4.3 Измерительный сигнал. Представление результатов измерений на выходе средств измерений

4.3.1 Измерительный сигнал – важное и широко используемое понятие в измерительной технике, являющееся частью более общего понятия «сигнал». Термин, понятие «сигнал» очень распространён в современной науке и технике: сигнал будильника, сигнал тревоги, сигнал светофора, сигнал дефектоскопа, радиосигнал, видеосигнал, цифровой сигнал, дорожный знак, пароль, символ, слово в устной или письменной форме, крик петуха, возбуждение нервной клетки и т.п. Все эти виды сигналов объединяет главное – они несут информацию, сведения, смысл. Отсюда и его определение: сигнал – материальный (вещественный или/ и энергетический) носитель информации, представляемый в виде сочетания предметов или любой неоднородности в том или ином физическом явлении или процессе. В любом случае неоднородность в явлении или теле становится сигналом только тогда, когда она отражает какой-то смысл, вложенный в неё живым существом, в том числе человеком. Однако во многих случаях сигналами называют сами физические явления, тела, их свойства, особенно когда они являются объектом наблюдения, измерения, изучения: свет звезды, молния, звук речи, колебание грунта при землетрясении, кровяное давление и т.д. Такое расширение понятия «сигнал» не правомерно и ошибочно, порождает понятийную и терминологическую путаницу, приводит к ложным понятийным построениям. То же самое нужно сказать и в отношении такого выражения как «измерение сигнала», поскольку сигнал – это результат измерения или наблюдения.

Применительно к измерениям и средствам измерений (в метрологии) – это всегда сигнал измерительной информации или измерительный сигнал, который однозначно связан с размером измеряемой величины. Эта связь устанавливается субъектом измерений, создателем средства измерений на базе общепризнанных условностей, договорённостей, норм.

В РМГ 29-99 «Метрология. Основные термины и определения» термин «Измерительный сигнал» трактуется как «сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине». В таком понимании данный термин применяется в двух смыслах: широком и узком. В широком смысле под измерительным сигналом понимается любой процесс, любая неоднородность, любое сочетание предметов, знаков, символов, отражающий измерительную информацию, в частности, отклонение стрелки вдоль шкалы измерительного прибора, число на цифровом табло, линия записи на диаграммной ленте. В узком смысле измерительный сигнал – это некий физический процесс или явление, действующее на выходе или внутри средства измерений, одно из свойств которого ставится в однозначное соответствие со значением измеряемой величины. В качестве таких сигналов используются процессы и явления разной природы, чаще всего: механические (перемещение линейное или угловое, скорость, сила, момент сил, давление газа или жидкости), электрические (заряд, электродвижущая сила, напряжение, сила тока, частота переменного тока, сопротивление, индуктивность, ёмкость, мощность), оптические (яркость, световой поток, длина волны). Их главной особенностью является то, что они не воспринимаются или не предназначены для восприятия органами чувств человека (субъекта измерений), а циркулируют внутри или между различного вида средствами измерений и других средств передачи или обработки информации (линии связи, регистраторы, управляющие устройства, компьютеры). Кроме того, в одном средстве измерений, тем более в разных, могут действовать одновременно измерительные сигналы разной природы или формы. Так в вольтметре, функциональная схема которого была рассмотрена выше (рисунок 4.1), действуют (последовательно от первого элемента к последнему) сигналы: преобразованное напряжение U′, сила тока I, магнитный поток Ф, сила F, момент вращения M, угол поворота оси α, перемещение конца стрелки l, число делений N.

Наиболее широкое применение в технике, в том числе в измерительной, находят электрические сигналы, поскольку основными средствами получения, переработки, передачи информации в настоящее время являются электрические и электронные средства: телефон, телеграф, радио- и телевизионные передатчики и приёмники, компьютеры и компьютерные сети.

Электрические сигналы (да и другие) порой представляют собой довольно сложные процессы, которые как физические объекты могут характеризоваться несколькими свойствами, величинами, параметрами. В качестве носителя информации обычно выбирается одно из них, которое в зависимости от принципа действия соответствующего технического средства (средства измерений) наиболее достоверно и однозначно может быть связано с содержанием и количеством информации. Такой параметр называется информативным.

Электрические сигналы разделяются на две основные группы: аналоговые и дискретные. У аналогового сигнала информативный параметр связан с количеством информации непрерывной зависимостью, функцией, т.е. малейшему изменению количества информации (размера измеряемой величины) соответствует такое же малейшее изменение размера информативного параметра. Типичными представителями таких сигналов являются:

- напряжение или сила постоянного тока, информативным параметром которых является изменяющееся в заданном диапазоне их значение и, дополнительно, их направление (полярность);

- переменное (обычно синусоидальное) напряжение, в качестве информативных параметров которого используются амплитудное и действующее значения, частота (период), фаза; процесс изменения названных параметров в зависимости от количества информации называется модуляцией: амплитудной (АМ), частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ).

У дискретного сигнала непрерывная связь между информативным параметром и количеством информации отсутствует. Преобразуемая (измеряемая) величина в этом случае представляется не непрерывной функцией во времени, а рядом отдельных её значений или по размеру (квантование), или по времени (дискретизация), или одновременно и по размеру, и по времени. Использование дискретных сигналов ведёт, в принципе, к потере и искажению первичной информации, которое за счёт совершенствования информационных средств может быть сведено к приемлемому уровню, но зато повышает устойчивость информации к искажению.

Дискретные сигналы используются в виде двух форм: скачок и импульс. Скачок – резкое, мгновенное изменение (увеличение или уменьшение) информативного параметра от одного значения до другого. Импульс – резкое, мгновенное изменение информативного параметра, представляющее собой два последовательных скачка противоположных направлений.

Скачок Импульс

Рисунок 4.3 – Графическое представление скачка и импульса

Если у скачка имеется только один информативный параметр – размер ΔХ или даже само появление скачка, то у импульса – их два: амплитуда А и длительность (ширина) Т, а у последовательности импульсов ещё и частота f. Дискретный сигнал в форме скачка в качестве измерительного сигнала обычно не выступает, зато широко используется как сигнал квазиизмерений.

Импульсные сигналы в свою очередь используются в двух вариантах: в виде непрерывной последовательности импульсов во времени и в виде комбинации (наличия - отсутствия в заданный момент времени) импульсов. В первом случае информативными параметрами являются: амплитуда импульса – амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), частота следования импульсов – частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), длительность (ширина) импульса – широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Во втором случае информативным параметром является число (цифра), выражаемое в двоичной системе счисления через комбинацию наличия импульса (единица, 1) и отсутствия его (нуль, 0) в заданный момент времени, при этом амплитуда, длительность и частота импульсов остаются неизменными; такой сигнал ещё называется цифровым, а вид комбинации импульсов – цифровым кодом (двоичный, двоично-десятичный, последовательный, параллельный и т.п.).

Наряду с информативными параметрами сигналы имеют также параметры неинформативные, часть из которых являются необходимыми и обеспечиваемыми, а часть – ненужными, бесполезными, паразитными, приводящими к искажению сигналов и, как следствие, получаемой, передаваемой и перерабатываемой информации. К первым относятся такие параметры как напряжение для токового сигнала или сила тока для сигнала в виде напряжения, расход воздуха для пневматического сигнала, у аналоговых сигналов переменного тока в случае амплитудной модуляции – это частота и фаза, частотной – амплитуда и фаза, фазовой – амплитуда и во всех случаях – мощность. То же имеет место применительно к импульсным сигналам по первому варианту. У цифровых сигналов такими параметрами являются амплитуда, длительность (ширина), частота и мощность.

Неинформативные паразитные параметры – это пульсации у сигналов постоянного тока, искажение формы синусоидальных сигналов, конечная длительность фронтов и спадов импульсов и ряд других. Данные параметры, возникающие в силу или внутреннего несовершенства технических средств, или внешнего воздействия на них, и часто называемые помехами, подлежат устранению или, в крайнем случае, к уменьшению до приемлемого уровня. Наиболее подвергаемы помехам аналоговые сигналы, наименее – дискретные, особенно цифровые.

Многое из того, что сказано об электрических сигналах, применимо и к сигналам неэлектрическим, в частности, оптическим и пневматическим.

4.3.2 Из вышеизложенного следует, что результаты измерений (измерительная информация) на выходе средств измерений (приборов, преобразователей, установок, комплексов) могут быть представлены в разной форме. Наиболее привычная из них – показание, т.е. форма, доступная для непосредственного восприятия субъектом измерений (наблюдателем, экспериментатором, оператором) посредством зрения. Формирование показания осуществляется с помощью показывающего устройства. Измерительные приборы, имеющие показывающее устройство, дополнительно называют показывающим. Показывающие устройства имеют также многозначные меры и дозаторы, но уже не на своём выходе, а на входе.

Кроме того показание может быть аналоговым или цифровым. Аналоговое показание представляет собой перемещение указателя вдоль шкалы, подвижной шкалы относительно неподвижного указателя, поплавка или столба жидкости вдоль шкалы, электронного луча по экрану электроннолучевой трубки вдоль шкалы, при этом это перемещение (показание) является непрерывной функцией изменяющейся измеряемой величины или изменяемой воспроизводимой величины (в многозначной мере). Цифровое показание представляет собой число из набора десятичных цифр, воспроизводимых различными способами на показывающем устройстве (цифровом табло, в частности). Цифровое показание, в силу конечного количества разрядов в числе, неизбежно является квантованным по уровню и дискретным во времени. В соответствии с аналоговой или цифровой формой показания измерительные приборы или многозначные меры называются соответственно аналоговыми или цифровыми.

Несмотря на широкое распространение показывающих измерительных приборов, всё же не всякую измерительную задачу можно решить с их помощью. Показания как форма представления результата измерения имеют две особенности, которые в определённых условиях становятся их недостатками. Во-первых, показание носит временный, сиюминутный характер, во-вторых, показание не может быть воспринято другими техническими средствами в составе, например, автоматизированной системы управления. Поэтому наряду с показаниями существуют ещё две формы представления результатов измерений: регистрация и выходной сигнал.

Регистрация обеспечивает возможность записи, запоминания результата измерений с последующим его использованием и/или хранением. Средства измерений, обладающие данной формой представления результатов измерений, называются регистрирующими, которые в свою очередь могут быть или регистрирующими измерительными приборами, когда способ регистрации позволяет результаты измерений воспринять человеку (запись в форме диаграммы или ряда чисел на бумажном носителе), или измерительными регистраторами («чёрными ящиками»), когда регистрация скрыта от непосредственного восприятия человеком (запись на магнитном носителе или в электронных устройствах памяти). Регистрация, также как и показания, может быть как аналоговой, так и цифровой.

Выходной сигнал – это измерительный сигнал (в узком смысле) на выходе средств измерений, а это, главным образом, измерительные преобразователи и меры активных величин. В качестве выходных находят применение сигналы всех видов и форм, рассмотренных выше. Но в любом случае они представляют собой сигналы нормированные, т.е. диапазон изменения их информативного параметра является неизменным, одним и тем же, выбранным по соглашению и установленным нормативным документом, не зависящим от диапазона измерения измеряемой величины. Так, например, нормированным пневматическим сигналом является изменение давления сжатого воздуха в диапазоне 20 – 100 кПа, силы постоянного тока – в диапазоне 0 – 5 или 4 – 20 мА, напряжения постоянного тока – в диапазоне 0 – 1(10) В, частотны – в диапазоне 0 – 100 Гц; для электрических цифровых сигналов нормируется его код, например, двоично-десятичный с весами двоичных разрядов 8-4-2-1 и т.д. Дополнительно подлежат нормированию и неинформативные параметры нормированных сигналов.

Наличие и использование нормированных измерительных сигналов, а они могут быть не только выходными, но и входными, обеспечивают информационную и техническую совместимость средств измерений, автоматизации, контроля и других информационных средств друг с другом при их совместном использовании.

Конкретные типы средств измерений могут иметь выходы всех трёх форм в любом сочетании.