Обшие сведения об измерительных системах

Информационно-измерительная система (ИИС) – это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью предоставления потребителю в требуемом виде либо автоматического осуществления функции контроля, диагностики и идентификации.

ИИС собирает информацию на объекте, обрабатывает ее и передает на расстояния.

В зависимости от выполняемых функций информационная измерительная система реализуются в виде систем:

• измерительные системы;

• системы автоматического контроля;

• системы технической диагностики;

• системы распознавания образов.

Система распознавания образов – система для автоматического распознавания печатных, рукописных и фотографированных знаков, текстов, рисунков и схем, для распознавания звуков и речи, команд, передаваемых голосом, для выявления некоторых ситуаций в сложных технических комплексах, таких как критическое или аварийное состояние.

Измерительная система – информационная измерительная система, предназначенная для функций измерения и хранения информации. Измерительная система устанавливает соответствие между измеряемой величиной и мерой. Под мерой понимают средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, мерой является резистор, воспроизводящий сопротивление определенного размера с известной погрешностью.

Система технической диагностики – система автоконтроля, в которой устанавливается не только факт работоспособности, но и определяется место нахождения отказа, а также осуществляется локализация неисправностей. Это достигается специальными методами и способами поиска неисправностей, реализующимися алгоритмами диагностики.

Система автоматического контроля – система, устанавливающая соответствие между состоянием объекта контроля и заданными нормами.

Существует несколько разновидностей ИИС.

Измерительные системы. Их функция состоит в получении количественной информации о значении физических величин путем прямых, совокупных, косвенных измерений.

Системы автоматического контроля. Их функция состоит в установлении соответствия между состоянием объекта и заданной нормой и выработке суждения о данном или (и) о будущем состоянии объекта. С помощью таких систем измеряются физические величины, характеризующие состояние объекта, и результаты измерений сравниваются со значениями, принятыми в качестве нормы.

Системы технической диагностики. Их функция состоит в контроле состояния различных технических устройств, в том числе устройств автоматики, вычислительной техники, радиотехники, в обнаружении их отказов и определении неисправных элементов.

Системы опознания образов. Их функция состоит в определении соответствия между исследуемым объектом и заданным образом. Образом могут быть «человек», «цифра 8» и т.п.

Особое место среди ИИС занимают телеизмерительные системы – в них информация о значениях измеряемых величин передается на большие расстояния (от сотен метров до тысячи км.).

Укажем характерные особенности ИИС.

1. ИИС присуща централизованная структура. Информационные потоки направлены в один центральный пункт.

2. Назначение ИИС обычно состоит в том, чтобы поставлять информацию для активного использования в тех или иных случаях человеческой деятельности.

3. Как правило, большинство ИИС являются многоканальными, – т.е. состоят из общих блоков, обрабатывающих информацию от множества каналов. Примеры общих блоков (устройств): аналого-цифровой преобразователь; устройство обработки информации; канал связи.

ЗВУК

Если упругие волны, распространяющиеся в воздухе, имеют частоту в пределах от 16 до 20 000 Гц, то достигнув человеческого уха, они вызывают ощущение звука. В соответствии с этим упругие волны в любой среде, имеющие частоту, заключенную в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. Упругие волны с частотами, меньшими 16 Гц, называют инфразвуком; волны с частотами, превышающими 20 000 Гц,

называют ультразвуком. Инфра- и ультразвуки человеческое ухо не слышит.

Воспринимаемые звуки люди различают по высоте, темб­ру и громкости. Каждой из этих субъективных оценок соответствует определенная физическая характеристика звуковой волны.

Всякий реальный звук представляет собой не простое гармо­ническое колебание, а является наложением гармонических коле­баний с определенным набором частот. Набор частот колебаний, присутствующих в данном звуке, называется его акустиче­ским спектром. Если в звуке присутствуют колебания всех частот в некотором интервале от v' до v", то спектр называется сплошным. Если звук состоит из колебаний дискретных частот и т. д., то спектр называется линейчатым. Сплошным акустическим спектром обладают шумы. Колебания с линейчатым спектром вызывают ощущение звука с более или менее определенной высотой. Такой звук называется тональным.

Высота тонального звука определяется основной (наименьшей) частотой. Относительная интенсивность обертонов (т. е. ко­лебаний с частотами и т. д.) определяет окраску, или тембр, звука. Различный спектральный состав звуков, возбуждаемых разными музыкальными инструментами, позволяет отличить на слух, например, флейту от скрипки или рояля.

Рисунок 1.5

Под интенсивностью звука понимают среднее по времени значение плотности потока энергии, которую несет с собой звуковая волна. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, которая называется порогом слышимости. Рис. 101.1. Порог слышимости несколько раз­личен для разных лиц и сильно зависит от частоты звука. Наи­более чувствительно человеческое ухо к частотам от 1000 до 4000 Гц. В этой области частот порог слышимости составляет в среднем около 10~¹² Вт/м². При других частотах порог слыши­мости лежит выше (см. нижнюю кривую на рис. 1).

При интенсивностях порядка 1—10 Вт/м² волна перестает вос­приниматься как звук, вызывая в ухе лишь ощущение боли и дав­ления. Значение интенсивности, при котором это происходит, назы­вается порогом болевого ощущения. Порог болевого ощущения, так же как и порог слышимости, зависит от частоты (см. верхнюю кривую на рис. 1,5; данные, приведенные на этом рисунке, относятся к среднему нормальному слуху).

Субъективно оцениваемая громкость звука возрастает гораздо медленнее, чем интенсивность звуковых волн. При возрастании интенсивности в геометрической прогрессии громкость возрастает приблизительно в арифметической прогрессии, т. е. линейно. На этом основании уровень громкости L определяется как логарифм отношения интенсивности данного звука I к интенсив­ности , принятой за исходную:

(1)

Исходная интенсивность принимается равной 10^-12 Вт/м², так что порог слышимости при частоте порядка 1000 Гц лежит на нуле­вом уровне (L = 0). ,

Единица уровня громкости L, определяемого формулой (1), называется белом (Б). Обычно пользуются в 10 раз меньшими единицами — децибелами (дБ). Значение L в децибелах определяется формулой

(2)

Отношение двух интенсивностей и также может быть вы­ражено в децибелах:

(3)

С помощью этой формулы может быть выражено в децибелах уменьшение интенсивности (затухание) волны на некотором пути. Так, Например, затухание в 20 дБ означает, что интенсивность уменьшается в 100 раз.

Весь диапазон интенсивностей, при которых волна вызывает в человеческом ухе звуковое ощущение (от 10^-12 до 10 Вт/м²), со­ответствует значениям уровня громкости от 0 до 130 дБ. В табл. 1 приведены ориентировочные значения уровня громкости для некоторых звуков.

Таблица 1

Звук	Уровень громко­сти, дБ
Тикание часов Шепот на расстоянии 1 м Тихий разговор Речь средней громкости Громкая речь Крик Шум самолетного мотора на расстоянии 5 м расстоянии 3 м	20 30 40 60 70 80 120

Энергия, которую несут с собой звуковые волны, крайне мала. Если, например, предположить, что стакан с водой полностью поглощает всю падающую на него энергию звуковой волны с уров­нем громкости в 70 дБ (в этом случае количество поглощаемой в секунду энергии будет составлять примерно 2-10^-7 Вт), то для того, чтобы нагреть воду от комнатной температуры до кипения, потребуется время порядка десяти тысяч лет.

Ультразвуковые волны могут быть получены в виде направлен­ных пучков, подобных пучкам света. Направленные ультразвуко­вые пучки нашли широкое применение для целей локации в воде.

Впервые идея ультразвуковой локации была высказана выдаю­щимся французским физиком П. Ланжевеном и разработана им во время первой мировой войны для обнаружения подводных лодок. В настоящее время ультразвуковые локаторы используются для обнаружения айсбергов, косяков рыбы и т. п.

Известно, что, крикнув и определив время до прихода эха, т. е. звука, отраженного от препятствия — скалы, леса, поверхности воды в колодце и т. д. можно, умножив половину этого вре­мени на скорость звука, найти расстояние до препятствия. На этом принципе устроен упомянутый локатор, а также ультра­звуковой эхолот.

Скорости звука в газах:

; (4)

где - показатель адиабаты, R – газовая постоянная, М - масса моля газа.

Вычислим значение скорости звука в воздухе при температуре 290 К (комнатная температура). Для воздуха кг/моль. Газовая постоянная равна 8,31 Дж/(моль·К). Подставив эти значения в формулу (4), получим

.