Наивысшая возможная точность получаемой измерительной информации, поскольку она не подвергается какой-либо переработке до передачи ее потребителю

Сигнал измерительной информации – сигнал любой физической природы, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине.

В стрелочных механических и электромеханических приборах выходной сигнал измерительной информации обычно является механическим – в виде углового или линейного взаимного перемещение стрелки и шкалы.

В современных электронных приборах выходной сигнал измерительной информации может быть представлен либо в виде свечения цифр на шкале цифрового прибора, либо в виде аналогового сигнала электрического тока или напряжения, либо в виде кодового (дискретного) сигнала электрического тока или напряжения, либо в виде комбинации нескольких видов представления.

Общей тенденцией, характерной для современных средств измерений систем автоматизации любых технологических процессов, является постепенный отказ от использования аналоговых и цифровых шкал и представление сигнала измерительной информации только в виде электрического тока или напряжения, потому что иные виды представления выходного сигнала здесь не нужны, т.к. современные электрические устройства автоматики «понимают» только электрические сигналы.

Разновидности и свойства электрических выходных сигналов

Электрические выходные сигналы средств измерений бывают двух видов – естественные и унифицированные.

Естественными выходными сигналами называются такие электрические сигналы, которые после своего образования не подверглись усилению и/или какому-либо преобразованию.

Исторически такие выходные сигналы появились первыми, еще в конце 19-го века, и характеризовались следующей совокупностью потребительских свойств:

1) Простота и легкость получения.

2) Возможность передачи на расстояние.

Наивысшая возможная точность получаемой измерительной информации, поскольку она не подвергается какой-либо переработке до передачи ее потребителю.

4) В общем случае малая мощность получаемых сигналов, вследствие чего такие сигналы имеют плохую помехозащищенность и потому могут быть переданы без заметных искажений только на малые расстояния.

5) Разнотипность сигналов, вследствие чего в каждом случае их использования необходимо разрабатывать свой специфичный приемник сигналов, что усложняет и удорожает средства измерений, а также сужает сферу их применения.

Плохая помехозащищенность естественных выходных сигналов приводит к искажению передаваемой измерительной информации, иначе говоря – к снижению ее точности. В этом легко убедиться на простейшем опыте с помощью какого-либо радиоприемника. Если приемник настроить на прием мощной радиостанции (обычно это местная радиостанция), то принимаемая радиостанция звучит чисто, без помех; если же приемник настроить на прием слабой радиостанции (обычно это дальняя радиостанция), то ее передачу порою бывает даже трудно разобрать на фоне помех, и тем труднее, чем слабее принимаемый сигнал.

По совокупности потребительских свойств естественных выходных сигналов постепенно были определены наиболее рациональные сферы их применения – научные исследования (потому что здесь очень важна точность получаемой измерительной информации) и внутри различных устройств, при условии, что их внутреннее пространство физически возможно защитить от внешних электромагнитных помех.

Унифицированные выходные сигналы являются дальнейшим развитием естественных выходных сигналов в направлении повышения их потребительских качеств.

Унифицированными выходными сигналами называются естественные выходные сигналы, подвергнутые усилению и особому преобразованию с целью придания им специальных нормированных свойств.

Унифицированные выходные сигналы характеризуются следующей совокупностью потребительских свойств:

Большая, по сравнению с естественными выходными сигналами, выходная мощность, вследствие чего унифицированные выходные сигналы весьма слабо подвержены воздействию помех и потому могут быть переданы без заметных искажений на довольно большие расстояния (до 10 км) при не очень высоких требованиях к качеству линии передачи.

Однотипность сигналов, вследствие чего упрощаются требования к характеристикам входных цепей приемников этих сигналов и удешевляется их изготовление, а также расширяется сфера применения средств измерений с унифицированными выходными сигналами.

3) Несколько усложняется и удорожается конструкция средства измерения за счет введения в него нормирующего устройства.

4) Несколько уменьшается точность выходного сигнала измерительной информации при прохождении его через нормирующее устройство, но это уменьшение точности обычно настолько невелико, что в технических измерениях, как правило, им можно пренебречь.

В настоящее время электрические выходные сигналы средств измерений, используемых в системах измерения, контроля и автоматизации производственных процессов, чаще всего являются сигналами постоянного тока. Это обусловлено тем, что приемниками выходных сигналов современных средств измерений почти всегда являются микропроцессоры, которые сами по себе принципиально «не понимают» никаких иных входных сигналов, кроме сигналов постоянного тока.

С точки зрения электротехники выходные электрические сигналы измерительной информации представляют поток электрической энергии, поэтому ее источник – средство измерений – может быть по правилам электротехники замещен эквивалентным генератором, имеющим эдс E_x и внутреннее сопротивление R_{i .} Аналогично, потребитель этих сигналов, независимо от его устройства, может быть замещен резистором, имеющим сопротивление R_н .

Эквивалентная электрическая схема выходной части средства измерения, вырабатывающего, в простейшем случае, электрический сигнал измерительной информации “с неподавленным нулем”, вместе с эквивалентной электрической схемой входной цепи потребителя сигнала измерительной информации изображена на рис. 1.

Рис.1. Эквивалентная электрическая схема комплекса:

выход средства измерений плюс линия связи плюс вход

потребителя сигнала измерительной информации

Под воздействием измеряемой физической величины X сред­ство измерений вырабатывает эдс E_x , значение которой обычно прямо пропорционально значению измеряемой величины X:

E_x = k × X,

где k – коэффициент пропорциональности.

Поэтомув замкнутой цепи рис.1.11 течет ток

i_x = E_x /(R_i + R_л + R_н ) = i_н,

где R_i есть внутреннее сопротивление эквивалентного генератора, R_л – сопротивление линии связи и R_н – входное сопротивление на­грузки, т.е. потребителя электрического сигнала измерительной информации.

На зажимах нагрузки выделяется напряжение

Сделаем анализ полученного выражения, приняв при этом для простоты, в первом приближении, что полное сопротивление линии связи пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением нагрузки: R_л << R_н. При этом условии

Очевидно, потребительские свойства выходных сигналов средств измерений зависят от соотношения R_i: R_н. Рассмотрим два крайних случая.

Первый случай.

При R_i << R_н U_н» E_x , поэтому выходной электрический сигнал средства измерений называется сигналом напряжения, а само средство измерений, имеющее такое свойство (R_i << R_н), называется в электротехнике генератором напряжения.

Выполнить условие R_i << R_н, причем с любой требуемой точностью, в настоящее время трудности не представляет (этот вопрос рассматривается в курсе технической электроники). Но выполнить условие R_л << R_н (по крайней мере не менее чем в 1000 раз) не так-то просто. Дело в следующих двух причинах.

Первая причина. Сопротивление проводника длиной L и площадью поперечного сечения S, выполненного из материала, имеющего удельное сопротивление ρ, определяется известным из курса физики выражением

R = ρ·L / S.

Длина линии связимежду средством измерений и нагрузкой всегда задается по конструктивным соображениям – она определяется удаленностью средства измерений от потребителя сигнала измерительной информации.

По экономическим и эксплуатационным соображениям линия связи обычно делается из медного провода. Дело в том, что медь является одним из лучших электрических проводников (лучше только золото и серебро), значительно дешевле золота и серебра и легко соединяется пайкой с медьсодержащими металлами. Таким образом, удельное сопротивление материала провода линии связи ρ тоже задано.

Поэтому единственным путем уменьшения сопротивления линии связи заданной длины может быть только соответствующее увеличение площади поперечного сечения провода, т.е. его утолщение.

Вторая причина. Как известно из курса физики, сопротивление проводов зависит также от их температуры. В общем случае температура линии связи средства измерений с потребителем сигнала измерительной информации не является одинаковой по длине линии связи вследствие местных подогревов и охлаждений различных участков линии связи. Более того, распределение температуры по длине линии связи обычно непостоянно, поскольку оно зависит от случайных причин – например, от температуры окружающей среды, сквозняков, теплового режима работы соседних с линией связи тепловыделяющих устройств и т.п. причин. Но непостоянство сопротивления линии связи автоматически приводит к непостоянству потери напряжения сигнала измерительной информации на ней, а значит и к непостоянству напряжения на входных клеммах нагрузки при постоянном значении измеряемой физической величины X, т.е. к дополнительной (температурной) погрешности результата измерения.

Падение напряжения сигнала измерительной информации на сопротивлении линии связи есть объективное явление, для медных, серебряных и золотых проводников принципиально неустранимое, поскольку указанные материалы не обладают свойством сверхпроводимости. Поэтому практически единственным способом уменьшения указанной температурной погрешности может явиться только уменьшение абсолютного сопротивления линии связи, а это возможно лишь при соответствующем увеличении поперечного сечения провода, т.е. при его утолщении,

Таким образом, выполнение условия R_л << R_н при любом значении сопротивления нагрузки R_н на практике возможно только при выполнении линии связи из достаточно толстых проводов, что обычно крайне неудобно в конструктивном отношении и довольно дорого. Например, при минимально допустимом для генераторов напряжения сопротивлении нагрузки для унифицированных выходных сигналов напряжения 1 кОм суммарное сопротивление обоих проводов линии связи не должно превышать 1 Ом.

Когда выходной электрический сигнал средства измерений является сигналом напряжения, необходимо обращать внимание также на качество контактов между выходными клеммами средства измерений и входными клеммами нагрузки с соответствующими концами проводов линии связи, и особенно на стабильность этих контактов.

Как правило, соединение концов линии связи с клеммами средства измерений и нагрузкой в тяжелых эксплуатационных условиях должно осуществляться специальными радиотехническими разъемами, в которых приняты все возможные конструктивные меры для обеспечения надежности электрических соединений и уменьшения переходных сопротивлений. Такими мерами являются, в частности, поверхностное серебрение контактирующих деталей и их сильное взаимное сжатие.

Однако, если разъем не имеет свойства герметичности, то через некоторое время поверхностный слой серебра превратится, в результате химической реакции с газообразными сернистыми соединениями, всегда имеющимися в воздухе, в тонкую пленку сернистого серебра. Сернистое серебро представляет собой твердое хрупкое вещество черного цвета (его можно видеть на поверхности любого старого серебряного изделия, например, на старых серебряных ювелирных изделиях и ложках), обладающее очень малой электропроводностью. Твердый пленочный слой сернистого серебра по мере своего утолщения раздвигает контактирующие детали разъемов, в результате чего переходное сопротивление контактов постепенно увеличивается, становится нестабильным и, в конце концов, электрические контакты вообще разрываются. Поэтому срок службы любых негерметичных разъемов ограничен.

На практике сделать любое контактное соединение герметичным обычно очень сложно или даже невозможно. Поэтому часто прибегают к паяным или сварным соединениям медных проводов с медьсодержащими контактными деталями, поскольку, при правильном выполнении технологических операций пайки и сварки, эти электрические соединения обладают очень малыми переходными сопротивлениями, остающимися стабильными в течение многих десятков лет.

Ток в нагрузке средства измерений зависит от двух факторов – от значения измеряемой физической величины X и от сопротивления нагрузки R_н, и он максимален при X = max и при R_н →0. Во избежание перегрева средства измерений током нагрузки и выхода его из строя по этой причине принято ограничивать минимальное значение сопротивления нагрузки R_н.min.

Например, для наиболее распространенного в настоящее время унифицированного сигнала напряжения постоянного тока (0…5) В нормировано R_н.min = 1 кОм, т.е. максимальный ток нагрузки при X = max не должен превышать 5 мА.

Максимальное значение сопротивления нагрузки не ограничивается, поскольку при этом уменьшается ток нагрузки и потому облегчается режим работы нормирующего устройства средства измерений. Самый легкий режим работы – так называемый режим холостого хода, когда R_н = ∞. Однако по ряду соображений (разъясняемых в курсе технической электроники) обычно принимают максимальное значение сопротивления нагрузки равным 100 кОм.

Общим свойством любых генераторов напряжения является то, что при коротком замыкании в линии связи между генератором напряжения и нагрузкой выходной ток генератора напряжения, вследствие малости его внутреннего сопротивления, резко увеличивается по сравнению с максимально допустимым при эксплуатации и генератор напряжения может сгореть. Конечно, при разработке нормирующего устройства средства измерений, вырабатывающего выходной сигнал напряжения, предусматриваютсямеры по ограничению выходного тока короткого замыкания, но длительное существование такого режима работы нормирующего устройства крайне нежелательно. Поскольку короткое замыкание в линии связи чаще всего возникает при ее механических повреждениях, линия связи должна быть защищена от них.

Из совокупности изложенного очевидно, что когда средство измерений вырабатывает выходной сигнал измерительной информации в виде сигнала напряжения, то к качеству линии связи между ним и нагрузкой, т.е. потребителем выходного сигнала, предъявляются довольно высокие электрические и конструктивные требования.

Второй случай.

При R_i >> R_Σ, где R_Σ = R_л + R_н,

Выходной ток средства измерений прямо пропорционален значению измеряемой физической величины и не зависит от сопротивления нагрузки и потому он называется токовым сигналом, а само средство измерений, имеющее такое свойство (R_i >> R_Σ ), называется в электротехнике генератором тока.

Выполнить условие R_i >> R_Σ в настоящее время не представляет трудностей когда (как это обычно имеет место на практике) R_Σ ≤ 10 кОм (этот вопрос рассматривается в курсе технической электроники).

Учитывая, что R_Σ = R_л + R_н, а входное сопротивление потребителя токового сигнала, т.е. нагрузки средства измерений, обычно не превышает нескольких килоом, становится очевидным, что сопротивление проводов линии связи вместе с суммой контактных сопротивлений в этой линии связи может достигать так же нескольких килоом.

Из этого следует, что линия связи (передающая токовый сигнал измерительной информации) практически любой длины может быть выполнена из весьма тонких проводов, лишь бы они были бы защищены от механических повреждений.

Приведем пример. Погонное сопротивление (т.е. сопротивление провода длиной один метр) тонкого медного провода диаметром (по меди, без учета толщины изоляции) 0,2 мм при температуре +20 ºC равно 558 Ом/км. Поэтому длина линии связи даже из такой тонкой проволоки может достигать нескольких километров без какого-либо влияния на величину передаваемого токового сигнала.

Изменение температуры проводов линии связи с токовым сигналом или неравномерный нагрев проводов по их длине также не вносит температурной погрешности в передаваемый токовый сигнал до тех пор, пока суммарное сопротивление проводов линии связи не превысит допустимой величины порядка нескольких килоомов.

Аналогично обстоит дело и с непостоянством контактных сопротивлений в линии связи.

Общим свойством любых генераторов тока является то, что с увеличением сопротивления нагрузки (например, при обрыве линии связи) увеличивается их выходное напряжение. Поэтому для любых генераторов тока нормируется максимально допустимое сопротивление нагрузки R_н.max во избежание повреждения и самого генератора тока и потребителя токового сигнала перенапряжением на их входных клеммах.

Например, для наиболее распространенных токовых сигналов постоянного тока (0…5) мА и (4…20) мА R_н.max равняется, соответственно, 1 кОм и 250 Ом.

При проектировании нормирующего устройства, конечно, принимаются меры для ограничения выходного напряжения холостого хода генератора тока, но длительное существование такого режима работы нормирующего устройства нежелательно.

Наиболее легким режимом работы любого генератора тока является режим короткого замыкания его выходных клемм, при этом его выходное напряжение равно нулю. По указанной причине средство измерений, вырабатывающее токовый выходной сигнал, небоится короткого замыкания в линии связи между ним и потребителем выходного сигнала.

Таким образом, если средство измерений вырабатывает токовый сигнал измерительной информации, то требования к качеству линии связи с потребителем информации минимальны – лишь бы линия связи существовала и не имела бы обрывов.

Сравнивая рассмотренные выше потребительские свойства выходных сигналов напряжения и токовых сигналов легко понять, почему токовые выходные сигналы средств измерений получают все большее применение в технике.

Параметры существующих электрических выходных унифицированных сигналов измерительной информации нормированы довольно большим количеством ГОСТов (соответственно видам средств измерений), которые довольно часто изменяются по мере развития средств измерений и совершенствования элементной базы электроники и потому здесь не приводятся. Эти ГОСТы нетрудно найти с помощью УКАЗАТЕЛЯ СТАНДАРТОВ.

Связь средств измерений с ЭВМ

Как известно, ЭВМ «понимают» только импульсные сигналы напряжения положительной полярности. Поэтому те средства измерений, которые вырабатывают такие сигналы измерительной информации, могут непосредственно (или через масштабирующие устройства) подаваться прямо ко входу ЭВМ.

Большинство же используемых в настоящее время средств измерений вырабатывают аналоговые сигналы измерительной информации в виде унифицированных сигналов напряжения или токовых сигналов постоянного тока. Поэтому в состав промышленных ЭВМ вводятся так называемые аналого-цифровые преобразователи (АЦП), преобразующие аналоговые сигналы напряжения постоянного тока в соответствующие кодовые (т.е. в импульсные), поступающие затем непосредственно в ЭВМ.

Сложнее обстоит дело с токовыми сигналами, поскольку ЭВМ их «не понимает». Приходится сперва превращать токовые сигналы в сигналы напряжения. Для этого в состав промышленной ЭВМ дополнительно вводится (на ее входе) так называемый прецизионный резистор определенного сопротивления и соответствующего класса точности. При протекании токового сигнала постоянного тока по этому резистору на нем выделяется падение напряжения, имеющее параметры унифицированного сигнала напряжения постоянного тока, которое затем и поступает в АЦП.