2.3.3.4 Влияние наблюдателя: методы сопряжения

В разделе 2.3.3 мы видели, что взаимодействие между измерительной системой наблюдателем состоит из двух компонент. Желательная компонента — это влияние измерительной системы на наблюдателя, посредством которой наблюдателю доставляется измерительная информация. Нежелательной ком­понентой является влияние наблюдателя на измерительную систему. К со­жалению, эта последняя компонента часто приводит к тому, что результат измерения зависит от наблюдателя.

Например, результатом измерения с помощью стрелочного прибора яв­ляется отклонение стрелки, значение которого отсчитывается по располо­женной за стрелкой фиксированной калиброванной шкале. Если между шка­лой и стрелкой имеется некоторое расстояние, то правильным результатом является тот отсчет по шкале, на который приходится точка ортогональной проекции стрелки на плоскость шкалы. Когда наблюдатель регистрирует по­ложение стрелки, не расположив глаз в проходящей через стрелку плоско­сти, перпендикулярной шкале, он фактически изменяет процедуру измере­ния (производя отсчет по наклонной проекции, а не по ортогональной). Поэтому результат измерения становится другим (ошибка из-за параллакса). Наблюдатель вносит ошибку считывания.

Кроме неправильных наблюдении (ошибок считывания), ошибки могут возникать также из-за влияния наблюдателя на работу измерительной сис­темы (ошибки настройки). Другими словами, ошибки, как следствие влия­ния наблюдателя, происходят на «стыке» между наблюдателем/оператором с одной стороны и измерительной системой с другой.

Пример. Когда с помощью плавно подстраиваемого моста осуществляет­ся измерение импеданса, наблюдатель/оператор вносит как ошибки считы­вания (при регистрации показаний нуль-детектора и при отсчете по шкале регуляторов, посредством вторых производится подстройка импедансов моста), так и ошибки настройки (установка нуля на нуль-детекторе, балан­сировка моста с помощью регулируемых элементов моста). Если чувстви­тельность нуль-детектора к изменениям параметров моста сделать малой, то ошибки, являющиеся следствием влияния наблюдателя/оператора, будут в данном примере, главным образом, ошибками чтения. В этом случае для получения малых ошибок необходимо, чтобы показания нуль-детектора ре­гистрировались чрезвычайно точно. Если сделать чувствительность нуль де­тектора большой (когда малый разбаланс элементов моста вызывает большое отклонение), то необходимо с исключительной точностью настраивать мост. Теперь основную роль, в ошибках, связанных с влиянием наблюдателя, играют ошибки настройки. (В этом примере, ради простоты, мы не рассматриваем ошибки чтения, допускаемые впоследствии при отсчете показаний регуляторов моста.) На практике стараются свести ошибки чтения и ошиб­ки настройки примерно к одинаково малым значениям (оптимальное изме­рение).

Чтобы ошибки, возникающие из-за влияния наблюдателя/оператора, сделать малыми, необходимо адаптировать измерительную систему к навы­кам наблюдателя.

Это достигается подгонкой тех частей измерительной системы, которы­ми она непосредственно обращена к наблюдателю (устройства индикации) или оператору (пульт управления, кнопки, ручки и т. д.), под специфичес­кие характеристики, которыми, как можно ожидать, обладает наблюдатель/оператор.

В разделе 2.3.3 мы ввели термин наблюдатель/оператор в самом общем виде, включив в это понятие как человека, так и машину-автомат, играю­щую роль наблюдателя и оператора (компьютер, например). Когда результа­ты измерения поступают в машину, можно надлежащим образом сопрячь выходную часть измерительной системы с этой машиной, или, наоборот, осуществить согласование входной части машины с выходом измерительной системы, в результате чего ошибки, связанные с воздействием наблюдателя на систему (например, из-за нагружающего действия или неточности на­стройки), будут сведены к минимуму. Точно так же можно осуществить со­пряжение выходного узла машины с управляющими входами измеритель­ной системы, чтобы лучше управлять ею. Поэтому при согласовании на сты­ке между машиной-автоматом в роли наблюдателя/оператора и измеритель­ной системой почти никогда не возникает никаких проблем.

Что же касается случая, когда наблюдателем/оператором является чело­век, то можно заметить, что после определенного времени его тренировки, связанные с ним ошибки становятся меньше. Человек сам приспосабливает­ся к данной измерительной системе. Цель адаптации измерительной системы к человеку, выступающему в роли наблюдателя/оператора, состоит в том, чтобы обеспечить возможность быстрого получения правильных результатов измерений необученным наблюдателем и сделать наблюдения и регулиров­ки менее утомительными, в результате чего вероятность допущения челове­ком промахов и ошибок уменьшается.

Ниже мы ограничимся рассмотрением сопряжения измерительной сис­темы с наблюдателем/оператором — человеком. В данном случае измеритель­ная система должна выдавать результат измерения в таком виде, чтобы его отображение органами чувств наблюдателя было идентично информации, содержащейся в результате измерения Изучение того, каким должно быть такое представление, — это одна из задач эргономики и сенсорной психологии Кроме того, управление измерительной системой должно быть сконструи­ровано так, чтобы предотвратить возникновение ошибок настройки, на­сколько это возможно.

Почти во всех измерительных приборах предполагается, что перенос ин­формации будет происходить исключительно посредством зрения, то есть только одного из пяти чувств человека (зрение, слух, осязание, обоняние и вкус). Поэтому сигнал на выходе электрической измерительной системы должен быть преобразован в оптический сигнал. Это осуществляется с помо­щью выходного преобразователя — устройства индикации. Человек почти всегда вручную управляет прибором и выполняет его регулировку; следова­тельно, необходимо, чтобы органы управления прибором (ручки, клавиши и т. д.) были рассчитаны на работу рукой, то есть были удобны с точки зрения наших осязательных навыков, силы и размера наших пальцев.

Ниже приведены несколько соображений, которые должны быть приня­ты во внимание, чтобы с прибором было удобно работать. Органы управле­ния необходимо расположить справа (для оператора-правши), объединив их в функциональные или логические группы. Органы управления и пере­ключатели не должны быть слишком маленькими и не должны быть разме­щены слишком близко друг к другу. Для плавных регулировок, не требую­щих больших усилий, нужно применять ручки с неглубоким рифлением. Если важным является положение органа управления, то ручка должна быть снабжена стрелкой или шкалой в окошке.

Соображения, касающиеся удобства визуального наблюдения, таковы. Форма и размер символов, используемых в устройстве индикации, должны гарантировать удобочитаемость результата измерения; фон должен быть воз­можно более контрастным, причем предпочтительно иметь черные буквы на белом фоне или наоборот. Тип шкалы должен соответствовать функциям, возложенным на устройство индикации. Например, если необходимо срав­нивать две величины, то следует воспользоваться двумя расположенными рядом измерительными приборами с вертикальными шкалами. Для считы­вания значений измеряемых величин предпочтительнее измерительные при­боры с горизонтальными шкалами. Для регистрации быстро флуктуирую­щих величин применяют стрелочные приборы с круговой шкалой. Направ­ление, в котором происходит изменение положения указателя с ростом из­меряемой величины, должно быть следующим: при горизонтальной шкале — слева направо; при вертикальной шкале — снизу вверх; при круговой шкале — по часовой стрелке.

Различают два типа устройств индикации: аналоговые или непрерывные устройства и цифровые или дискретные устройства. Аналоговое устройство индикации может показать любое значение между заданными нижним и вер­хним пределами; диапазон индицируемых значений непрерывен. Такого типа устройство индикации называют аналоговым, поскольку указатель в нем движется соответственно входной величине. У цифрового устройства индика­ции диапазон возможных значений дискретен, то есть может воспроизво­диться только конечное число значений между заданными нижним и верх­ним пределами.

У большинства аналоговых приборов отсчет производится примерно од­ним и тем же способом, обычно по результату вращательного или поступа­тельного движения указателя по отношению к фиксированной опорной сетке или шкале (см. рис. 2.63). Отклонение указателя по отношению к его исход­ному положению служит мерой измеряемой величины. Примерами такого рода являются отклонение электронного луча, определяемое по сетке на экране электронно-лучевой трубки, или движение указателя горизонта в искусственном горизонте на самолете.

(b)

Рис. 2.63. Традиционные аналоговые устройства индикации, (а) Приборы с фиксированной шкалой и вращательным или поступательным движением указателя. (b) Сложное аналоговое устройство отображения (искусственный горизонт).

Цифровые устройства индикации, чаще всего применяемые для целей измерений, в большинстве случаев вырабатывают последовательность сим­волов (цифр, арифметических знаков, букв и т. д.). На рис. 2.64 приведены примеры таких устройств: цифровой индикатор, который показывает толь­ко цифры (рис. 2.64(a)), и алфавитно-цифровой индикатор (рис. 2.64(b)), способный воспроизводить также другие символы. Оба индикатора, пока­занные на рис. 2.64, используются в электрооптических устройствах отобра­жения.

Кроме аналоговых и цифровых устройств индикации существуют также гибридные устройства. Они, по существу, являются цифровыми устройства­ми, у которых способ представления младшего десятичного разряда носит непрерывный характер, как, например, счетчик пройденного расстояния на спидометре автомобиля (см. рис. 2.65).

Аналоговое устройство индикации не только показывает величину откло­нения, но обеспечивает также наглядное отображение тенденции измене­ния отклонения во времени. Производная отклонения dy / dt определяет скорость и направление изменения y(t). Цифровое же устройство индика­ции, напротив, не годится для отображения тенденции изменения измеря­емой величины. Таким образом, аналоговое устройство является не только индикатором величины, но также и устройством, воспроизводящим направ­ление изменения. Это обеспечивает наличие ряда достоинств, проявляющих­ся особенно ярко при установке, выравнивании или подстройке прибора Используя аналоговое устройство индикации, эти действия можно, как пра­вило, выполнить быстрее. (Поэтому нуль-детектор должен иметь аналоговый

Рис 2.64 Сегментные устройства индикации (а) с семью сегментами и (Ь) матричный элемент (дисплей), содержащий 5x7 точек

Рис 2 65 Гибридное устройство индикации В первых четырех разрядах значе­ние меняется скачком, а в

последнем разряде движется плавно

индикатор.) Однако применение аналогового устройства индикации озна­чает неизбежное внесение ошибок чтения. При использовании цифрового устройства индикации такие ошибки не вносятся. Подразумевается, что даже в том случае, когда отклонение указателя вдоль шкалы аналогового измери­теля является абсолютно правильным, точный отсчет все же произвести нельзя.

Регистрируя показания аналогового измерителя, наблюдатель приписы­вает отклонению стрелки определенное значение на шкале. Затем он дей­ствует, по существу, как аналого-цифровой преобразователь. Однако по ходу этих действий наблюдатель допускает ошибки (ошибки вследствие парал­лакса, ошибки интерполяции и т. д.), относительно которых предполагает­ся, что они случайно распределены в окрестности истинного значения К сожалению, воспроизводимость результатов у такого одушевленного аналого-цифрового преобразователя довольно плохая. Поэтому точность, которой можно достичь, применяя аналоговое устройство индикации, низка (при­близительно лишь 0,1 — 1% от полной шкалы).

При считывании измеренного значения по аналоговому устройству ин­дикации вносятся ошибки (ошибки вследствие параллакса, ошибки интер­поляции и — в случае, когда перед измерением нужно устанавливать нуль прибора, — ошибки смещения). Чтобы минимизировать эти ошибки, важно согласовать прибор с наблюдателем. Интерполяцию легче осуществить, ког­да шкала линейна, ее размеры велики, она нанесена четко и разбита на 10 или на 3 крупные доли. Зеркальная шкала значительно уменьшает ошибки вследствие параллакса.

Поскольку цифровое устройство индикации выдает наблюдателю число, ошибки чтения не происходит. (Правда, наблюдатель может все же допус­тить ошибку другого рода, а именно, сбиться при считывании или спутать

цифры.) Поэтому цифровые устройства индикации бывают специально рас­считаны на то, чтобы показывать постоянные значения с высокой точнос­тью. Единственная ошибка, вносимая при использовании цифровых уст­ройств индикации, это ошибка квантования, обусловленная конечной раз­решающей способностью дисплея. В большинстве цифровых устройств ин­дикации младшие разряды просто отбрасываются, вследствие чего возника­ет ошибка усечения. Величина этой ошибки обратна значению индицируе­мого числа (без учета десятичной запятой).

Как мы видели, считывание данных с аналогового устройства индика­ции по своей природе сопряжено с внесением ошибок чтения, тогда как применение цифрового устройства индикации обуславливает наличие оши­бок квантования. Измерительная система вносит свои ошибки (ошибки, возникающие в самой системе и вследствие помех со стороны окружающей среды). Эти ошибки часто называют ошибками отображения. Очевидно, нет смысла в проектировании системы с ошибками отображения, много мень­шими чем ошибка чтения или ошибка квантования.

Ошибки чтения, происходящие при использовании аналогового устрой­ства индикации, являются постоянными ошибками: они имеют постоян­ную величину во всем интервале значений, на который рассчитан прибор. Поэтому абсолютное значение ошибки не зависит от величины отклонения указателя и его принято выражать в процентах относительно полной шкалы. Например, ошибки отображения, возникающие из-за ухода чувствительно­сти измерительной системы от номинального значения, вызовут погреш­ность, величина которой будет постоянна в пределах всей линейной шкалы устройства индикации. Поэтому данная ошибка указывается в процентах по отношению к индицируемому значению. На рис. 2.66 в качестве примера пред­ставлен случай, когда указание в технических характеристиках погрешности

Рис. 2 66 Относительная погрешность Δу/у показаний прибора у для трех раз­личных вариантов определения погрешности, указываемой в технических ха­рактеристиках для аналогового устройства индикации с линейной шкалой

в процентах только по отношению ко всей шкале или только по отношению к индицируемому значению является слишком грубым; в этом примере пред­полагается, что ошибка отображения составляет 0,5% относительно инди­цируемого значения, а ошибка чтения — 0,5% от всей шкалы, и отсчет производится на интервале от 30% до 100% полной шкалы. Устройство ин­дикации окажется фактически более точным, если в качестве погрешности будет указана только одна из упомянутых относительных ошибок.