Представление результата измерения.
Согласно МИ 1317 – 86 различают четыре формы представления результата измерения:
х, Δ от Δн до Δв, р(Δ).
х, Δс от Δс.н. до Δс.в., р(Δс), σ(Δ0).
х, σ(Δс), рст(Δс), σ(Δ0), рст(Δ0).
х, закон распределения Δс, закон распределения Δ0.
Модели измерительных каналов
В реальных каналах передачи данных на сигнал действует сложная помеха и дать математическое описание принимаемого сигнала практически невозможно. Поэтому при исследовании передачи сигналов по каналам применяются идеализированные модели этих каналов.
Модель канала
Гауссовский канал . Помеха в нем аддитивна и представляет собой эргодический нормальный процесс с нулевым математическим ожиданием. Гауссовский канал достаточно хорошо отражает лишь канал с флуктуационной помехой. При мультипликативных помехах используют модель канала с релееевским распределением. При импульсных помехах применяется канал с гиперболическим распределением.
Модель дискретного канала совпадает с моделями источников ошибок.
Существует ряд математических моделей распределения ошибок в реальных каналах связи, такие как Гильберта, Мертца, Мальденброта и др.
Модели измерительного канала. Раньше средства измерительной техники проектировались и изготовлялись в основном в виде отдельных приборов, предназначенных для измерения одной или несколько физических величин. В настоящее время проведение научных экспериментов, автоматизация сложных производственных процессов, контроль, диагностика и т.д. немыслимы без применения различных по назначению измерительных информационных систем (ИИС), позволяющих автоматически получить необходимую информацию непосредственно от изучаемого объекта, переработать и выдать ее в требуемой форме. Специализированные измерительные системы разрабатываются практически для всех областей науки и техники.
При проектировании ИИС по заданным техническим и эксплуатационным характеристикам возникает задача, связанная с выбором рациональной структуры и набором технических средств для ее построения. Структура ИИС в основном определяется методом измерения, положенным в ее основу, а количество и тип технических средств - информационным процессом, протекающим в системе. Оценку характера информационного процесса и видов преобразования информации можно произвести на основании анализа информационной модели ИИС, но ее построение является достаточно трудоемким процессом, а сама модель настолько сложна, что затрудняет решение поставленной задачи.
В связи с тем, что в ИИС третьего поколения обработка информации осуществляется в основном универсальными ЭВМ, являющимися структурным компонентом ИИС, и при проектировании ИИС они выбираются из ограниченного ряда серийных ЭВМ, то информационная модель ИИС можно упростить, сведя ее к модели измерительного канала (И.К). Во всех измерительных каналах ИИС, включающих в себя элементы информационных процессов от получения информации от объекта исследования или управления до ее отображения или обработки и запоминания, содержится некоторое ограниченное количество видов преобразования информации. Объединив все виды преобразования информации в одном измерительном канале и выделив последний из состава ИИС, а также имея в виду, что на входе измерительной системы всегда действуют аналоговые сигналы, получим две модели измерительных каналов с прямым (рис. 4.10,а) и обратным (рис. 4.10,б) преобразованиями измерительной информации
Рис. 4.10. Модель измерительного канала а) прямого преобразования и б) обратного преобразования измерительной информации
На моделях, в узлах 0-4 происходит преобразование информации. Стрелки указывают направление информационных потоков, а их буквенные обозначения - вид преобразования.
Узел 0 является выходом объекта исследования или управления, на котором формируется аналоговая информация А, определяющая состояние объекта. Информация А поступает в узел 1, где она преобразуется к виду Ан, для дальнейших преобразований в системе. В узле 1 могут осуществляться преобразования неэлектрического носителя информации в электрический, усиление, масштабирование, линеаризации и т.д., то есть нормирование параметров носителя информации А.
В узле 2 нормированный носитель информации Ан для передачи по линии связи модулируется и предоставляется в виде аналогового АМ либо дискретного ДМ сигнала.
Аналоговая информация АМ в узле 31 демодулируется и поступает в узел 41, где она измеряется и отображается.
Дискретная информации в узле 32 либо преобразуется в аналоговую информацию Ад и поступает в узел 41, либо после цифрового преобразования поступает на средство отображения цифровой информации или в устройство ее обработки.
В некоторых И.К нормированный носитель информации А из узла 1, сразу поступает в узел 41 для измерения и отображения. В других И.К аналоговая информация А без операции нормирования сразу поступает в узел 2, где она дискретизируется.
Таким образом, информационная модель (рис. 1.13,а) имеет шесть ветвей, по которым передаваться потоки информации: аналоговые ветки 0-l-2-31-41 и 0-l-41 и аналогово-дискретные 0-l-2-32-41, 0-1-2-32-42 и 0-2-32-41, 0-2-32-42. Ветвь 0-l-41 не используется при построении измерительных каналов ИИС, а применяется лишь в автономных измерительных приборах, и потому на рис. 1.13а) не показана.
Модель, приведенная на рис. 1.13,б), отличается от модели на рис. 1.13,а) лишь наличием ветвей 32-1/-0, З1-1/-0, З2-1/-1 и З1-1/-1 по которым осуществляется обратная передача аналогового носителя информации Ад/. В узле 1' выходной носитель дискретной информации Ад/ преобразуется в однородный с носителем входной информации А или носителем нормированной информации Ан сигнал А/. Компенсация может быть осуществлена как по А, так и по Ан.
Анализ информационных моделей измерительных каналов ИИС показал, что при построении их на основе метода прямого преобразования возможны лишь пять вариантов структур, а при использовании методов измерения с обратным (компенсационным) преобразованием информации 20.
В подавляющем большинстве случаев (особенно при построении ИИС для удаленных объектов) обобщенная информационная модель И.К. ИИС имеет вид, показанный на рис. l.13,), a наибольшее распространение получим аналогово-дискретные ветви 0-1-2-32-42 и 0-2-32-42. Как видно, для указанных ветвей число уровней преобразования информации в И.К. не превышает трех.
Так как в узлах располагаются технические средства, осуществляющие преобразование информации, то, учитывая ограниченное число уровней преобразования, их можно объединить в три группы. Это позволит при разработке И.К. ИИС выбрать нужные технические средства для реализации той или иной структуры.
Группа технических средств узла 1 включает в себя весь набор первичных измерительных преобразователей, а также унифицирующие (нормирующие) измерительные преобразователи (УИП), осуществляющие масштабирование, линеаризацию, преобразование мощности и т.д.; блоки формирования тестов и образцовые меры.
В узле 2, в случае наличия аналого-дискретных ветвей, располагается другая группа средств измерения: аналого-цифровые преобразователи (АЦП), коммутаторы (КМ), служащие для подключения соответствующего источника информации к И.К. или устройству обработки, а также каналы связи (К.С.).
Третья группа (узел 3) объединяет в своем составе преобразователи кодов (ПК), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и линии задержки (ЛЗ).
Таким образом, информационная модель И.К. ИИС позволяет перейти к его структуре по схеме, которая для ветви 0-1-2-32-42 имеет следующий вид (рис. 4.11):
Рис. 4.11. Структурная схема измерительного канала ИИС
На рис.4.11 сделаны обозначения ПП – первичный преобразователь; ПК – преобразователь кодов; Кл – ключевой элемент управляемого коммутатора КМ.
Приведенная структура И.К., реализующая метод прямых измерений, показана без управляющих работой коммутационным элементом и АЦП связей. Она является типовой, и на ее основе строится большинство многоканальных ИИС, особенно ИИС дальнего действия.
Интерес представляют методы расчета И.К. для различных рассмотренных выше информационных моделей. Строгий математический расчет не возможен, но используя упрощенные методы подхода к определению составляющих результирующей погрешности, параметрам и законам распределения, задаваясь значением доверительной вероятности и учитывая корреляционным связи между ними можно составить и рассчитать упрощенную математическую модель реального измерительного канала. Примеры расчета погрешности каналов с аналоговым и цифровым регистраторами рассмотрены в работах П.В. Новицкого.