2 Краткие теоретические сведения

К разделу 1.

Систематическая составляющая _с погрешности конкретного экземпляра СИ в точке Х диапазона измерений вычисляется по формуле

(1)

где _м и _б – i-тая погрешности СИ при изменении входного сигнала со стороны

соответственно меньших и больших значений до значения Х, т.е. при прямом и

обратном ходе; n – количество опытов при определении _м и _б.

Случайная погрешность результатов измерения оценивается среднеквадратичным отклонением

(2)

где x_i – i-тый результат; - среднее арифметическое результатов измерений; n – число замеров.

Если погрешность i-го измерения Δ_i ≥ 3σ (2σ), она относится к грубым, и данный замер не принимается во внимание (расчет повторяется заново для оставшихся замеров).

Общая погрешность прибора, работающего в условиях, отличающихся от нормальных, рассчитывается по формуле

(3)

где γ_осн – основная приведенная погрешность (класс точности); γ_допi – дополнительная погрешность, создаваемая i-м фактором.

Вариацией называется максимальная разность показаний прямого и обратного хода на данной отметке шкалы.

К разделу 3.

Измерение температуры. Принцип действия манометрических газовых термометров (МГТ) основан на изменении давлении газа, находящегося в замкнутом объёме, при изменении температуры. Изменение давления в системе МГТ происходит по закону

(4)

где  –термический коэффициент расширения газа (=0,00366 К^-1); t₀, t – начальное и текущее значения температуры; Р₀ – начальное давление рабочего вещества при температуре t₀.

Для манометрических жидкостных термометров (МЖТ) развиваемое давление зависит от жесткости манометрической пружины и определяется при градуировке.

Изменение показаний манометрических термометров возможно также независимо от значения температуры за счёт действия различных факторов. Например, одним из таких факторов для МЖТ может быть разность уровней между термобаллоном и манометром; в МГТ изменение показаний возникает при изменении барометрического давления.

Принцип действия термометров сопротивления (терморезисторов) основан на изменении их электрического сопротивления при изменении температуры. Терморезисторы могут быть проводниковыми (медными – ТСМ или платиновыми – ТСП) и полупроводниковыми (термисторы). Зависимости изменения сопротивления проводниковых терморезисторов от изменения температуры и значения температурных коэффициентов сопротивления (ТКС) даны в таблице 2.

Таблица 2 – Основные характеристики терморезисторов

Тип терморезистора	ТСМ	ТСП
Область измеряемых температур	Весь диапазон измерения	Положительные температуры
Зависимость изменения сопротивления от температуры	Rt= R0(1+t)	Rt= R0(1+αt+βt2)
Значения ТКС	=4,2610-3 град-1	α = 3,9684710-3 град-1; β = -5,84710-7 град-2

Примечание: R₀ - начальное сопротивление терморезистора при 0 ºС, зависящее от его градуировки.

Зависимость сопротивления полупроводниковых термометров от температуры имеет вид:

(5)

где Т – текущее значение температуры, К; R₀ – значение сопротивления при температуре Т=293 К; В – коэффициент, зависящий от свойств полупроводникового материала.

Сопротивление терморезисторов в промышленных условиях измеряется автоматическими уравновешенными мостами. При решении задач по мостовым схемам основным уравнением является математическое выражение условия равновесия мостовой схемы (произведения значений сопротивлений противоположных плеч должны быть равны). Для мостовой схемы, показанной на рисунке 1, это уравнение имеет вид

(R₁+R_p)R₃=[(1-)R_p+R₂] R_t. (6)

Принцип действия термопары основан на возникновении в ней термоЭДС при существовании перепада температур между холодным (свободным) и горячим (рабочим) концами термопар. Свободными называются те концы, которые включаются в измерительную схему. ТермоЭДС измеряется компенсационным методом измерения: она компенсируется равным по значению и противоположным по знаку компенсирующим напряжением. Уравнение компенсации для автоматического потенциометра (рисунок 2, а) в общем случае имеет вид (сопротивления R₁ и R₂ выполняются равными)

I₁(R_н+R_эр)- I₂R_к=Е_х (7)

В приборе предусмотрено автоматическое введение поправки на температуру окружающей среды с помощью терморезистора R_к. При этом изменение термоЭДС из-за изменения температуры окружающей среды _i численно должно быть равно величине I₂R_к.

Рисунок 2

Сопротивление реохорда представляет собой параллельное соединение трех резисторов (рисунок 2, б): рабочего реохорда R_р, сопротивления шунта R_ш и резистора, определяющего диапазон измерения R_п. Параллельно соединенные резисторы R_р и R_ш образуют так называемый стандартный реохорд (его сопротивление обычно составляет 90 или 130 Ом), а все три резистора могут быть обозначены R_эр (рисунок 2, в) – сопротивление эквивалентного реохорда.

Измерение давления. Единицей измерения давления в Международной системе единиц (СИ) является паскаль (Па). Однако до настоящего времени применяются также кгс/см², мм рт. ст., мм вод. ст. и бар. Между этими единицами и паскалем имеют место следующие соотношения:

Единица давления	1 кгс/см2	1 мм вод. ст.	1 мм рт. ст.	1 бар
Пересчет в паскали	98 066,5	9,806 65	133,322	105

Для измерения давления и разности давлений наибольшее распространение получили различные виды деформационных (трубчатых, сильфонных, мембранных) и тензометрических манометров.

В сильфонных манометрах суммарная жёсткость пружины и сильфона определяется как

К_м=К_п+К_с /n, (8)

где n – число гофр.

Противодействующее усилие, создаваемое пружиной и сильфоном при их сжатии на величину h, равно

F_пр=К_Мh. (9)

В манометрах с чувствительным элементом в виде трубки Бурдона изменение угла под действием давления определяется выражением

(10)

где α и b – первоначальные значения угла закручивания пружины и малой оси

эллипсовидного сечения.

В мембранных манометрах перестановочное усилие эластичной мембраны

(11)

где F_эф – эффективная площадь мембраны (принимается равной приблизительно

F_общ/3); D – диаметр мембраны.

Если мембрана имеет жесткий центр, то

₍₁₂₎

где d – диаметр жесткого центра.

Измерение уровня. Емкостные уровнемеры могут применяться для измерения непроводящих и проводящих жидкостей в широком диапазоне давлений и температур, независимо от агрессивности сред. Основная погрешность связана с изменением диэлектрической проницаемости контролируемой среды при изменении температуры.

Ёмкость цилиндрического преобразователя определяется формулой

(14)

где Н, D и d – длина преобразователя и диаметры внешнего и внутреннего элек-

тродов соответственно; ε – диэлектрическая проницаемость среды между элек-

тродами.

Общая емкость уровнемера С будет представлять собой сумму емкостей

С = С₀ + С₁ + С₂,

где С₀ – емкость проходного изолятора; С₁ – емкость части преобразователя, находящейся в слое жидкости высотой h; С₂ - емкость части преобразователя, находящейся в газовом слое.

Они определяются по формулам

Поскольку ε_г ≈ 1, общая емкость будет равна

(15)

Измерение расхода. Наиболее распространённым в промышленности методом является измерение расхода с помощью сужающих устройств (СУ). Взаимосвязь между объёмным Q_o и массовым расходом Q_м и перепадом Р на СУ определяется уравнениями

(16)

где  – коэффициент расхода; ε – поправочный множитель на расширение измеряемой среды; F₀ – площадь отверстия СУ;  – плотность контролируемой среды.

Существуют также расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры), для которых объёмный расход Q_о и параметры ротаметра связаны между собой выражением

(17)

где  – коэффициент расхода ротаметра; f_К – площадь кольцевого зазора между поплавком и стенкой трубки, зависящая от положения поплавка; V – объём поплавка; _п, _в – плотность поплавка и измеряемой среды; f – площадь миделевого сечения поплавка.

Для измерения расхода электропроводных сред используются электромагнитные расходомеры. Их принцип действия основан на возникновении ЭДС индукции в проводнике, перемещающемся в магнитном поле; при этом роль проводника выполняет сама измеряемая жидкость. Наводимая ЭДС определяется выражением

E=BdV_ср, (18)

где B – индукция магнитного поля; d – расстояние между электродами (диаметр трубопровода); V_cp– средняя скорость потока.

Для измерения малых расходов чистых газов используются тепловые калориметрические расходомеры, принцип действия которых основан на нагреве по­тока вещества и измерении разности температур до и после нагре­вателя.

Зависимость между массовым расходом G и разностью темпе­ратур t при больших расходах определяется уравне­нием теплового баланса:

, (19)

где N – мощность нагревателя; k – поправочный множитель на неравномерность распределения температур по сечению трубопро­вода; c – теплоемкость вещества при температуре (t₁ + t₂)/2.

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основывается на изменении скорости распространения ультразвуковых колебаний (УЗК) в неподвижной и подвижной среде. Наиболее часто расход вещества измеряется по разности времен распространения УЗК, направленных по потоку и против него. УЗК под углом α = 90⁰ – θ к оси трубопровода проходят в измеряемом веществе путь длиной L. Если – скорость движения вещества, с – скорость распространения УЗК в неподвижном измеряемом веществе, то значения времени прохождения УЗК указанного пути по направлению движения потока t₁ и против него t₂ будут равны соответственно

(20)

Тогда разность Δt = t₂ – t₁ запишется следующим образом

. (21)

Таким образом, разность Δt зависит от скорости движения вещества, следовательно, от объемного расхода.

Контроль параметров качества. Параметры качества - это состав анализируемой среды, физико-химические свойства (плотность, вязкость и др.) и ряд других показателей.

Автоматические газоанализаторы (ГА), применяемые на объектах трубопроводного транспорта, в основном являются газоанализаторами теплового типа (термокондуктометрическими и термохимическими). В них концентрация определяемого компонента определяется по изменению тепловых свойств анализируемой газовой смеси (АГС). Используются также оптические ГА.

Термокондуктометрический ГА представляет собой неуравновешенный мост (рисунок 3, а), два плеча которого образованы измерительными камерами R₂ и R₄, а два – сравнительными R₁ и R₃. Измерительная камера (рисунок 3, б) представляет собой полый цилиндр, внутри которого коаксиально расположена платиновая нить (чувствительный элемент). Температура газовой смеси должна быть постоянной, поэтому датчики термостатируются. Герметизированные сравнительные камеры заполняются либо воздухом, либо неопределяемыми компонентами анализируемой смеси. Платиновая нить нагревается до температуры 50 … 200 ⁰С стабилизированным током.

а) б)

Рисунок 3

Концентрация определяемого компонента определяется по изменению теплопроводности, т.е. по изменению температуры нагрева платиновой нити, в соответствии с выражением

(22)

где Q – отдаваемая теплота, являющаяся при постоянстве тока, протекающего

через терморезистор, также постоянной величиной; l, D – длина и диаметр изме-

рительной камеры соответственно; d – диаметр платиновой нити, образующей

терморезистор; λ – теплопроводность АГС; t_н, t_с – температура платиновой ни-

ти и стенки камеры соответственно.

Искомая температура нити t_н будет в этом случае равна

(23)

где R – сопротивление платиновой нити.

Для градуировки анализатора через него пропускается градуировочная смесь с известным содержанием определяемого компонента. Поскольку количество теплоты, отдаваемое чувствительным элементом к стенкам камеры, не меняется, температура нити при анализе смеси неизвестного состава находится по формуле

(24)

где λ_гс, λ_ас – теплопроводности градуировочной и анализируемой смеси соответственно; t_н1, t_н2 – соответствующие этим смесям температуры платиновой нити.

Теплопроводность смеси n компонентов находится по формуле

(25)

где λ_i, C_i – теплопроводность и объемная концентрация каждого компонента.

Если анализируемая газовая смесь содержит водяные пары, то при расчетах необходимо учитывать, что водяные пары практически полностью конденсируются, изменяя процентное содержание других компонентов. Теплопроводность смеси в этом случае определяется выражением

(26),

где n – число компонентов в смеси; λ_i, C_i – теплопроводность и концентрация i-го компонента; - концентрация водяных паров.

В термохимических ГА, используемых для анализа горючих газов, платиновая нить нагревается до 200…500 ⁰С и играет также роль катализатора, на котором происходит каталитическое окисление компонентов АГС. По выделяющейся при этом теплоте определяется концентрация анализируемого компонента.

Принцип действия оптических ГА основан на явлении избирательного поглощения анализируемым компонентом энергии излучения определенной длины волны, причем интенсивность этого поглощения зависит от концентрации анализируемого компонента в АГС. Эта зависимость описывается законом Бугера - Ламберта – Бера

₍₂₇₎

где I_0λ, I_λ – интенсивность монохроматического излучения с длиной волны λ на

входе в поглощающий слой газа и после прохождения через него соответствен-

но; ε_λ – коэффициент поглощения излучения определяемым компонентом на

длине волны λ; С – концентрация определяемого компонента в газовой смеси;

L – толщина поглощающего слоя.

Произведение ε_λсL называется оптической плотностью D_λ:

₍₂₈₎

Каждый газ характеризуется определенным спектром поглощения. Газы, содержащие в своем составе два и более разнородных атомов, такие как CO, CO₂, CH₄, NH₃, C₂H₂ имеют спектры поглощения в инфракрасной (ИК) области.

Для использования этого метода измерения необходимо, чтобы определяемый компонент имел спектр поглощения, отличающийся от спектров поглощения других компонентов анализируемой смеси. Лежащие в ИК-области спектры поглощения CO, CO₂, CH₄, NH₃ изображены на рисунке 4. Хотя спектры CO₂ и CO, CO₂ и CH₄ частично перекрываются, можно выделить длины волн, на которых имеет место селективное поглощение ИК-излучения этими компонентами, что позволяет измерять их концентрацию в многокомпонентных АГС. В качестве источников излучения инфракрасных ГА используются нихромовые излучатели, нагретые до 700 – 800 ⁰С. Приемниками излучения служат батареи термопар или терморезисторов, фоторезисторы или конденсаторные микрофоны.

Рисунок 4

Схема одного из вариантов акустического приемника ИК-излучения представлена на рисунке 5, а. Источником 1 создается постоянное излучение, которое с помощью вращающегося диска с отверстиями (обтюратора) 2 и светофильтра 3 преобразуется в пульсирующее монохроматическое излучение. Определяемый компонент, находящийся в камере 4, поглощает излучение, при этом в камере возникают пульсации температуры, а следовательно, и давления, изображенные на рисунке 5, б. Эти пульсации воспринимаются микрофонным чувствительным элементом 5, представляющим собой конденсатор, образованный подвижной мембраной и неподвижной пластиной. Под действием давления мембрана перемещается, вызывая из-за колебаний зазора δ изменение емкости конденсатора С.

а) б)

Рисунок 5

Для контроля плотности наиболее часто используются вибрационные плотномеры, основанные на зависимости параметров упругих колебаний чувствительного элемента (резонатора), находящегося в анализируемом веществе (резонатор погружного типа) или заполненного им (резонатор проточного типа), от плотности этого вещества. Для резонатора проточного типа эта зависимость имеет вид

(29)

где f – частота собственных колебаний резонатора, заполненного анализируе-

мым веществом; f₀ – частота собственных колебаний пустого резонатора; K – ко-

эффициент пропорциональности, зависящий от конструктивных параметров ре-

зонатора; ρ – измеряемая плотность.

Анализируемая среда (рисунок 6) протекает через ферромагнитный измерительный цилиндр 2. Компенсирующий ферромагнитный цилиндр 3 заполнен керосином; на этот цилиндр через сильфон 4 действует то же давление, что и на измерительный цилиндр. При подаче импульса напряжения в возбуждающие электромагнитные катушки 1 в цилиндрах возникают затухающие колебания, воспринимаемые измерительными электромагнитными катушками 6. Сигнал с каждой катушки проходит через фазосдвигающее устройство 7, усилитель 8 и поступает в блок вычитания 10. Частота сигнала на выходе этого блока пропорциональна разности плотностей керосина и анализируемой среды. После введения в блоке 11 коррекции по температуре, измеряемой терморезистором 5, на выходе получают сигнал, частота которого пропорциональна плотности анализируемой среды. После линеаризации в блоке 12 он поступает в блок индикации 13.

Рисунок 6

Контроль вязкости чаще всего осуществляется капиллярными или шариковыми вискозиметрами. Принцип действия капиллярных вискозиметров основан на закономерности истечения жидкости через капилляр, описываемый законом Пуазейля:

(30)

где Q – объемный расход жидкости; d и l – внутренний диаметр и длина капилляра; Р₁, Р₂ – давление до и после капилляра по потоку.

При постоянном объемном расходе жидкости выражение (27) можно преобразовать к виду

(31)

где - постоянный коэффициент для принятого расхода жидкости.

Следовательно, для измерения динамической вязкости η достаточно при постоянном объемном расходе жидкости измерять перепад давления на капилляре. Для создания постоянного объемного расхода анализируемой жидкости используется шестеренчатый насос Н (рисунок 7). Из насоса анализируемая жидкость поступает в змеевик 1, где нагревается до температуры масла, заполняющего термостат 2, а затем – в капилляр 3, раз­меры которого выбирают в зависимости от диапазона измеряемых значений вязкости. Перепад давлений на капилляре измеряется дифманометром ДМ с пневматическим или электрическим унифицированным выходным сигналом, который будет пропорционален динамической вязкости анализируемой жидкости. Температура в термостате поддерживается постоянной и равняется 50 или 100 ºС.

Рисунок 7 Рисунок 8

Принип действия шариковых вискозиметров основан на измерении скорости (или времени) движения тела (шарика) под действием сил тяжести и трения в анализируемой жидкости. Это движение описывается законом Стокса:

(32)

_{где W – скорость равномерного падения шарика; ρш – плотность материала шарика (ρш>ρ); r – радиус шарика.}

_{Если учесть, что плотность анализируемой жидкости ρ изменяется незначительно и что она в несколько раз меньше плотности шарика, то выражение (29) можно преобразовать к виду}

(33)

_где - постоянный коэффициент.

_{Обычно измерение скорости W сводится к измерению отрезка времени τ, за который шарик, падая с постоянной скоростью, проходит некоторый постояный отрезок пути L между двумя принятыми отметками. В этом случае}

(34)

_{где k=l/k1 – постоянный коэффициент.}

Ана­лизируемая жидкость из тру­бопровода (рисунок 8) периодически прокачива­ется насосом Н по трубке 1 снизу вверх и при своем движении поднимает шарик 2 от нижней ограничительной сет­ки 4 до верхней 3. При выключении насоса шарик падает в анализируемой жидкости. С помощью устройств 5 и 6 формируются электрические импульсы в моменты времени, когда шарик проходит две выбранные отметки, отстоящие друг от друга по высоте трубки на расстояние L. С помощью измерителя временных интервалов 7 измеряется отрезок времени между указанными импульсами, значение которого и определяет динамическую вязкость.

Измерение влагосодержания. Наиболее распространенным методом анализа является диэлькометрический метод. Принцип действия диэлькометрических анализаторов состоит в измерении диэлектрической проницаемости ε среды, заполняющей электрический конденсатор, емкость которого определяется выражением

С = kε, (35)

где k – постоянный коэффициент, определяемый размерами конденсатора и его

конструкцией.

В диэлькометрическом гигрометре (рисунок 9) происходит изменение диэлектрической проницаемости вследствие сорбции паров воды из анализируемого газа. В этом гигрометре анализируемый газ прокачивается с постоянным объемным расходом через камеру 1, в которой размещен алюминиевый стержень 2, по поверхности которого сделана нарезка и нанесен оксид алюминия. В нарезку уложена никелевая проволока 3. Стержень 2 и проволока 3 образуют конденсатор, емкость которого увеличивается при сорбции паров воды оксидом алюминия. Последнее вызывает увеличение емкости конденсатора, которая измеряется неравновесным электрическим мостом переменного тока и вторичным прибором (вольтметром) 4.

Рисунок 9

Нефть, содержащая воду, по диэлектрической проницаемости может рассматриваться как псевдобинарная смесь из-за резкого различия значений диэлектрических проницаемостей воды (ε = 81) и углеводородов, входящих в состав нефти (ε от 2 до 2,6). Схема диэлькометрического дифференциального влагомера нефти показана на рисунке 10. Анализатор содержит два цилиндрических конденсатора 1 и 9. Конденсатор 1 установлен в трубопроводе 10, по которому протекает анализируемая нефть, а конденсатор 9 установлен в емкости 8, которая периодически заполняется нефтью, очищенной в устройстве 7 от воды и механических примесей. Конденсаторы 1 и 9 включены в колебательные контуры генераторов 2 и 6. Частоты колебаний последних пропорциональны емкостям конденсаторов 1 и 9. Выходные сигналы генераторов поступают в смеситель 3. Выходной сигнал смесителя определяется разностью частот колебаний генераторов, которая определяется концентрацией воды в нефти. Сигнал смесителя в преобразователе 4 преобразуется в унифицированный сигнал постоянного тока, который измеряется также вторичным прибором 5.

Рисунок 10

К разделу 4

При составлении или чтении релейных схем необходимо учитывать следующее:

- любое реле может иметь несколько контактов любого типа – замыкающих, размыкающих или переключающих;

- принадлежность контакта к какому-либо реле определяется по его обозначению – например, если реле К2 имеет три контакта, они будут обозначены в схеме К2.1, К2.2 и К2.3, т.е. первая цифра означает номер самого реле, а вторая, указываемая после точки, – номер его контакта;

- у любого реле контакт может изменить свое состояние (замкнуться или разомкнуться) только после подачи напряжения питания на его обмотку;

- все реле срабатывают с некоторой задержкой времени после подачи питания на обмотку;

• состояние лампочки изменяется быстрее, чем срабатывает реле.

В качестве примера рассмотрим фрагмент схемы технологической сигнализации, приведенной на рисунке 11,а. Ее работа происходит следующим образом. При подаче напряжения питания замкнутой оказывается только цепь 1-1 питания лампочки EL1 (на схеме эта цепь показана жирными линиями). В результате подачи напряжения питания на обмотку реле К1 оно сработает и замкнет свой контакт К1.1 в цепи 2-2, в результате чего загорится лампочка EL2 и сработает реле К2. Оно, в свою очередь, замкнет свой контакт К2.1 в цепи 3-3, при этом загорится лампочка EL3. Таким образом, после всех переключений в схеме будут гореть все три лампочки. Если какая-нибудь лампочка должна отключаться, то в цепь ее питания необходимо ввести размыкающий контакт соответствующего реле. Например, рассмотренную выше схему необходимо изменить таким образом, чтобы после загорания лампочек EL2 и EL3 первая лампочка гасла. Для выполнения этого условия в ее цепь (рисунок 11, б) введен контакт К3.1, который размыкается при срабатывании реле К3, т.е. после того, как загорится EL3. Как видно из схемы, питание реле К1 в этом случае должно быть независимым, т.к., если ввести контакт К3.1 в цепь 1-1 исходной схемы (см. рисунок 11,а), при его размыкании отключится и реле К1, т.е. вся схема вернется в исходное состояние.

Рисунок 11

Временные характеристики реле - время срабатывания и время отпускания - определяются зависимостями

; (36)

, (37)

где I_у – установившееся значение тока в обмотке реле; I_ср – ток срабатывания; I_отп – ток отпускания; ,' - постоянные времени реле, зависящие от соотношения индуктивной и активной составляющих сопротивления обмотки реле:

=L/R; '=L'/R

(L' - индуктивность реле при притянутом якоре).

К разделу 6

Кодирование – это преобразование сообщения в условную кодовую комбинацию. В общем случае под кодом понимается совокупность символов, используемых для кодирования, и правил составления кодовых комбинаций. Основными характеристиками любого кода являются:

• основание кода m – число символов, используемых для кодирования;

• разрядность кода n – число символов в кодовой комбинации, т.е. длина кодового слова;

• информативная емкость кода N – число комбинаций, которые можно образовать с помощью данного кода.

Характеристики кода связаны между собой зависимостью N = mⁿ.

Наиболее распространенными являются двоичные коды, в которых m = 2 и используются символы 0 и 1. Наиболее простым двоичным кодом является натуральный двоичный код (НДК), в котором десятичное число просто переводится в двоичную форму. Это означает, что число представляется в виде набора коэффициентов 1 и 0 перед числом 2 в соответствующей степени, например:

6  1  2² + 1  2¹ + 0  2⁰  110.

Для перевода в двоичную систему больших чисел (например, 1995) используется двоично-десятичный код, когда в виде двоичного числа представляется отдельно каждый разряд десятичного числа:

1995  0001 1001 1001 0101 .

В преобразователях перемещение – код используется еще один код – код Грея. Он образуется по следующим правилам:

• старший разряд исходной кодовой комбинации, записанной в НДК, остается без изменения;

• все остальные разряды формируются в зависимости от символа в предыдущем разряде исходной кодовой комбинации, а именно: если в предыдущем разряде стоит единица, то символ меняется на обратный, а если ноль – остается без изменения. Например: 01001  01101.

Для перехода из НДК в код Грея можно также использовать следующий

прием: под преобразуемой кодовой комбинацией еще раз записывается эта же комбинация, но со сдвигом на один разряд вправо. Затем эти комбинации суммируются «по модулю 2» (т.е. 1+1=0, 0+0=0, 1+0=0+1=1); последний разряд полученной комбинации отбрасывается. Например: комбинация в НДК 01001;

 01001

011011; отбросив последнюю 1, получим 01101.

Для обратного преобразования также используется суммирование «по модулю 2»: для определения каждого последующего разряда кодовой комбинации в НДК суммируются все предыдущие разряды комбинации в коде Грея. Например: комбинация в коде Грея 01101. Старший разряд остается без изменения – 0; следующий разряд 01=1; следующий 011=0; далее 0110=0; наконец, последний разряд 01101=1, т.е. искомая комбинация – 01001.

Все рассмотренные коды относятся к непомехозащищенным кодам. Это означает, что, если в процессе передачи кодовой комбинации по каналу связи в ней произойдет искажение одного или нескольких символов из-за действия помех, на приемной стороне это обнаружить невозможно. Для придания кодам помехозащищенности используются различные методы; один из них – добавление одного или нескольких контрольных символов, которые расставляются в определенных местах передаваемой кодовой комбинации, придавая ей некоторое специфическое свойство. Если на приемной стороне это свойство не обнаруживается, кодовая комбинация бракуется. Помехозащищенность кода зависит от минимального кодового расстояния используемых в нем кодовых комбинаций:

d_min = r + s + 1, (35)

где d_min – минимальное кодовое расстояние, т.е. минимальное количество разрядов, в которых две произвольные кодовые комбинации отличаются друг от друга; r – количество обнаруживаемых ошибок; s – количество исправляемых ошибок.

Простейшим помехозащищенным кодом является код с защитой по паритету (код с защитой на четность или нечетность). В этом коде к исходной кодовой комбинации добавляется один контрольный символ, значение которого определяется следующим образом: при формировании, например, кода с защитой на четность добавляется 0, если количество единиц в исходной кодовой комбинации четное, и 1 – если нечетное. Например:

00101  001010 или 001011  0010111.

При использовании кода с защитой на нечетность поступают наоборот.

Передача кодированной информации в современных системах автоматизации осуществляется различными способами. Одними из наиболее распространенных стандартов являются RS-интерфейсы. Интерфейс RS-232 является наиболее простым среди них. Это стандарт последовательной синхронной и асинхронной передачи двоичных данных между терминалом и конечным устройством. В нем источник и приемник сигналов имеют заземленную точку. Информация передается в инверсном коде двухполярными потенциальными сигналами, логической единице соответствует -12 В, а логическому нулю +12 В. В отсутствие передачи данных линия находится в состоянии логической единицы (-12 В). Поток данных передается по одному проводу бит за битом, т.е. передающая сторона по очереди выдает в линию 0 и 1, а принимающая отслеживает их и запоминает. Данные передаются пакетами по одному байту (8 бит). Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами. Стартовый бит всегда передается уровнем логического нуля, а стоповый – единицей. Может также присутствовать бит паритета. Его состояние определяется настройками: он может дополнять число единичных битов данных до нечетности, четности. Эта передаваемая последовательность называется фреймом. Пример одного фрейма (8 битов данных, контроль по нечетности, 1 стоповый бит) показан на рисунке 12. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии биты данных через определенные интервалы времени, начиная с младшего бита (bit 0). Бит паритета (parity) в данном случае равен 1.

Рисунок 12

В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных (рисунок 13). Суть его заключается в передаче одного сигнала (импульсы напряжения ± 1,5 В) по двум проводам, причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) - его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе «1», то на другом «0» и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при «1» она положительна, при «0» - отрицательна. Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе.

Формат информационных посылок и протокол обмена стандарт не нормирует, но наиболее часто для передачи байтов данных используются те же фреймы, что и в интерфейсе RS-232: стартовый бит, биты данных (начиная с младшего разряда), бит паритета (при необходимости), стоповый бит.

Рисунок 13