3.1. Функция передачи информации – общие сведения

Передачу информации в измерительной технике обычно связывают с понятием сигнала и со структурным представлением средств измерений. Можно сразу отметить: физиология учит, что информация может передаваться не только сигнальным процессом, как в аксонах нервных клеток, но и сигнальным веществом, – например, медиатором в синапсах.

Функция передачи информации наиболее заметна в тех случаях, когда нужно передавать информацию либо на значительное расстояние, либоиз недоступного места.

В медицине много таких случаев, когда для этих целей организуется техническими средствами специальный канал передачи информации. Это – исследование внутренних органов с помощью “радиопилюль” и зондов с оптической передачей информации, спортивная телеметрия (передача информации с действующего спортсмена), а также вся так называемая телемедицина.

Передача информации из недоступного места может происходить и без организации специального канала – с помощью стимула в виде проникающего излучения или поля той или иной природы. Примерами могут служить рентгеновские и ультразвуковые исследования, магнитно-резонансная или иная томография и т. п.

Наконец, информация из недоступного места может передаваться “самотёком” – либо сигналом, который создаётся самим объектом, как это происходит при кардиографии, энцефалографии, миографии и т. п., либо веществом, которое производит сам объект, как при анализе различных выделений.

Однако имеется ещё и третья (наряду с передачей из недоступного или удалённого места) ситуация, когда функция передачи информации играет существенную роль. Имеются в виду случаи, когда исходная информация представлена в неудобном виде, например, сигнал слишком слаб или имеет физическую природу, не позволяющую осуществить сравнение.

Но информация в неудобном виде может быть представлена не только сигналом, но и веществом. В этом случае в эксперименте большое место занимаютподготовительные операции. Сущностью этих операций является именно передача информации веществом!

Сказанное иллюстрируется схемой способов передачи информации (рис. 3.1). Можно придти к заключению о том, что анализ функции передачи информации полезен не только при оценивании уже выполненного исследования, но и при организации нового эксперимента, когда приходится выбирать способ передачи информации от объекта.

Метрологическая сторона функции передачи информации в любом из её вариантов очевидна: при передаче информация всегда в той или иной степени искажается. Например, если информативным параметром электрического сигнала является напряжение, то при передаче этого сигнала по проводу напряжение уменьшается из-за падения, вызванного сопротивлением провода, а, кроме того, к сигналу добавляются помехи. При передаче информации веществом последнее может вступать в нежелательные реакции, что также приводит к искажению информации.

В связи с анализом функции передачи информации хочется обратить внимание на понятие измерительного канала. Соответствующий термин, по-видимому, не имеет стандартизованного определения, тем более представляется полезным его обсудить.

Обратимся к рис. 3.2, на котором приведены некоторые (из многих возможных) иллюстрации к обсуждению. Рис. 3.2, а иллюстрирует “классический” подход к измерению прибором непосредственной оценки – “объектом измерения является измеряемая величина”. Ясно, что в такой трактовке нет места понятию измерительного канала.

Положение меняется, когда прибор усложняется настолько, что в его структуре становится целесообразным выделить ряд преобразователей информации – от П₁ до П_n на рис. 3.2, б. Эта цепь преобразователей (в ней могут быть замкнутые контуры, но сейчас это несущественно) и представляет собой измерительный канал. Такой же измерительный канал может быть построен из отдельных преобразователей, не объединённых в корпусе прибора. В последнем случае законодательная метрология позволяет поверять преобразователи отдельно друг от друга (прибор, конечно, поверяется как единое целое).

Однако при любом способе поверки не учитывается погрешность, обусловленная взаимодействием реального объекта с измерительным каналом – единую цепь передачи информации метрологи вынуждены разрывать на входе преобразователя П₁.

Профессор нашей кафедры Геннадий Николаевич Солопченко предложил для погрешности, обусловленной взаимодействием, термин “погрешность применения” (имеется в виду применение вышедшего из рук метрологов, поверенного прибора). Эта погрешность оценивается по известным входным параметрам измерительного канала.

Немногим сложнее оказывается ситуация, когда последний в цепи преобразователь П_n, осуществляющий аналого-цифровое преобразование, сопрягается с компьютером, выполняющим обработку данных программными средствами – рис. 3.2, в. В этом случае требуется метрологически аттестовать также и программу (такая аттестация имеет свои особенности, но мы не будем на них отвлекаться). Взаимодействие с объектом и в этой ситуации выносится за рамки измерительного канала. Отметим, что если исследователь апостериорно (“off line”) обрабатывает уже зарегистрированные данные, то эти операции тоже не включаются в измерительный канал.

Но передача информации может усложняться не только со стороны выхода измерительного канала, как это происходит при добавлении программной части. Известным примером являются аналитические измерения на основе зависимостей типа состав → свойство (рис. 3.2, г). Здесь цепь передачи информации начинается внутри объекта!

По нашей терминологии это есть ассоциативное измерение, причём ассоциация имеет место не в приборе (как, например, при измерении температуры по Реомюру), а в объекте исследования, который выступает как своеобразный измерительный преобразователь. Однако последнее замечание является ересью с точки зрения классической метрологии – ведь измерительный преобразователь должен иметь нормированные метрологические характеристики, а “поверить объект” невозможно.

Такие ситуации встречаются и в машиностроительных измерениях – так, иногда твёрдость и напряжённое состояние металла определяют по его магнитным свойствам, с помощью накладных датчиков.

Приведём ещё более простой пример. В технических паспортах приборов для измерения артериального давления с помощью манжеты (неважно, по Короткову или осциллометрическим методом) указывается допускаемая погрешность. Но эта погрешность относится только к манометру прибора! Насколько давление в пережимаемой артерии соответствует давлению в манжете, отделённой от артерии мышечной тканью, – это метролога, поверяющего манометр, не интересует. В данном случае мы имеем дело даже не с ассоциативным измерением, а с измерением с помощью классического метода уравновешивания, только операция сравнения осуществляется внутри организма.

Ещё более длинная цепочка преобразований информации, предшествующих взаимодействию с техническими средствами, реализуется в исследованиях, требующих подготовительных операций. На рис. 3.2, д соответствующая структура показана условно, объект не отделён от подготовительных операций и не показана возможная программная часть измерительного канала.

Когда подготовительных операций много, создаётся впечатление, что преобразование информации в основном происходит именно при подготовке к собственно измерению. Соответственно в этой части цепочки преобразований, на которую метрологи склонны не обращать внимания, могут быть сосредоточены основные источники погрешностей и неопределённостей. Однако называть измерительным каналом всю цепочку преобразований, включающую подготовительные операции (а также и операции апостериорной обработки данных), было бы неправильно с точки зрения классической метрологии. Можно предложить для всей этой цепочки название: канал преобразования информации.

Итак, в понятие измерительного канала включаются как аппаратные, так и программные средства преобразования информации. Но операции преобразования информации, происходящие внутри объекта исследования или выполняемые при его подготовке к собственно измерению, считаются выходящими за рамки измерительного канала.