2.4 Структура измерительных систем

До сих пор мы называли измерительной системой всю совокупность измери­тельных приборов и устройств, необходимых для проведения измерения. При этом под «системой» понимался как одиночный прибор, так и сложная изме­рительная установка. Мы не детализировали внутреннюю конфигурацию или структуру измерительной системы. В этом параграфе мы рассмотрим функци­ональную внутреннюю структуру измерительной системы (см. рис. 2.67).

Информация, которую мы хотим получить от измеряемого объекта, не всегда имеет форму активной информации. В тех случаях, когда измеряемая величина не является активной, необходимо воспользоваться источником возбуждения, который будет оказывать воздействие на измеряемый объект. Тогда отклик объекта (вместе с самим воздействием) будет содержать жела­емую информацию. Если же измеряемый объект сам порождает сигнал, уже содержащий желаемую информацию, то во внешнем возбуждении нет на­добности.

Часто параметр или переменная величина, которую мы хотим измерить, имеет электрическую природу. Когда нужно измерить неэлектрические па­раметры или переменные, такие как жесткость, тепловое сопротивление, смещение и т. д., чаще всего применяется того или иного рода датчик или преобразователь, и система в целом не остается чисто механической или тепловой измерительной системой. В датчике входной параметр или переменная трансформируются в электрический

Рис. 2.67. Обобщенная внутренняя структура измерительной системы.

выходной сигнал, который не­сет информацию об исходной измеряемой величине.

Большим достоинством такого преобразования в электрический сигнал является тот факт, что оно дает нам возможность в дальнейшем обрабаты­вать информацию с помощью электроники, а это совсем не дорогой и гиб­кий способ обработки. Например, в таком виде информацию легко переда­вать на большие расстояния при минимальном мешающем действии окру­жающей среды. Передавая измерительную информацию, мы можем осуще­ствлять измерения на расстоянии (это называют телеметрией). Особенно полезно это для измерений в недоступных местах или в агрессивной среде, например, под водой (в океанографии), в атмосфере (в метеорологии) или при измерении большого числа объектов, которые разнесены далеко друг от друга (например, измерения в пищевой или нефтяной промышленности).

Иногда передача информации осуществляется другими, неэлектричес­кими средствами. В некоторых отраслях обрабатывающей промышленности, где имеют дело с воспламеняющимися веществами, для передачи информа­ции применяют пневматическую телеметрию. Данные измерений в этом случае передаются по тонким трубкам посредством давления газа.

Если телеметрический канал оборван (или в нем произошло короткое замыкание), то в некоторых случаях внезапное появление нуля на выходе может быть опасным, когда известно, что измеряемая величина заведомо не равна нулю. По этой причине часто определенное значение тока или напря­жения покоя принимают за нулевое значение, называя его «живым нулем». Когда «живой нуль» нарушается, неполадки обнаруживаются и активизиру­ется механизм, обеспечивающий безопасность при возникновении непола­док, чтобы вернуться к безопасным условиям работы.

В телеметрической системе измерительная информация не обязательно бывает представлена в виде величины электрического потенциала или тока. Иногда, чтобы сделать систему менее чувствительной к возмущениям, ин­формацию помещают в частоту сигнала или в длительность импульсов, сле­дующих с постоянной частотой, или даже передают ее в цифровом виде. Эти методы передачи обладают большой помехоустойчивостью и лучше защи­щены от шумов.

Как правило, электрический сигнал на выходе датчика не пригоден для того, чтобы быть непосредственно представленным наблюдателю. Часто бы­вает необходимо сначала подвергнуть его обработке того или иного вида (усилению, фильтрации, коррекции нелинейности датчика и др.).

После такой обработки сигнал может быть представлен наблюдателю. Мы можем показать результат человеку-наблюдателю или управлять посредством результирующего выходного сигнала механическим наблюдателем (автома­том). Выходной сигнал можно также временно сохранить в памяти и вос­пользоваться им позднее. В этом случае говорят о регистрации результата измерения.

Не во всякой измерительной системе имеются все шесть подсистем, ука­занных на рис. 2.67. Подсистемы не обязательно должны следовать в том порядке, как указано в нашем примере. Часто, например, какая-то обработ­ка сигнала производится до его передачи.

Иногда различные подсистемы могут быть объединены в один измери­тельный прибор, но могут быть также реализованы порознь, как отдельные устройства. Магнитофон, например, является лишь регистрирующим при­бором, тогда как перьевой самописец служит как для регистрации результа измерения, так и в качестве устройства индикации.

Ниже рассматриваются подсистемы, на которые мы разбили измери­тельную систему общего вида.