Контрольно-измерительные приборы представляют собой инструментарий, необходимый для исследований и работы, связанных с измерениями физических процессов и контролем над ними. К физическим процессам относятся в том числе такие понятия как давление, температура, скорость потока (или по-другому – расход потока) и консистенция. Таким образом, инструмент – это устройство, измеряющее физический процесс и/или управляющее им.
Поскольку такие электрические величины как напряжение и сила тока легко поддаются измерению, манипулированию и передаче на большие расстояния, они широко и используются для отображения физических переменных и передачи информации на расстояние.
Под понятием «сигнал» мы будем подразумевать любую разновидность физической величины, которая передает информацию. Слышимая речь, безусловно, является сигналом, так как передает мысли (информацию) одного человека другому посредством звуковых волн, проходящих через воздушную среду. Жестикуляция тоже является системой сигналов, передающих информацию с помощью света (мы визуально наблюдаем движения рук).
Этот текст - ещё один вид сигнала, который ваше русскоязычное сознание интерпретирует как информацию об электрических цепях. В данной главе слово «сигнал» будет использоваться в основном по отношению к таким электрическим величинам как напряжение или сила тока. Эти электрические величины будут использоваться для представления или обозначения уже каких-то других физических величин.
Аналоговый или цифровой сигнал?
Аналоговый сигнал – это сигнал, в котором возможна непрерывность изменений (в идеале – вплоть до бесконечно малых значений). Цифровой сигнал, напротив, подразумевает дискретность – ограничение в уменьшении числа шагов вдоль его диапазона (т.е. всегда будет чётко определённая наименьшая величина изменения сигнала). В качестве примера, аналоговых и цифровых сигналов можно привести часы. В аналоговых часах стрелки медленно и плавно вращаются вдоль круговой шкалы, а цифровых вместо стрелок на дисплее отображаются десятичные числа. К цифровым же относятся и часы, в которых стрелки движутся посредством скачков (а не в виде плавного вращения).
Аналоговые часы не имеют физических ограничений на то, насколько точно они могут отображать время, поскольку их «стрелки» движутся плавно, без пауз. Цифровые часы, с другой стороны, не могут показывать любой отрезок времени, а только в том масштабе, в каком позволяет их дисплей или циферблат. Тип обычных циферблатных часов с секундной стрелкой, которая рывками движется с интервалом в 1 секунду, представляет собой цифровое (не аналоговое!) устройство с минимальным шагом в одну секунду.
И аналоговые, и цифровые сигналы применяются в современной электронике, и различия между этими двумя основными формами передачи информации подробнее рассмотрим позже. Пока что мы сосредоточимся на изучении аналоговых сигналов, поскольку системы, в которых они используются, обычно проще сконструированы.
При наличии многих физических величин, особенно электрических, их аналоговая изменчивость легко прослеживается. Если такая физическая величина используется в качестве носителя сигнала, она может передавать сколь угодно точную информацию с почти неограниченным разрешением.
Сигнальные системы в промышленном оборудовании
На заре промышленного приборостроения сжатый воздух использовался в качестве сигнальной среды для передачи информации от измерительных приборов к показывающим и управляющим устройствам, расположенным удалённо. Величина давления воздуха соответствовала величине измеряемой переменной. Чистый, сухой воздух с плотностью приблизительно 20 фунтов на квадратный дюйм (20 psi) подавался от воздушного компрессора по трубке к измерительному прибору и затем регулировался этим прибором в соответствии с измеряемой величиной для получения соответствующего выходного сигнала.
Возьмём для примера пневматический (т.е. основанный на сжатом воздухе) сигнал для «датчика», измеряющий уровень воды (в данном случае это наш «переменный параметр») в резервуаре. Прибор должен выдавать низкое давление воздуха, когда резервуар пуст, среднее давление, когда резервуар заполнен частично или высокое давление, когда резервуар заполнен полностью.
Рис. 1. Схема промышленного прибора, измеряющего с помощью давления воздуха уровень воды в резервуаре.
«Индикатор уровня воды» (ИУ – т.е. индикатор уровней) – это не что иное, как манометр, измеряющий давление воздуха в пневматической сигнальной системе. Давление воздуха и является сигналом, отражающим уровень воды в резервуаре. Любое изменение уровня воды в резервуаре влечёт соответствующее изменение давления воздуха как пневматического сигнала.
Помимо определённых практических ограничений, налагаемых механикой устройств, работающих под давлением воздуха, этот пневматический сигнал является бесконечно изменяемым, способным отображать любую степень изменения уровня воды и, следовательно, является аналоговым в самом прямом смысле этого слова.
Каким бы грубым ни выглядел данный подход, такая разновидность пневматической сигнальной системы сформировала основу многих промышленных систем измерения и управления во всему миру и до сих пор широко применяется благодаря своей простоте, безопасности и надёжности. Сигналы давления воздуха легко передаются по недорогим трубкам, легко измеряются (с помощью механических манометров) и ими легко манипулировать с помощью механических устройств, использующих сильфоны, диафрагмы, клапаны и другие пневматические устройства. Сигналы давления воздуха полезны не только для измерения физических процессов, но и для управления ими.
При достаточно большом поршне или диафрагме небольшой сигнал давления воздуха можно использовать для создания ощутимой механической силы, которая может использоваться для перемещения клапана или другого управляющего устройства. Полные системы автоматического управления были созданы с использованием давления воздуха в качестве сигнальной среды. Они просты, надёжны и относительно легки для понимания. Однако практические пределы точности сигнала давления воздуха в некоторых случаях могут быть весьма ограниченными, особенно если сжатый воздух не является чистым и сухим или когда существует вероятность утечки в трубках.
С появлением полупроводниковых электронных усилителей и других технологических достижений, такие электрические величины как напряжение и сила тока стали практичными для использования в качестве аналоговых сигнальных средств в приборах. Вместо использования сигналов пневматического давления для передачи информации о заполнении резервуара для хранения воды электрические сигналы могут передавать ту же информацию по тонким проводам (вместо трубок) и при этом для работы они не требуют поддержки такого дорогостоящего оборудования, как воздушные компрессоры:
Рис. 2. Схема промышленного прибора, измеряющего с помощью силы тока уровень воды в резервуаре.
Аналоговые электронные сигналы на момент написания данной монографии (на январь 2001 г.) являются очень распространёнными видами сигналов, используемых в мире измерительных приборов, но они уступают место цифровым способам связи во многих приложениях (подробнее об этом позже). Несмотря на технический прогресс, всегда полезно иметь полное представление об основных принципах, так что информация из этой главы устареет ещё очень нескоро.
Смещённый нуль шкалы
Одной из важных концепций, применяемых во многих системах аналоговых измерительных приборов, является концепция «смещённого нуля». Это стандартный способ масштабирования сигнала таким образом, чтобы показание 0 процентов шкалы можно было отличить от состояния «система полностью отключена». В качестве примера возьмём пневматическую сигнальную систему: если диапазон давления сигнала для датчика и индикатора был спроектирован таким образом, чтобы составлять от 0 до 12 фунтов на кв. дюйм, при этом 0 фунтов на кв. дюйм, с одной стороны, является допустимым показанием измерения в фактические 0 процентов, с другой стороны, это могло бы означать, что система неисправна (воздушный компрессор остановлен, сломаны трубки, неисправен датчик и т. д.) – и при этом измеренный ноль нужно отличить от нерабочего состояния. Если на шкале просто отметить точку 0 процентов, обозначающей 0 фунтов давления на квадратный дюйм, то нет простого способа отличить одно от другого.
Можно проградуировать инструменты (передатчик и индикатор) таким образом, чтобы диапазон шкалы составлял от 3 до 15 фунтов на квадратный дюйм (а не от 0 до 12), где 3 фунта на квадратный дюйм представляют 0 процентов, а 15 фунтов на квадратный дюйм представляют 100 процентов. Тогда любой вид неисправности, приводящей к нулевому давлению воздуха, отобразит на индикаторе -25 процентов (0 фунтов на квадратный дюйм), что является явно ошибочным значением. Тогда оператор прибора, считывающий показания с индикатора, сразу поймёт: здесь что-то не так.
Не во всех измерительных системах стандарты сигналов установлены по базовым линиям со «смещённым нулём», но стандарты, в которых такое предусмотрено (3–15 фунтов на кв. дюйм, 4–20 мА), обоснованно считаются более надёжными.
Итог
Под сигналом мы понимаем поддающуюся измерениям физическую величину любого рода, которая используется для передачи информации.
Аналоговый сигнал представляет собой сигнал, который является непрерывным, то есть фактически имеет возможность изменяться на сколь угодно малую величину.
Пневматические (основанные на сжатом воздухе) сигналы когда-то были обычным явлением в промышленных сигнальных системах. Со временем они были в значительной степени вытеснены аналоговыми электрическими сигналами, в которых используются напряжение и/или сила тока.
Смещённый ноль используется в аналоговых сигнальных шкалах, когда используется ненулевое количество, чтобы отображать фактические 0 процентов реальных измерений. Ведь любая неисправность системы приведёт к состоянию покоя, тоже к нулевому сигналу. При смещённом нуле шкалы можно определить, что сигналы в виде напряжения или сила тока вообще отсутствуют по каким-то причинам, что не является действительным результатом измерения.
