnym
operatorem sumy.
Wartość średnia sygnału pomiarowego (składowa stała) x

obliczana powinna być z N

próbek (x

) obejmujących całkowitą wielokrotność okresu T badanego sygnału próbkowanego

z okresem T

śr













gdzie f

to częstotliwość próbkowania.

Składowa zmienna x

danej próbki sygnału pomiarowego wyznaczana jest jako różnica

wartości tej próbki i wcześniej obliczonej składowej stałej:





12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe

Analogicznie, wartość skuteczna x

obliczana jest przez podnoszenie próbek do kwadratu,

sumowanie ich i normowanie przez N, oraz pierwiastkowanie:













Z powyższych wzorów wynika, iż wynik przetwarzania cyfrowego może być obarczony dużym błędem, jeżeli
do obliczeń wzięta zostanie nieodpowiednia liczba próbek (obejmujących niepełne okresy). Błąd ten można
zredukować pobierając próbki w długim odcinku czasu (którego różnica od całkowitej wielokrotności okresów
jest pomijalna) lub stosując dodatkowe układy elektroniczne lub procedury pomiarowe wykrywające początek
okresu.

Możliwość obliczenia wartości parametrów badanych sygnałów w oparciu o ich definicje pozwala
wyeliminować z przyrządów pomiarowych analogowe układy elektroniczne, które wyznaczają wynik pomiaru
(np. przetworniki AC/DC), tym samym zmniejszając koszty produkcji i zwiększając niezawodność mierników.

12.3.2. Przetwarzanie w dziedzinie częstotliwości

Zupełnie nową cechą mierników mikroprocesorowych, w porównaniu z tradycyjnymi, jest
możliwość transformacji "surowych" wyników pomiarów z dziedziny czasu w dziedzinę
częstotliwości i wykonanie operacji matematycznych na tej drugiej reprezentacji. Po
zakończeniu obliczeń ich wyniki ponownie transformowane są w dziedzinę czasu.

Podstawą transformacji częstotliwościowych jest twierdzenie Fouriera. Mówi ono, że każdy
sygnał okresowy x(t) można przedstawić jako następującą sumę sinusoid (lub innych,
podobnych funkcji okresowych):

 





















sin

gdzie każda z sinusoid ma swą własną amplitudę A

i przesunięcie fazowe φ

, natomiast

kolejne częstotliwości f

= k·f są kolejnymi, całkowitymi wielokrotnościami (harmonicznymi)

częstotliwości podstawowej f.

Jean B.J. Fourier, matematyk francuski (XVIII/XIX w.) udowodnił swe twierdzenie po tym, jak zainteresował
się opisem drgania struny skrzypcowej – stąd wielokrotności częstotliwości podstawowej zwane są
częstotliwościami harmonicznymi.

Ilustracją zastosowania twierdzenia może być suma odpowiednich 10. sinusoid budująca powoli przebieg
prostokątny (rys.). Zafalowania na krawędziach noszą nazwę efektu Gibbsa.

Miernictwo – komentarz do wykładu

Rys. Suma od 1 do 10 sinusoid z szeregu Fouriera

Próbki z dziedziny czasu x(n) przeliczane są na próbki w dziedzinie częstotliwości X(k) za
pomocą dyskretnej

(tj. operującej na wartościach punktowych, a nie funkcjach ciągłych)

transformaty

Fouriera (DFT), zgodnie ze wzorem:

 











gdzie j jest jednostką urojoną.

Zamiast używać funkcji trygonometrycznych, transformatę sinusoidy o określonej
częstotliwości (a zatem związek pomiędzy jej dwoma pozostałymi parametrami – amplitudą i
fazą) można przedstawić za pomocą jednej liczby: liczby zespolonej.

Można też dokonać dyskretnej transformaty odwrotnej (DIFT), przeliczając dane
częstotliwościowe na próbki w dziedzinie czasu:

 







W systemach mikroprocesorowych, takich jak np. procesory sygnałowe, wykorzystuje się pewien szybki
algorytm obliczeniowy, zwany szybką transformatą Fouriera (FFT). Podobnie postępuje się z transformatą
odwrotną.

Istnieje wiele zastosowań pomiarowych, w których wykorzystuje się FFT i dalsze
przetwarzanie tak uzyskanej informacji częstotliwościowej. Jako przykładowe wymienić
można:



pomiar widma sygnału (tzn. jego zawartości częstotliwościowej),



filtrację częstotliwościową,



analizę właściwości układów dynamicznych.

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe

12.3.3. Transformacja w dziedzinę czasu i częstotliwości

Jeżeli częstotliwościowe właściwości badanego sygnału zmieniają się w czasie (sygnały
niestacjonarne), to lepszym narzędziem od klasycznej analizy częstotliwościowej jest
transformacja zarejestrowanych próbek w dziedzinę czas-częstotliwość (lub czas-skala). Do
takich przekształceń należy m.in. krótkoczasowa transformata Fouriera (STFT) i wiele
innych.

Przykładem zastosowania transformacji może być przeliczenie próbek sinusoidalnego sygnału
analogowego o stałej amplitudzie i liniowo narastającej częstotliwości (rys. a): w efekcie
powstaje reprezentacja (rys. b), z której wynika, że w czasie ok. 0,8 s częstotliwość badanego
sygnału wzrosła liniowo od ok. 25 do 200 Hz, a jego amplituda była stała.

12.3.4. Złożone pomiary pośrednie

Złożone pomiary pośrednie, zgodnie z definicją, polegają na wyznaczeniu (w jednym cyklu
obliczeniowym) wartości kilku wielkości badanych na podstawie wyników pomiarów
bezpośrednich i związku matematyczno pomiędzy tymi pomiarami i poszukiwanymi
właściwościami. Związek ten najczęściej dany jest przez model matematyczny f

badanego

obiektu fizycznego. Można go przedstawić jako odwzorowanie pobudzeń obiektu x(t) na jego
reakcję y(t) (rys.).

(u,



)

y(t)

u(t)

z(t)

Formalnie związek ten wyrażamy jako:

 









gdzie θ to wektor parametrów modelu (współczynniki w równaniach odzwierciedlające pewne właściwości
fizyczne badanego obiektu), a z to zakłócenia (źródło addytywnych błędów przypadkowych).

Miernictwo – komentarz do wykładu

Dużą grupę modeli matematycznych obiektów fizycznych stanowią modele liniowe pod
względem parametrów (tzn. wyjście modelu y

jest liniową kombinacją jego parametrów θ).

Wtedy równanie modelowe przybiera postać:

 

















Wpływ poszczególnych parametrów na wyjście modelu wyznacza się obliczając macierz
wrażliwości X zdefiniowaną następująco:





gdzie y

to wektor zawierający wartości chwilowe (próbki) wyjścia modelu.

Model liniowy można teraz zapisać w postaci dyskretnej:

Xθ



Pomiar pośredni polega na bezpośredniej rejestracji (poprzez przetwarzanie A/C) wielkości
pobudzającej u i reakcji obiektu y, co daje wektory próbek u i y. Wielkościami mierzonymi
pośrednio x

(a zatem obliczanymi) są parametry θ, co formalnie można zapisać jako

rozwiązanie zadania odwrotnego:

 





gdzie „daszek” nad wektorem parametrów mówi o tym, że wyznaczone wartości są tylko oszacowaniem
wartości prawdziwych, gdyż w obliczeniach zamiast y

użyto danych y z zakłóceniami (błędami

przypadkowymi).

Wyznaczenie w tym przypadku wyniku pomiaru pośredniego wymaga zastosowania
odpowiedniego algorytmu obliczeniowego. Algorytm taki rozwiązuje zadanie z grupy
problemów optymalizacyjnych polegające na znalezieniu takich wartości wektora θ, aby
model leżał jak najbliżej danych eksperymentalnych (wyników pomiarów bezpośrednich).
Odległość ta w przestrzeni L

dana jest przez funkcjonał V

 







 



Xθ













Poszukiwanie

θˆ

minimalizującego ten funkcjonał:

 

min

arg



nosi nazwę metody najmniejszych kwadratów. Poszukiwany wektor znajduje się korzystając
ze standardowych kryteriów na minimum funkcji:











12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe

Po dokonaniu odpowiednich przekształceń, oszacowanie wartości parametrów (wynik
pośredniego pomiaru złożonego) w zapisie macierzowym dane jest równaniem:

 





Przykład: Pośredni pomiar czułości i przesunięcia (offsetu) czujnika na podstawie bezpośrednich pomiarów
charakterystyki statycznej (tj. wartości wejściowych u i odpowiadających im wartości wyjściowych y).

Model przetwornika ma w tym przypadku postać równania prostej:



 



gdzie θ

to czułość, a θ

to offset przetwornika. Macierz wrażliwości X przyjmuje zatem postać:





































12.3.5. Metody sztucznej inteligencji w pomiarach

Bardzo obszernym i nadal szybko rozwijającym się działem przetwarzania danych cyfrowych
są metody sztucznej inteligencji, które w sposób algorytmiczny naśladują procesy
podpatrzone w naturze. Wykorzystywane są one również do wspomagania procesów
pomiarowych, zwłaszcza przy przetwarzaniu „surowych” danych wielowymiarowych (gdy
jednocześnie mierzonych jest bezpośrednio lub później przetwarzanych wiele wielkości). Do
najważniejszych grup metod sztucznej inteligencji stosowanych w metrologii należą:



techniki rozpoznawania obrazów,



metody optymalizacyjne: sztuczne sieci neuronowe (SSN), algorytmy ewolucyjne (AE)

itp.,



logika rozmyta.

Przykład: Ślepa separacja sygnałów pomiarowych
Separacja taka polega na wykryciu i rozdzieleniu kilku sygnałów deterministycznych zmieszanych ze sobą i
zamaskowanych szumem pomiarowym. W przykładzie poniższym (rys. a) cztery sygnały: prostokątny,
trójkątny, sinusoidalny zmodulowany amplitudowo (AM) i sinusoidalny zmodulowany fazowo (FM)
zsumowano z szumem białym o amplitudzie większej o kilka rzędów, a następnie jeszcze zmieniono znak.

Miernictwo – komentarz do wykładu

Taki sygnał (praktycznie sam szum) podany został na wejście odpowiednio przygotowanej SSN, na której
wyjściu po czasie ok. 0,3 s pojawiły się rozdzielone sygnały (rys. b), których parametry mogą być już
zmierzone.

12.3.6. Błędy numeryczne

Cyfrowe przetwarzanie danych pomiarowych, poza szeregiem wymienionych powyżej zalet,
wprowadza jednak specyficzne niedokładności zniekształcające ostateczny wynik pomiaru.
Tę dodatkową niedokładność nazywa się błędem numerycznym.

Wykonywanie działań na cyfrowej reprezentacji mierzonej wielkości, poza wspomnianym już
wcześniej błędem kwantyzacji w przetworniku A/C, pociąga za sobą dalsze zniekształcenia
wynikające m.in. z:



reprezentacji liczb w systemie mikroprocesorowym

(precyzja, z jaką liczby są zapisywane i

przechowywane, jest ograniczona)



dyskretyzacji działań

(zamiast np. występujących w definicjach operatorów ciągłych, jak całka, musza

być stosowane ich dyskretne odpowiedniki, jak suma)



obliczeń iteracyjnych

(wiele algorytmów obliczeniowych powtarza pewne zestawy operacji w pętlach,

co powoduje, że błędy numeryczne powielają się i narastają)



źle dobranych parametrów algorytmów

(większość złożonych algorytmów numerycznych posiada

swoje własne parametry, których złe ustawienie zwiększa niedokładność obliczeń)

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe

Na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci opracowano wiele metod redukcji błędów
numerycznych. Efektem tych prac jest m.in. możliwość ustawiania tolerancji (kontrolowanej
względnej dokładności obliczeń) w algorytmach numerycznych czy metody regularyzacji
obliczeń wykorzystujących odwracanie macierzy. Nie mniej istotna jest jednak bardzo dobra
znajomość poszczególnych metod i algorytmów obliczeniowych przez ich użytkowników.

12.4. Zagadnienia kontrolne

Podstawowe cechy cyfrowych przyrządów pomiarowych
Elementy wchodzące w skład systemu mikroprocesorowego
Bloki składowe i działanie mikroprocesorowych przyrządów pomiarowych
Cyfrowe przetwarzanie danych pomiarowych w dziedzinach czasu i częstotliwości
Pośrednie pomiary złożone z wykorzystaniem metody najmniejszych kwadratów

13. Systemy pomiarowe

13.1. Pojęcia podstawowe

System pomiarowy to zorganizowany zespół elementów objętych wspólnym sterowaniem,
przeznaczony do pobierania informacji pomiarowych z badanego obiektu, ich przetwarzania i
przekazywania użytkownikowi w zoptymalizowanej formie.

Jednostką sterującą (kontrolerem) najczęściej jest komputer z odpowiednim
oprogramowaniem, a pozostałymi elementami są urządzenia pomiarowe i inne urządzenia
pomocnicze (np. drukarka).

13.2. Struktury systemów pomiarowych

Sygnały występujące w systemach pomiarowych, ze względu na ich funkcje, podzielić można
na:



informacyjne (np. dane pomiarowe),



organizacyjne (np. adresy, sygnały sterujące).

Kontroler i mierniki łączone są w systemach pomiarowych na różne sposoby (w różnych
topologiach), co przejawia się w różnych sposobach przekazywania sygnałów informacyjnych
i sterujących między elementami składowymi systemu (rys.).

Rys. Konfiguracje systemów pomiarowych: a) sekwencyjna, b) gwieździsta, c) liniowa, d) pętlowa (K to

kontroler, BF to bloki funkcyjne, w przypadku systemów pomiarowych – mierniki).

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe

Konfiguracja sekwencyjna cechuje się tym, że sygnały informacyjne przechodzą kolejno
przez wszystkie urządzenia, a sygnały organizacyjne kierowane są z kontrolera bezpośrednio
do każdego z nich. Kontroler zajmuje w niej szczególne miejsce.

Konfiguracja gwieździsta posiada kontroler, który pośredniczy w przekazywaniu każdej
informacji, także tych przesyłanych między miernikami. Tak budowane są proste systemy
pomiarowe. Kontroler zajmuje w nich miejsce centralne.

Konfiguracja magistralowa (liniowa) to taka, w której wszystkie elementy dołączane są
równolegle do magistrali informacyjno-sterującej, żadne z nich nie zajmuje wyróżnionego
miejsca w topologii systemu, a kontrolerem może być dowolne z urządzeń posiadających
takie możliwości. Systemy budowane w tej konfiguracji charakteryzują się największą
elastycznością.

Konfiguracja pętlowa posiada wszystkie linie jednokierunkowe, a kontroler nie zajmuje w
niej wyróżnionego miejsca. Tak budowane systemy cechują się najmniejszą szybkością
działania.

W rzeczywistości wiele systemów ma konfigurację mieszaną, w której różne ich części
budowane są w jednej z powyżej przedstawionych konfiguracji.

Współpraca systemów pomiarowych jest możliwa do osiągnięcia po ich połączeniu
umożliwiającym przesyłanie sygnałów informacyjnych i sterujących oraz przypisaniu
jednemu z nich funkcji systemu nadrzędnego (M – master), a pozostałym statusu systemów
podrzędnych (S – slave). Typowe połączenia to struktury: drzewiasta, gwieździsta i pętlowa
(rys.).

Rys. Przykłady połączeń systemów pomiarowych: a) drzewiasta, b) gwieździsta, c) pętlowa

13.3. Transmisja danych

Najważniejszą informacją przesyłaną w systemach pomiarowych są dane pomiarowe
pozyskiwane przez poszczególne mierniki. Stosowanych jest kilka odmiennych rodzajów
transmisji. Najważniejsze z nic to:



transmisja równoległa,



transmisja szeregowa,



transmisja szeregowo-równoległa.

Miernictwo elektroniczne - skrypt

Transmisja równoległa (rys.) polega na ustawieniu przez nadajnik w jednej chwili
(wyznaczonej przez impuls sygnału zegarowego) zakodowanego słowa cyfrowego na
równoległych liniach (szyna danych), do których podłączony jest też odbiornik. Z tego
powodu transmisja równoległa jest szybka, lecz jednocześnie sprawna tylko na małych
odległościach. Ograniczenie to wynika z istniejących pomiędzy liniami pojemności,
rosnących wraz z długością szyny.

Rys. Ilustracja idei transmisji równoległej

Transmisja szeregowa (rys.) polega na ustawianiu przez nadajnik na jednej linii kolejnych
bitów przesyłanego słowa (zmiany stanów wyznaczane są przez impulsy zegarowe).
Odbiornik kolekcjonuje te bity, składając ostatecznie całe słowo. Dlatego też transmisja
szeregowa jest wolniejsza od równoległej, ale za to działa poprawnie na dużych
odległościach.

Rys. Typy transmisji szeregowej (N – nadajnik, O – odbiornik)

W zależności od tego, czy urządzenie jest nadajnikiem, odbiornikiem, czy też może pełnić
obie funkcje, oraz od liczby linii używanych do transmisji danych, połączenie szeregowe
może być typu (rys.):
− sympleks (informacja może być przesyłana tylko jednokierunkowo),
− półdupleks (przesyłanie i odbieranie informacji odbywa się naprzemiennie, powodując

spadek szybkości transferu),

− dupleks (informacja może być przesyłana w obu kierunkach jednocześnie, bez spadku

szybkości transferu).

Komunikacja między dwoma urządzeniami wymaga koordynacji transmisji tak, aby było
wiadomo, kiedy rozpoczyna się przesyłanie informacji i kiedy kończy. Pod tym względem
transmisja dzieli się na:

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe



synchroniczną (nadawanie i odbieranie w chwilach wyznaczonych przez impulsy
zegarowe),



asynchroniczną (sygnalizacja początku i końca transmisji).

13.4. Interfejsy pomiarowe

Interfejs to układ pośredniczący między elementami składowymi systemu lub różnymi
systemami (rys.). Stanowi on integralną część urządzenia działającego w systemie i wypełnia
kilka funkcji. W systemach pomiarowych przyjęło się kilka interfejsów, zwanych stąd
pomiarowymi.

Rys. Kanał interfejsu między dwiema jednostkami

Do najważniejszych funkcji interfejsu należą:



przekazywanie sygnałów organizacyjnych i informacyjnych,



konwersja (dostosowanie typu danych, np. sposobu kodowania, do danej jednostki

systemu),



synchronizacja transmisji,



żądanie obsługi przerwania (zmiany kolejności operacji wykonywanych przez procesor),



buforowanie (chwilowe przechowywanie danych),



korekcja błędów (żądanie ponownej transmisji po detekcji błędu).

Szeroka gama możliwości konstrukcyjnych interfejsów wymusza działania ujednolicające,
podejmowane przez producentów i odpowiednie instytucje krajowe i międzynarodowe, które
ostatecznie przyjmują formułę prawną. Zdefiniowany na tej drodze standard interfejsu
obejmuje przede wszystkim:



zgodność konstrukcyjną (rozmiary, materiały itp.),



zgodność elektryczna (m.in. poziomy sygnałów kodujących "0" i "1"),



zgodność stosowanych kodów i protokołów transmisji.

Magistrala interfejsu to droga komunikacyjna między elementami systemu, która składa się
z jednej lub wielu linii sygnałowych, zazwyczaj pogrupowanych w tzw. szyny, z których
najważniejsze to szyna: danych, adresowa, rozkazów, sterowania, zasilania.

13.4.1. Interfejsy szeregowe

Interfejsy szeregowe były pierwszymi interfejsami umożliwiającymi budowę systemów
cyfrowych, w tym pomiarowych.

Standard RS-232 (V.24) został opracowany i zatwierdzony na początku lat 60-tych ubiegłego
wieku w Stanach Zjednoczonych (i używany do dziś). Służył pierwotnie do łączenia stacji

Miernictwo elektroniczne - skrypt

roboczych z komputerem centralnym (wtedy był rzadkością) za pośrednictwem sieci
telefonicznej i modemów analogowych. Do jego najważniejszych cech należą:



łączenie tylko pary urządzeń,



odległość między urządzeniami do 15 m,



szybkość transmisji do 20 kbit/s,



linie danych, sterujące, synchronizacji, masy,



parametry sygnałów (logika ujemna sygnału danych): 1: -15÷-3 V, 0: 3÷15 V,



transmisja: asynchroniczna (z kontrolą błędów) lub synchroniczna,



pętla prądowa (20 mA): odległość do kilkuset metrów.

Przykład protokołu transmisji asynchronicznej z kontrolą parzystości pokazano na rys.

Rys. Format słowa transmisji asynchronicznej w standardzie RS-232C

Standard RS-485 to jedno z kolejnych opracowań, powstałe na początku lat 80-tych XX w. w
USA, które następnie zdobyło dużą popularność. Standard ten pokonywał ograniczenie RS-
232 polegające na współpracy jedynie dwóch urządzeń oraz pozwalał na szybszą transmisję
danych. Jego główne cechy to:



rozszerzenie ilości nadajników i odbiorników na jednej linii transmisyjnej (do
kilkudziesięciu),



zwiększenie odporności na zakłócenia (odległość do 1200 m, szybkość do 10 Mbit/s),



nadajniki trójstanowe,



różnicowe napięcie nadajnika (min -1.5÷1.5 V).

Rys. Przykład toru transmisji w standardzie RS-485

Standard USB (Uniwersalny Port Szeregowy) jest obecnie najpopularniejszym interfejsem
szeregowym, stosowanym również w najnowszych typach mierników mikroprocesorowych.
Za jego pomocą można podłączyć do urządzenia pełniącego rolę kontrolera (np. komputer)
wiele urządzeń podrzędnych, w tym przyrządy pomiarowe (uniemożliwia to jednak
bezpośrednie połączenie dwóch komputerów lub dwóch urządzeń peryferyjnych). Podłączone
urządzenia są automatycznie wykrywane. Za komunikację z nimi odpowiadają programy
zwane sterownikami.

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe

Szybkość transmisji jest zależna od typu (1.1, 2.0 lub 3.0 – dodatkowe, ekranowane pary
przewodów typu dupleks) i wynosi od 1,5 Mbit/s (specyfikacja z 1998 r.) do 4,8 Gbit/s
(specyfikacja z 2008 r.).

Transmisja odbywa się przy wykorzystaniu dwóch przewodów. Magistrala zawiera również
linię zasilającą (+5 V) i masy. Maksymalnym pobór prądu z interfejsu wynosi 0,5 A.

USB jest interfejsem zbudowanym w standardzie Plug and Play, co pozwala za jego pomocą
łączyć urządzenia w sieć o topologii drzewa. W całej sieci można podłączyć do 127 urządzeń
USB (ograniczeniem może być pobór mocy). W jednej sieci mogą pracować urządzenia o
różnych szybkościach transmisji.

Rys. Struktura systemu z interfejsem USB

13.4.2. Interfejsy równoległe

Standard IEC-625 (IEEE-488, HP-IB, GPIB) ma początki sięgające początku lat 70-tych
ubiegłego wieku, kiedy to amerykańska firma Hewlett-Packard jako pierwsza opracowała
sprawnie działający interfejs równoległy HP-IB (pojemności między liniami zredukowano
rozdzielając linie sygnałowe liniami masy – efekt ekranowania). Po udostępnieniu tego
standardu innym producentom przyjęto nazwę GPIB. Ostatecznie zatwierdzono go w Stanach
Zjednoczonych w 1975 r. jako IEEE-488, a następnie w Europie i Polsce pod nazwą IEC-625.
Cechy jego budowy i działania to (rys.):



konfiguracja magistralowa: wszystkie urządzenia podłączone równolegle do wspólnej
magistrali,



magistrala: 8 linii danych, 3 linie synchronizacji, 5 linii sterowania i 9 linii masy,



maksymalna liczba dołączonych urządzeń: kontroler + 14 (każde ma swój adres),



napięcia nadajnika: 0: <0,5 V, 1: >2,4 V,



odległość pomiędzy dwoma urządzeniami: do 2 m (całkowita długość okablowania: do 20
m),



szybkość transmisji: do 1 MB/s,

Miernictwo elektroniczne - skrypt



podstawowe procedury interfejsu: przesyłanie danych, odpytywanie (szeregowe lub
równoległe), przekazywanie sterowania.

Rys. Struktura systemu pomiarowego w standardzie IEC-625

Rozszerzenie możliwości konfiguracyjnych systemów pomiarowych budowanych na bazie
IEC-625 wymaga zastosowania ekspanderów (urządzeń buforujących magistralę IEC-625), co
pozwala na stosowanie struktury gwieździstej (maksymalnie: kontroler + 14×14 urządzeń
peryferyjnych).

Rys. System pomiarowy z ekspanderami w konfiguracji gwieździstej

Standard VXI został opracowany pod koniec lat 80-tych XX w. na zamówienie Sił
Powietrznych Stanów Zjednoczonych (miał być stosowany na myśliwcach lotniskowców)
przez konsorcjum głównych firm amerykańskich. Jego zadaniem było połączenie transmisji
równoległej (IEEE-488) z szybkością interfejsu VME (Motorola) oraz małe rozmiary i duża
odporność mechaniczna. Standard ten szybko został przekazany do zastosowań
komercyjnych. Główne cechy VXI to (rys.):



integracja modułowych systemów pomiarowych: kaseta, płyta główna i karty modułowe,



znormalizowane wymiary kart modułowych (EUROCARD),

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe



magistrala VXI: 8 typów szyn zgrupowanych w trzy magistrale,



szyny 8-, 16-, 24- i 32-bitowe,



transmisja danych do 40 MB/s,



do 256 urządzeń połączonych w hierarchiczną strukturę drzewiastą,



sterowanie systemem za pomocą komputera zewnętrznego lub komputera modułowego.

Rys. Moduły i szyny standardu VXI

Standard PXI (NI) powstał na bazie magistrali PCI znanej z architektury komputerów PC z
zamysłem wykorzystania go do akwizycji danych i sterowania w systemach pomiarowych.
Pozwala to na wykorzystanie w systemie niedrogiej, elastycznej i nowoczesnej technologii
PC (sprzęt i system operacyjny). Dzięki temu standard PXI zaczyna dominować w
zastosowaniach przemysłowych. Budowane w tym standardzie systemy mają charakter
modułowy – składają się z kasety oraz umieszczonych w niej modułów w formie Eurokarty, z
których jeden jest kontrolerem. Moduły komunikują się z wykorzystaniem rozszerzonej
magistrali PCI (równoległa) lub PCI Express (PCIe, szeregowy pełny duplex) (rys.).

Rys. Organizacja sytemu pomiarowego z interfejsem PXI

Miernictwo elektroniczne - skrypt

Do podstawowych elementy składowych i cech magistrali PXI należą:
-

wewnętrzna magistrala PCI 32 lub 64 bitowa z transmisją 132 lub 264 MB/s,

- (lub) wewnętrzna magistrala PCI Express z transmisją do 32 GB/s,
- szyna wyzwalania (opcjonalna),
-

szyny lokalne łączące sąsiadujące moduły,

linia sygnału zegarowego 10 MHz,

linie wyzwalania w systemie połączeń gwiazdowych.

Systemy pomiarowe zbudowane w standardzie PXI można łączyć z zewnętrznymi
komputerami za pomocą szybkiego łącza szeregowe MXI (1,5 Gb/s), natomiast kasety z
wykorzystaniem modułu sterującego MXI i odpowiedniej kary PCI/PCIe (rys.). Komputer
rozpoznaje moduły kasety PXI jako urządzenia PCI.

Rys. Połączenie systemu pomiarowego PXI z komputerem oraz kasety PXI z komputerową kartą PCI

13.4.3. Interfejsy bezprzewodowe

Interfejsy bezprzewodowe realizują szeregową transmisję danych, wykorzystując fale
elektromagnetyczne z zakresu podczerwieni lub częstotliwości radiowych (RF). W systemach
pomiarowych stosowane są stosunkowo od niedawna. Do najpopularniejszych interfejsów
należą:



IrDA (IBM, HP, Sharp - Infrared Data Association): szybkość transmisji danych pomiędzy

9,6 kb/s ÷ 4 Mb/s za pośrednictwem promieniowania podczerwonego (850-900 nm, 100
mW) na odległość do ok. 1 m (urządzenia muszą znajdować się naprzeciw siebie, nie
może być przeszkód w torze transmisji);



ZigBee: stosowany w sieciach czujnikowych i biurowych, typy: koordynator, router i

urządzenie końcowe, transmisja radiowa do 250 kb/s (zasięg między węzłami sieci do 100
m);



Bluetooth (Ericsson): transmisja radiowa 1÷2 Mb/s w komunikacji między urządzeniami
pomiarowymi (zasięg do 100, 10 lub 1 m).

13.4.4. Interfejsy specjalizowane

Interfejsy te stosowane są głównie w sterownikach budowanych na bazie mikrokontrolerów i
służą do komunikacji między elementami takiego systemu. Do najpopularniejszych należą:

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe



CAN (Intel, Bosch): prosty i niezawodny kontroler obszaru sieci o transmisji danych

skrętką dwużyłową przekraczającej 1 Mb/s, stosowany przede wszystkim w przemyśle
motoryzacyjnym i lotniczym do komunikacji miedzy dużą liczbą czujników
rozmieszczonych w pojeździe;



C (Philips): zapewnia synchroniczną komunikację (linie: danych i synchronizacji)

między układami scalonymi w urządzeniach elektroniki powszechnego użytku.

13.5. Integracja systemów pomiarowych

Na strukturę systemów pomiarowych można też spojrzeć pod kątem stopnia integracji
poszczególnych elementów składowych. Poniżej przedstawiono główne typy struktur, od
najwyższego do najmniejszego stopnia integracji.

Czujniki inteligentne są najbardziej zintegrowanymi systemami pomiarowymi (rys.). W
jednej obudowie zamyka się czujnik (lub zespół czujników) przetwarzający wielkość
analogową na napięcie (A/U), przetwornik A/C (przetwarzane jest napięcie na postać cyfrową
U/A) oraz mikrokontroler przetwarzający dalej dane pomiarowe cyfrowo (C/C). Czujniki
inteligentne posiadają swoje własne interfejsy.

Rys. Schemat blokowy czujnika inteligentnego

Przyrządy wirtualne budowane są na bazie komputera osobistego wyposażonego w kartę
akwizycji i sterowania (DAQ) – wpinaną w płytę główną PC lub dołączaną przez USB do
laptopów – oraz specjalistyczne oprogramowanie (rys.). Oprogramowanie to zarządza
czujnikami podłączonymi do przetworników A/C karty oraz wytwarza na ekranie komputera
obraz płyty czołowej symulowanego typu miernika. Takie systemy cechują się dużą
elastycznością – w tej samej konfiguracji sprzętowej można zrealizować różna przyrządy
pomiarowe (np. woltomierz czy oscyloskop – rys.).

Rys. Wirtualny system pomiarowy z kartą akwizycji i przetwarzania danych

Miernictwo elektroniczne - skrypt

Rys. Przykład wirtualnego oscyloskopu

Sieci lokalne to najbardziej typowa struktura systemu pomiarowego. Kontroler i urządzenia
pomiarowe znajdują się w pobliżu i współpracują ze sobą za pośrednictwem omówionych,
przewodowych interfejsów szeregowych lub równoległych (rys.).

Rys. Komputerowy system pomiarowy z przyrządami dołączanymi poprzez interfejs IEEE-488

Rys. Komputerowe system pomiarowe z interfejsami RS-232 i RS-485

Sieci rozproszone obejmują swym działaniem duże tereny i w celach komunikacji
wykorzystują ogólnie dostępne sieci teleinformatyczne – przewodowe i bezprzewodowe.

Do typowych struktur przewodowych należą sieć telefoniczna i Internet (rys.).

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe

Rys. System pomiarowy wykorzystujący linię telefoniczną

Rys. Rozproszony system pomiarowy wykorzystujący Internet

W komunikacji bezprzewodowej wykorzystywane są przede wszystkim: sieci GSM( rys.),
Wi-Fi/Internet oraz interfejsy Bluetooth i ZeegBee.

Rys. System pomiarowy wykorzystujący GSM (komendy SMS)

Miernictwo elektroniczne - skrypt

Istnieje też możliwość zbudowania rozproszonej sieci pomiarowej z wykorzystaniem
specjalnych modemów komunikacji radiowej (tzw. radiomodemów, rys.). Najczęściej pracują
one w dozwolonym i darmowym paśmie radiowym 686÷690 MHz z mocą nadajnika < 500
mW i zasięgiem do 100 km (półdupleks). Szybkość transmisji dochodzi do 100 kb/s.

Rys. Struktura rozproszonego systemu pomiarowego z radiomodemami

13.6. Czujniki inteligentne i sieci czujnikowe

13.6.1. Czujniki inteligentne

U źródeł prac nad czujnikami inteligentnymi leżała idea wykorzystania technologii
elektronowej do wytworzenia na jednym podłożu krzemowym złożonego układu
elektronicznego, w którego skład wchodziłyby przede wszystkim: półprzewodnikowe
elementy sensoryczne (często wykonywane w postaci matrycy czujników), układ przełączania
(multipleksowania) i kondycjonowania, mikrokontroler (z przetwornik A/C), pamięć oraz
interfejs komunikacyjny. Poza oczywistymi zaletami takiego rozwiązania jak miniaturyzacja i
redukcja poboru energii, czujniki inteligentne pozwalają na prostą kompensację wielkości
wpływających (zwłaszcza temperatury – poprzez integrację czujnika temperatury i np. tablicy
wartości korygujących wyniki przetwarzania zasadniczego) czy linearyzację charakterystyki
statycznej (ponownie np. z użyciem danych stabelaryzowanych). Możliwości obliczeniowe
mikrokontrolera i zasoby pamięci pozwalają też na realizację o wiele bardziej złożonych
sposobów przetwarzania „surowych” danych, jak zaawansowane procedury kompensacji
efektów wielkości wpływających, korekcji charakterystyk statycznych (nieliniowość,
histereza) i dynamicznych, czy redukcji zakłóceń. Ich głównym celem jest zwiększenie
dokładności przetwarzania wielkości nieelektrycznej.

Nie wszystkie czujniki wielkości nieelektrycznych zbudowane są na bazie półprzewodników,
w związku z czym wykorzystujące je czujniki inteligentne musza mieć budowę hybrydową.
Ponieważ istnieje wiele firm wywarzających tego typu urządzenia, kilku najważniejszych
producentów przystąpiło do prac nad standaryzacją stosowanych rozwiązań, czego owocem
jest norma IEEE 1451. Jej najważniejsze części dotyczą: 1451.1 – opisu procesora NCAP
(ang. network capable application processor) umożliwiającego pracę w sieci komputerowej
oraz 1451.2 – dołączania czujnika w trybie włącz i używaj (ang. plug and play), co uzyskuje

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe

się przez umieszczenie w urządzeniu elektronicznej bazy danych (TEDS) oraz modułu
interfejsu czujnik-procesor (STIM) (rys.). Moduł NCAP czujnika inteligentnego nie tylko
umożliwia jego komunikację z siecią, ale może tez być kontrolerem w sieciach o wielu
węzłach (jak np. sieci czujnikowe), komunikując się za pośrednictwem protokołu
klient/serwer. W komunikacji z siecią zazwyczaj wykorzystywane są typowe interfejsy
pomiarowe, jak RS232, RS485, USB, I

Rys. Schemat komunikacji czujnika inteligentnego z siecią zgodny normą IEEE P1451

Rys. Przykład pracy czujników inteligentnych w sieci pomiarowej

13.6.2. Bezprzewodowe sieci czujnikowe

Ponieważ czujniki inteligentne budowane są na bazie mikrokontrolerów i posiadają interfejsy
komunikacyjne (w tym bezprzewodowe), świetnie nadają się do tworzenia rozproszonych,
bezprzewodowych sieci pomiarowych (WSN – ang. Wireless Sensor Network), zwanych też
w skrócie sieciami czujnikowymi lub sieciami sensorowymi. Sieci takie składają się ze
współpracujących ze sobą autonomicznych czujników i elementów wykonawczych (zwanych
aktuatorami lub wyrobnikami) i służą do rejestracji, przetwarzania, przechowywania i
przekazywania danych pomiarowych. Czujniki i aktuatory stanowią węzły sieci.

Miernictwo elektroniczne - skrypt

Sieci czujnikowe pozwalają na zintegrowany pomiar wielu różnorodnych wielkości
fizycznych, takich jak: temperatura, wilgotność, światło widoczne i podczerwone, sygnały
akustyczne, wibracje, ciśnienie, wytrzymałość materiałów, stężenie gazów itp. Stosowane
węzły czujnikowe można podzielić na trzy typy:
-

pasywne wielokierunkowe: mierzą parametry fizyczne w danym punkcie sieci czerpiąc
energię z otaczającego je środowiska (np. termometry, detektory światła, czujniki wibracji,
wilgotności, mikrofony),

pasywne wąskokierunkowe: mają zdefiniowany kierunek poruszania się i pomiarów (np.
kamera),

aktywne: testują środowisko w sposób aktywny (np. sonary generujące falę
ultradźwiękową lub czujniki sejsmiczne generujące fale uderzeniowe).

Przy projektowaniu węzła sieci bezprzewodowej w głównej mierze zwraca się uwagę na jego
rozmiar, koszt i pobór energii. W granicznym przypadku węzeł może mieć rozmiary mniejsze
niż 1 cm (a nawet być porównywalny z ziarenkiem piasku), ważyć znacznie mniej niż 100 g,
kosztować mniej niż 1 US$ oraz pobierać energię rzędu 1 µW. Typowy węzeł sieci składa się
z pięciu bloków (rys.).

Rys. Architektura typowego węzła oraz przykład jego realizacji

Elementy sieci można podzielić też na źródła i odbiorniki danych (rys.). Źródłami są zarówno
czujniki, jak i urządzenia zewnętrzne, np. tablety czy smartfony. Odbiorniki danych, ze
względu na swą rolę, zwane są także węzłami nadrzędnymi. Stosowane są trzy rodzaje
odbiorników danych:
-

węzły należące do sieci czujnikowej,

urządzenia będące poza siecią i służące do interakcji z nią (np. urządzenia naręczne),

urządzenia będące bramą do innej dużej sieci, np. Internetu.

Rys. Topologia przykładowej sieci czujnikowej

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe

Do cech odróżniających sieci czujnikowe od innych sieci pomiarowych należą:
- wykorzystanie jedynie komunikacji bezprzewodowej,
-

brak infrastruktury fizycznej narzucającej topologię sieci,

małe rozmiary i bateryjne (lub odnawialne) zasilane elementów,

zastosowanie od kilu do dziesiątków tysięcy czujników,

- zdolność do samoorganizacji (typowo ad-hoc),
-

skalowalność pozwalająca objąć obszar od pojedynczych centymetrów do setek
kilometrów,

pełnienie przez elementy sieci zarówno funkcji klienta jak i punktu dostępu,

przesyłanie danych do miejsc zdefiniowanych przez ich zawartość, a nie do z góry
zdefiniowanych odbiorników,

automatyczna zmiana ścieżek komunikacji (np. w przypadku awarii elementów),

potencjalna mobilność całej sieci,

- przystosowanie do konkretnego zastosowania.

Sieci czujnikowe, biorąc pod uwagę sposób transmisji danych, działają w jednym z dwóch
trybów. W sieciach typu Single-Hop (przeskok pojedynczy) transmisja zachodzi bezpośrednio
między węzłami „końcowymi” znajdującymi się w bezpośrednim zasięgu, natomiast w
sieciach Multi-Hop (przeskok wielokrotny) transmisja odbywa się wieloma niezależnymi
ścieżkami poprzez węzły pośredniczące. W sieciach WSN częściej używany jest drugi system
transmisji ze względu na duży dystans pomiędzy źródłami a odbiornikami danych.

Do ważnych cech sieci czujnikowych należy potencjalna ich mobilność. Można rozróżnić trzy
rodzaje takiej mobilności:
-

mobilność węzłów powodująca konieczność częstej reorganizacji topologii sieci (np.
podczas monitorowania stad hodowlanych),

mobilność odbiorników mogących współpracować z siecią tylko w niektórych
lokalizacjach (np. poruszający się operator z urządzeniem naręcznym),

mobilność zdarzeń zmieniających swą lokalizację związana z koniecznością ciągłego
przemieszczania się obszaru aktywności sieci (pobudzania/usypiania coraz to nowych
węzłów) zgodnie z ruchem śledzonego zdarzenia (np. migracja oznaczonego osobnika).

Wśród zadań stojących przed sieciami czujnikowymi, implikujących sposób współpracy
miedzy źródłami i odbiornikami, wyróżnić można poniższe typy:
-

detekcja zdarzeń,

- pomiary cykliczne,
-

aproksymacja (za pomocą funkcji matematycznych) rozkładu przestrzennego mierzonych
wielkości fizycznych (np. temperatury),

wyznaczanie linii łączących w przestrzeni te same wartości danej wielkości fizycznej
(przykładem mogą być izotermy),

śledzenie obiektów.

Sieci czujnikowe znajdują obecnie wiele zastosowań praktycznych. Najważniejsze z nich to:
-

automatyka inteligentnych budynków,

monitorowanie środowiska naturalnego,

nadzór i sterowanie w przemyśle,

wojskowość,

- zaawansowane technologicznie rolnictwo,
-

systemy bezpieczeństwa (chemicznego, przeciwpożarowego itp.),

- sterowanie ruchem miejskim,

Miernictwo elektroniczne - skrypt

- logistyka,
-

służba zdrowia.

13.7. Oprogramowanie systemów pomiarowych

Funkcjonowanie systemu pomiarowego zależy nie tylko od zastosowanego kontrolera,
mierników i interfejsów, lecz również od oprogramowania systemowego, które stanowi jego
integralną część.

Stosowane są trzy typowe podejścia do opracowywania oprogramowania systemów
pomiarowych:
- tworzenie procedur w językach programowania średniego lub wysokiego poziomu (C,

Pascal, Basic),

- wykorzystanie specjalistycznych standardów programowania systemów (IEC-625.2,

SCPI),

- stosowanie zintegrowane środowiska programowania graficznego (LabVIEW, VEE,

TestPoint).

Pierwsze z podejść (tradycyjne języki programowania) jest najbardziej uciążliwe i nie zawsze
możliwe, gdyż wymaga znajomości szczegółowych informacji o przyrządzie, nie zawsze
udostępnianych. Pomocne w tym przypadku są dostarczane przez producenta sterowniki –
programy pośredniczące między urządzeniem a resztą systemu operacyjnego komputera.

Wykorzystanie standardu IEC-625.2 (opracowanego do tworzenia oprogramowania
systemów z interfejsem IEC-625 za pomocą odpowiedniego zestawu komend) jest
podejściem popularnym. Jednakże różnice w programowaniu przyrządów różnych firm były
na tyle uciążliwe, że w 1990 r. czołowi producenci zdecydowali się na wprowadzenie
jednolitego języka programowania przyrządów pomiarowych opartego o IEC-625.2 (IEEE-
488.2) – SCPI (ang. Standard Commands for Programmable Instruments). Przyrządy
mikroprocesorowe wyposażane są w dekoder tego języka, a program ma postać komunikatów
tekstowych dostarczanych za pośrednictwem dowolnego interfejsu. Grupy rozkazów języka
SCPI odpowiadają przyjętemu modelowi przyrządu pomiarowego (rys.)

Rys. Model przyrządu pomiarowego zgodny z językiem SCPI

12. Mierniki cyfrowe i mikroprocesorowe

Najwygodniejsze z pozycji twórcy oprogramowania jest zastosowanie środowisk
programowania graficznego, takich jak LabVIEW (National Instruments) czy VEE (Agilent,
przedtem Hewlett-Packard) czy TestPoint (CEC/Keithley, wykupiony przez NI). W tym
podejściu struktura systemu pomiarowego znajduje odzwierciedlenie w połączeniach ikon
reprezentujących różne podzespoły i opcje systemu, natomiast funkcjonalności zapewnia się
odpowiednio ustawiając parametry w otwierających się menu poszczególnych ikon.
Programista dostaje do dyspozycji bogate biblioteki funkcji umożliwiające intuicyjną
organizację systemu pomiarowego, prowadzenie rejestracji danych (w tym sterowanie
przyrządami wyposażonymi w interfejsy pomiarowe), ich cyfrowego przetwarzania,
obrazowania (za pomocą zaprojektowanych paneli wirtualnych) czy tez sterowania
elementami wykonawczymi.

Obecnie najczęściej stosowanym pakietem jest LabVIEW (w tym np. przez NASA czy
CERN), dającym prawie nieograniczone możliwości aplikacyjne, choć wymaga on od
użytkownika bardziej szczegółowej wiedzy niż np. TestPoint. W tym przypadku, po
uruchomieniu pakietu, programista ma do dyspozycji panel przyrządu wirtualnego (Front
Panel) oraz panel programowania graficznego (Block Diagram). Każdy z nich posiada własny
zestaw narzędzi – w panelu przyrządu wirtualnego są to ikony elementów sterowania i
prezentacji (Controls), a w panelu programowania – ikony funkcji (Functions) (rys.). W
czasie przeciągania potrzebnych elementów (tj. ich ikon) z odpowiednich bibliotek na panel
przyrządu, na panelu programu również pojawiają się odpowiadające im ikony, które trzeba
uzupełnić o brakujące funkcje (np. generator, analizator widma itp.), a następnie połączyć ze
sobą zgodnie z przepływem informacji, tworząc ostatecznie oprogramowanie (sterujące,
przetwarzające i obrazujące) systemu pomiarowego (rys.).

Rys. Zestawy narzędzi panelu programowania (Functions) i panelu przyrządu wirtualnego (Controls).

Rys. Przykład programu i panelu wirtualnego generatora/analizatora sygnałów utworzonego w LabVIEW.

Miernictwo elektroniczne - skrypt

13.8. Zagadnienia kontrolne

W jakich konfiguracje działają systemy pomiarowe i jak ze sobą współpracują
Co to jest interfejs pomiarowy i jakie są jego funkcje
Podaj właściwości szeregowych i równoległych interfejsów pomiarowych
Typy i cechy najpopularniejszych interfejsów pomiarowych

(RS232, RS488, USB, IEC625, VXI)

Poziomy integracji systemów pomiarowych
Architektura czujników inteligentnych
Cechy i zastosowania sieci czujnikowych
Podejścia do programowania systemów pomiarowych

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Miernictwo Komentarz do wykładów cz1
Miernictwo Komentarz do wykładów cz3
(Uzupełniający komentarz do wykładu 11)
(Komentarz do wykładu 31 1 6)
(Komentarz do wykładu 41)
-komentarz do wykładu VI, Kazania Słowa Bożego, Jacek Filończyk, Wydarzenia czasów końca ZATONIE, Ob
(Komentarz do wykładu 31 1-6)
(Komentarz do wykładu, 21)
(Uzupełniający komentarz do wykładu 11)
(Komentarz do wykładu 41)
Komentarze do wykladu 10
Dostosuj zakład do przepisów prawa pracy Komentarz do ankiety kontrolnej bhp na budowie, 2005 cz2
Materiały do wykładu 4 (27 10 2011)
Dostosuj zakład do przepisów prawa pracy Komentarz do ankiety kontrolnej bhp na budowie, 2005 cz3

więcej podobnych podstron