Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

Помимо дискретизации по времени применяется дискретизация измерительных сигналов по уровню. Такая дискретизация носит название квантования; если при этом любое значение у заменяется ближайшим значением г/г, то операция квантования выражается формулой

где квадратные скобки означают округление до ближайшего целого числа; Ау. — шаг квантования. Квантование вносит погрешность тем большую, чем больше шаг квантования. Наименьшее значе­ ние Ayt характеризуется шириной полосы неопределенности А функции у и может быть переменным по диапазону измерения (см.

рис. 15).

i

Рис. 20. Кодовые деревья трех двоичных кодов

Дискретные квантованные измерительные сигналы могут быть закодированы. Кодом называется совокупность условных символов, различные сочетания которых однозначно соответствуют опреде­ ленным значениям сигналов.

Код строится из элементов; число различимых элементов назы­ вается основанием кода. Код с основанием два называется двоичным, код с основанием три — троичным и т. д. Условные сигналы, состав­ ляющие код, называются кодовыми комбинациями; число элементов или знаков, образующих комбинацию, называется значностью кода. Коды, все комбинации которых имеют одинаковое число знаков, называются равномерными. Для равномерного кода число всех возможных кодовых комбинаций выражается формулой N = тп, где т — основание кода; п — значность кода; N ■—-число различных градаций закодированной величины. Неприводимыми называются коды, построенные так, что никакая кодовая комбинация не является началом другой комбинации. Код может служить, например, для передачи чисел, поэтому элементы играют ту же роль, какую играют цифры в системе счисления. Кодовые комбинации представляются

ввиде чисел, записанных по системе счисления с основанием т. Строение кода удобно представлять также в виде кодового или

разделительного дерева. На рис. 20 изображены кодовые деревья для трех различных двоичных кодов. Здесь шаг влево символически

92

Для автоматического кодирования результатов измерений лучше всего подходят неприводимые коды типа С, не требующие раздели­ тельных знаков между кодовыми комбинациями. Любая последова­ тельность комбинаций кода легко расшифровывается при помощи кодового дерева: например, последовательность

11101100100111100001101

расшифровывается как gechaaf. Равномерный код также является неприводимым, для его расшифровки требуется знать лишь начало последовательности кодовых комбинаций.

При передаче измерительных сигналов на расстояние по провод­ ным или радиоканалам связи из-за неизбежного рассеивания энергии возникает необходимость во вторичной модуляции. В качестве но­ сителей измерительной информации при этом используются гармони­ ческие колебания или последовательность импульсов. Если в ка­ честве электрического носителя выбрано синусоидальное колебание

фаза ф. Каждый из этих параметров можно модулировать, и при этом получаются соответственно амплитудная модуляция (AM), частотная модуляция (ЧМ) и фазовая модуляция (ФМ) синусоидаль­ ного носителя. Если носителем является периодическая последова­ тельность импульсов определенной формы, например прямоуголь­ ной, то параметрами являются высота (амплитуда), длительность, частота следования и фаза, что дает четыре вида модуляции импульс­ ного периодического носителя.

Различные виды модуляции обладают разными помехоустойчи­ востью и информационной способностью при одинаковой энергии носителя, поэтому при выборе вида модуляции следует производить

93

их сравнительную Оценку. А. А. Харкевич [138] показал, что для синусоидального носителя при частотной модуляции получается выигрыш по сравнению с амплитудной модуляцией в отношении мощностей сигнала Рс и помехи Рп (т. е. в помехоустойчивости), определяемый соотношением

где Лео — наибольшее частотное отклонение синусоидального сиг­ нала, несущего информацию; П — ширина спектра сообщения. Величина Aco/Q носит название индекса частотной модуляции. В современной технике связи применяются значения индекса по­ рядка десяти. В этом случае использование ЧМ эквивалентно уве­ личению мощности при Ам в 3 • 1 0 2 = 300 раз, следствием чего яв­ ляется повышение надежности передачи сигнала.

Модуляция импульсного носителя возможна по амплитуде (АИМ), частоте (ЧИМ), фазе (ФИМ), длительности или ширине импульсов (ДИМ, ШИМ). Особым видом модуляции является кодово-импульс­ ная (КИМ).

В зависимости от форм представления или использования изме­ рительных сигналов в измерительной цепи могут осуществляться все или некоторые из процессов физического и функционального преобразования, дискретизации, квантования кодирования и моду­ ляции. На рис. 21 приведена схема, иллюстрирующая некоторые возможные варианты последовательности операций, осуществляе­ мых в измерительных цепях. Первая цепь соответствует непрерыв­ ной записи измерительного сигнала во время измерения на носитель регистрирующего устройства (например, запись на шлейфный осцил­ лограф или магнитограф). Во второй цепи модулирующий первичный преобразователь создает сигналы, поступающие на шкальные приборы визуального считывания. Фиксация результатов при этом произво­ дится по квантам шкалы. Перенос сигналов в регистрирующие устрой­ ства с таких приборов можно проводить непрерывно, используя дополнительные промежуточные преобразователи, или дискретным образом, например с помощью фотоили киносъемки. Регистрация результатов измерений в третьей цепи осуществляется с помощью цифровых приборов, поэтому здесь необходимо предварительное квантование сигнала, поступающего с первичного преобразователя. Лучшая помехоустойчивость в этом случае достигается при кванто­ вании до подачи сигналов в линию связи. Запись сигналов цифровых приборов производится через отрезки времени, необходимые для удержания и сброса показаний регистрирующего прибора. Четвер­ тая цепь изображает последовательность операций при машинной обработке результатов измерений в темпе проведения эксперимента. При этом возникает необходимость в кодировании измерительных сигналов перед вводами их в ЭВМ. В четвертой цепи возможно опе­ ративное управление процессами в объекте исследования.

Для осуществления указанных преобразований используются почти все известные физические явления и законы. Далее приводится

94

Регистрация и долговременное хранение

Рис, 21. Схема вариантов преобразования сигналов в измерительных цепях:

П П — первичный преобразователь; П р П — промежуточный; Л С —■линия связи

95

краткая характеристика процессов в наиболее распространенных физических системах, которая может быть полезна при синтезе, эксплуатации и анализе измерительных преобразователей.

2. Механические и гидромеханические системы

Механические системы. Системы, в которых совершается линей­ ное перемещение тела массой т, описываются уравнением движения, устанавливающим, что скорость изменения по времени количества движения тела равна сумме приложенных к телу сил

Для постоянной массы при отсутствии сил сопротивления дви­ жению этот закон сводится к известной зависимости: сила равна массе, умноженной на ускорение относительно любого инерциаль­ ного пространства., Если ускорение определено относительно про­ странства, имеющего собственное ускорение относительно исходного инерциального пространства, то необходимо использовать теорему Кариолиса, которая связывает скорость изменения вектора в инер­ циальном пространстве со скоростью изменения того же вектора относительно движущегося пространства.

В механических системах, совершающих вращательное переме­ щение тела массой т, основное уравнение записывается в виде

(IV.2)

где N — момент количества движения; М — момент равнодейству­ ющей внешних сил относительно оси вращения. Для тела постоян­ ной массы и постоянных размеров

оказывают силы трения и сила упругости. Различают два типа тре­ ния: между двумя твердыми телами и между твердым телом и жидкостью (или газом). Наиболее существенным в этом различии является совершенно разная зависимость сил трения от скорости движения. Именно в случае соприкосновения твердых тел, как бы ни была мала скорость их относительного движения, силы трения всегда имеют конечную величину и сохраняют ее при уменьшении скорости до нуля. В случаях же соприкосновения твердого тела с жидкостью или газом все силы трения (в том числе и сопротивле­ ние среды) изменяются с изменением скорости и исчезают при

^ОТН. О- Законы сухого трения были сформулированы Кулоном, отчего

этот тип трения иногда называют кулоновым трением. Величина

96