Метрология в 21 веке

воскресенье, 2 сентября 2012 г.



Метрология как сфера массовой техники

С процессами измерения в настоящее время имеет дело любой человек. Даже современный быт заполнен приборами и измерениями.
Простейший пример измерения — взвешивание товара в магазине.
А про технику говорить вообще не приходится, измерительный прибор главная часть любого производства, а измерение — важнейшая частью почти любой работы.
Проблемами измерения занимается метрология. Именно эта наука описывает правильное измерение. Следовательно, определенными познаниями в области метрологии должен обладать любой человек. Хотя бы для того, чтобы представлять, как должны его обслуживать в магазине, чтобы его не обманули, не обвесили, не обсчитали. Метрология должна входить в состав базового образования ребенка, чтобы он мог ориентироваться в современном мире, заполненным приборами и измерениями.
Но для того, чтобы довести метрологические знания до самых широких масс людей, чтобы можно было преподавать ее в школе на уровне примерно пятого класса, чтобы процесс измерения мог грамотно провести любой даже малоквалифицированный работник, метрология должна сама иметь некую базовую основу, доступную для широких масс. Удовлетворяет ли этим требованиям современная метрология? Увы, нет.
Для того, чтобы было более понятна наша мысль, приведем простой пример. Телевидение широко вошло в жизнь современного человека. И перед специалистами в области телевидения также встала проблема, как создать такую систему его описания, чтобы она была понятна любому человеку, вплоть до ребенка.
Представим себе, что система описания телевидения опиралась бы на понятия частот, модуляции, уровень черного и другие сложные понятия, на которых в действительности и основано само телевидение. Мог бы тот же ребенок пользоваться телевизионными устройствами? Конечно, нет. Но телевизионщики создали простое понятие “телеканал”. И вот уже в системе понятия “телеканал” управление телевизионными устройствами стало доступным самым широким массам. Но создать с технической стороны систему описания на основе телеканала было вовсе не просто, это сложнейшая техническая система. Но всего этого массовому пользователю вовсе нет необходимости знать, чтобы эффективно управлять свои телевизором. Ему достаточно знать, что есть телеканал и где расположены кнопки для их переключения..
Аналогично и в области метрологии необходимо довести некоторые основополагающие понятия до столь же простого уровня, чтобы любой человек мог метрологически грамотно осуществлять процесс измерения даже ничего не зная о метрологии..
К сожалению, до сих пор на эту сторону, массовую сторону своего использования метрологическая наука внимание обращала недостаточно. Поэтому мы и видим часто вопиющую метрологическую безграмотность. Кто не видел, как на почте пытаются взвесить двадцатиграммовое письмо на килограммовых весах, кто не помнит, как во времена до номинации денег нам выставлялись цены вплоть до копеек и продавцы подсчитывали на калькуляторах цены с семью значащими разрядами. Кто не видел всякого рода схем и чертежей и рабочей документации с указанием тех или иных параметров без всякого указания, а с какой точностью должны эти параметры устанавливаться и измеряться? Да стоит взять любой справочник технический или иной, в котором приведены всякие числовые данные. Например, плотности, давления, температуры и т.д. Но покажите хоть один, в котором указывалась точность этих данных. Практически нет таких справочников. Вообще, можно сказать, что современное общество обладает вопиющей метрологической безграмотностью.
Метрологическая безграмотность приводит иногда к трагическим последствиям как техническим, так и социальным. Метрологические ошибки могут вызывать аварии и даже катастрофы. Известны примеры, когда люди попадали в тюрьму только по метрологической безграмотности следственных и судебных органов, например, продавцов привлекали к ответственности за погрешности в отпуске товаров, лежащие в пределах погрешности измерения.
Недостатки в метрологическом обеспечении могут приводить к многомиллиардным убыткам. Например, в горном деле существует норматив точности производства маркшейдерских работ в пять процентов. И на основании маркшейдерских измерений судят об объемах добычи. Но при любой поверке этих измерений реальные объемы ВСЕГДА оказываются заниженными именно на эти пять процентов. Фактически, это означает, что все маркшейдерские работы реально осуществляются со значительно большей точностью, а пять процентов накидывают сверх измеренного в качестве “премии”. Можно представить, какие суммы выплачены в счет этих маркшейдерских “премий”.
Измерение без указания его точности бессмысленно, любое нецелое число есть результат измерения либо получено из измерения, либо служит для измерения. Другими словами ВСЕ нецелые числа есть числа МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ, а вовсе не действительные. В настоящее время мы используем буквально пять-десять действительных чисел. Это пи, е, O 2 и еще может пяток. Все остальные есть метрологические числа, т.е. полученные из измерения или обработкой измерения. А метрологическое число имеет две характеристики — номинальную и метрологическую. Без метрологической характеристики метрологическое число бессмысленно.
Важнейшей задачей метрологии является повышение метрологической культуры общества. Но для этого необходимо создать простую систему метрологического описания. Причем именно простую для пользователя, а вовсе не обязательно простую саму по себе. Причем она должна быть универсальной.

Универсальная система метрологического описания

В настоящее время для метрологического описания измерения используется множество самых разнообразных характеристик: абсолютная ошибка, относительная ошибка, размах, среднеквадратичное отклонение, допуск и т.д. Все эти описания или не наглядны, либо сложны для использования.
Необходимо создать единую простую метрологическую характеристику. При этом мы должны иметь в виду следующее: метрологическая характеристика точности сама может быть очень неточной. Например, рассмотрим метрологическое число 23543± 5. Это вполне корректная запись метрологического числа с метрологической характеристикой абсолютной ошибки. Заметим, что номинал числа имеет 6 значащих цифр, а метрологическая характеристика — 1. А представим себе, что мы бы написали такое метрологическое число: 23543,5± 0,2021. Что бы мы сказали о таком числе? Что метрологическая характеристика просто бессмысленна. Ведь если для измерения первого числа мы использовали прибор с 6 значащими цифрами, то для того, чтобы установить такую точность, мы, надо полагать, использовали прибор уже с десятью значащими цифрами, т.е. на четыре порядка более точный. А использовать столь точный прибор для этого измерения просто бессмысленно.
Таким образом, точность может иметь весьма грубую характеристику.
В качестве универсальной метрологической характеристики результат измерения примем характеристику, которую назовеминдексом точности, сокращенно ИТ. Единицу измерения индекса точности назовем числом индекса точности или чит. Для индекса точности имеем выражение
1
где Т — индекс точности измеряемой величины Х, х — измеренное значение, D х — абсолютная погрешность измерения. Скобки означают, что результат округляется до ближайшего целого неотрицательного числа.
Таким образом, индекс точности всегда целое неотрицательное число. Записывать индекс точности будем после самого числа через косую черту. Например, 234.5/23 есть уже правильно описанное метрологическое число. 234.5 есть номинал, например, в вольтах, а 23 есть индекс точности или просто точность в читах.
Индекс точности, равный 0 чит, означает отсутствие точности, т.е. полную неопределенность. Индекс точности 1 чит означает, некоторую вероятность, что что-то такое есть. Уровень точности больше единицы уже означает достоверность, что измеряемая величина присутствует.
Удобством этой системы описания является то, что второй десятичный знак указывает, сколько десятичных цифр в числе достоверны. Например, если мы имеем точность в 32 читов, то можем заведомо сказать, что три десятичных знака в числе точные, четвертый может иметь погрешность, а пятый вообще недостоверен. Поэтому для такого метрологического числа можно писать только четыре десятичных знака, например, 234,5/33 будет вполне корректная запись метрологического числа. Но запись 234,53/32 уже будет явно избыточной и его можно округлить на один десятичный разряд. В то же время запись числа 0.45/35 более грамотно писать в виде 0.4500/35.
В технике обычными являются точности порядка 20-50 чит. В геодезии точность доходит до 70 чит. Наибольшая достигнутая точность соответствует 120 чит. С такой точностью создан современный атомный эталон времени.
Зная индекс точности T легко вычислить и абсолютную погрешность измерения, она равна:
2
Ряды индексов точности
Введем понятие основного ряда чисел индексов точности. Основной ряд чисел индексов точности есть ряд
10, 20, 30, 40, 50,…
Введем дополнительный ряд чисел точности. Он состоит из чисел:
5, 15, 25, 35,…
Предполагаемый метрологический стандарт. При метрологическом проектировании рекомендуется преимущественно использовать числа точности из первого ряда, во вторую — из второго ряда. Числа вне этих рядов к использованию при метрологическом проектировании допускаются только в особых случаях.
Метрологические множества
Как правило, на практике используются не отдельные метрологические числа, а некоторые множества метрологических чисел. Дадим описание главных видов метрологических множеств
Множество метрологических чисел с максимальным значением индекса точности назовем классом точности по этому индексу.
Множество метрологических чисел с минимальным значением индекса точности назовем группой точности по этому индексу.
Множество метрологических чисел с минимальным и максимальным значением индекса точности назовемметрологическим полем. Метрологическое поле определяется нижним и верхним индексами точности. Разность между верхним и нижним индексами точности назовем девиациейметрологического поля.
Практическое использование метрологических ансамблей
Рассмотрим некоторый измерительный прибор. Мы можем осуществлять множество измерений этим прибором, получая определенный метрологический ансамбль. Так как каждый измерительный прибор имеет предельную точность, то этот ансамбль есть класс точности.
Итак, каждый прибор с метрологической точки зрения характеризуется величиной индекса точности получаемого с его помощью класса точности. Индекс точности получаемого класса точности назовем классом точности измерительного прибора.
Рассмотрим некоторый единый процесс измерения одной и той же величины. Как правило, технические условия на производство измерений включают в себя требование, чтобы точность измерений была не ниже некоторого значения. Таким образом, процесс измерения создает метрологическую группу. Индекс точности группы точности при производстве измерений есть характеристика измерительного процесса. Назовем ее процедурной точностью.
При измерении мы пользуемся некоторым прибором, имеющим определенный класс точности. Естественно, что класс точности измерительного прибора должен быть выше процедурной точности. Таким образом, измерительный процесс с помощью измерительных приборов создает измерительное поле, нижняя метрологическая грань которого определяется техническими условиями на процесс измерения, а верхняя — классом точности используемого(ых) прибора(ов).
Показывающие измерительные приборы
Рекомендуемая гамма измерительных приборов и устройств состоит из классов точности с рекомендуемыми значениями индекса точности, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 и т.д. чит.
Приборам класса 5 чит присваивается название индикаторов. Приборы класса 10 и 15 составляют группу низкоточных приборов, приборы класса 20 и 25 составляют группу средней точности, и приборы свыше 30 чит составляют группу высокоточных приборов.
Предмет изобретения. Измерительный прибор, отличающийся тем, что он содержит вторую шкалу с нанесенными на ней значениями точности измерения в читах.
Например, Если имеем прибор класса точности 20 с предельным значением измеряемого параметра 100 и с постоянной абсолютной ошибкой во всем диапазоне измерения, то имеем следующие положения значений шкалы точности по отношению к шкале измерения.
Шкала точности,чит
Шкала измеряемой величины
6
4
7
5
8
6
9
8
10
10
11
13
12
16
13
20
14
25
15
32
16
40
17
50
18
63
19
80
20
100
При определении точности измерения берут ближайшее значение (справа или слева) значение точности, так как дробных значений точности не существует.
Так как абсолютная ошибка данного прибора равна ± 1, то шкала должна иметь десять больших делений, определяющих десятки единиц измеряемой величины и каждое большое деление разбито на десять маленьких делений, что позволяет определить точность измерения в одну единицу. Всего имеем 100 делений. Если прибор является настольным, то можно различить расстояние между делениями в 1 мм. Таким образом, получаем длину шкалы 100 мм. Этим самым полностью определяется метрологическая конструкция прибора класса 20 для профессионального использования.
Прибор класса 25 при абсолютной ошибке ± 1 бует иметь предельное значение шкалы измеряемой величины на 316 единиц, причем значения до 20 чит сохранят свое положение, а свыше будут расположены по таблице:
Шкала точности,чит
Шкала измеряемой величины
21
126
22
158
23
200
24
251
25
316
При том же самом расстоянии между делениями, длина шкалы составит уже 316 мм. Шкалу можно уменьшить вдвое, если сделать деления через две единицы и считывать показания с точность до середины между делениями, что вполне допустимо. Тогда шкала станет равной 180 мм. Фактически, указывающий прибор на весь интервал измерения от 0 до предельного значения более, чем класса точности сделать нельзя. Можно еще сделать шкальный прибор с зеркальной шкалой с лупой для считывания на 45 чит. Но это уже, видимо, предел.
Впрочем, сейчас проблема высокоточных показывающих приборов практически ушла в прошлое, так как высокоточная метрология почти полностью перешла на цифровую измерительную технику.
Для расширения пределов измерения используются два способа.
Первый способ состоит в сдвиге начального значения. Такой сдвиг осуществляется различными способами. Например, в стрелочных весах такой сдвиг осуществляют добавлением эталонной гири на специальную платформу. Точность эталонной гири должна быть не ниже класса точности самого измерительного прибора. В этих условиях точность измерения за пределом основной шкалы становится выше класса точности самого измерительного прибора.
Второй способ расширения состоит в делении измеряемой величины в кратное число раз. Наивыгоднейший способ деления будет по ряду: 1, 3.16, 10, 31.6 и т.д. В этом случае прибором с классом точности Т весь ряд измерений можно измерять с точностью не хуже Т-5. Это наиболее экономичный способ, так как позволяет иметь всего две шкалы измеряемых величин с использованием десятичных множителей, которые наносятся на переключателе диапазонов.
Однако, можно использовать и декадный делитель. В этом случае поле измерений составит Т-10 — Т.
Например, если использовать класс точности 20, то в этом случае мы имеем измерительное поле 10-20 чит. Такие приборы также вполне могут иметь спрос для грубых измерений, например, в бытовых вольамперомметрах. При этом области измерения ниже 10 чит можно вообще не показывать, т.е. все измерения вести в интервале (1-10)*10n. А интервал от 0 до 1 вообще не выводить для наблюдения. Это можно сделать двумя способами. Либо просто закрыть от наблюдения левую часть измерительной шкалы, либо использовать специально устройства противодавления, например, пружину, которая будет удерживать стрелку у ноля до достижения показания 1. Правда, в этом случае возникает проблема поверки прибора и потребуется иметь некий эталонное силовое воздействие, с помощью которого можно было бы поверять прибор перед началом измерений. Именно такие приборы, в которых показываются только метрологически значимая часть шкалы, являются с метрологической точки зрения наиболее правильными. И на конструкцию метрологически правильных приборов также можно взять патент или свидетельство на полезную модель.
Можно разбить поддиапазон 1-10 разбить на три поддиапазона 1— 2.154, 2.154 — 4.64, 4.64 — 10 и если класс точности прибора 20, то выполнять все измерения в интервале 17-20. Это означает, что поверку прибора класса 20 с диапазоном измерений 10-20 можно осуществлять тем же самым прибором, но использующим измерения в интервале 17-20. Таким образом, разные метрологические оформления одного и того же измерительного устройства позволяют его использовать и в качестве стандартного прибора и в качестве эталонного. Это тоже может стать предметом изобретения.
Цифровые измерительные приборы
Цифровая измерительная техника получила в настоящее время широкое распространение. Она позволяет создавать более высокоточные приборы. В настоящее время точность цифровых приборов доходит до 60 и даже более чит, что просто невозможно с помощью показывающих приборов.
Однако, в подавляющем большинстве случаев цифровые приборы используются для измерений, в которых эта предельная точность вовсе не нужна.
Измерения на предельной точности оказывает большую нагрузку на измерительное устройство и резко снижает ресурс его работы. Наконец, многочисленные лишние цифры утомляют измерителя, заставляют его тратить время. Поэтому предлагается новая схема измерений и новая конструкция цифрового измерительного прибора.
Предмет измерения. Способ измерения с помощью цифрового измерительного устройства, отличающийся тем, что пользователь устанавливает требуемую точность измерения, а выбор диапазона измерения номинала осуществляется автоматически для измерения его с равной или превышающей, но максимально близкой точностью. Соответственно и устройство имеет конструкцию, содержащую переключатель точности измерения на стандартный класс точностей (например, 10, 15, 20, 25… чит) и имеется устройство перебора диапазонов, автоматически выбирающее наиболее грубый диапазон измерения, на котором удовлетворялась бы заданная точность, причем вывод на показ результата осуществляется со значимостью, соответствующей заданной точности (на единицу больше цифр, чем число десяток в заданном значении точности).
Такое использование цифровых приборов является метрологически наиболее грамотным и будет способствовать увеличению ресурсов работы прибора. Наконец, это гораздо проще, чем каждый раз выбирать диапазоны измерения по отношению к измеряемой величине, позволяет значительно ускорить процесс измерения и автоматизировать его.
Метрологическое проектирование
Предположим, нам необходимо спроектировать систему контрольно-измерительных приборов для некоторого производства.
Первым шагом выделяются отдельные метрологические поля. Это может быть поле температуры, давления, скорости и т.д. На производстве, как правило, имеется не одно, а несколько метрологических полей.
После этого необходимо определить метрологические характеристики по каждому полю. Нижний уровень точности определяется из технического задания на метрологическое проектирование, она определяется технологией производства, с какой минимальной точностью должны измеряться и контролироваться те или характеристики производственного процесса. При этом используются стандартные значения из основного или вспомогательного ряда чисел точностей.
После этого на основании данных о размахе изменения номинала каждого метрологического поля определяют, используется ли однодиапазонное, или многодиапазонное измерения. При многодиапазонном измерении девиацию метрологического поля можно принять небольшой, например, минимальной — 5 чит. Если размах изменения не очень велик, то можно использовать однодиапазонное измерение, например, 5 или 10 чит. Этим самым мы получаем верхнюю границу метрологического поля, которая и является классом точности измерительных приборов. А уже по определенному классу точности определяются необходимые приборы.
Такая система метрологического проектирования позволяет оптимизировать метрологическую систему, иметь систему КИП и автоматики минимальной стоимости.
Пример проектирования измерительно-приборной системы
Приведем пример проектирования измерительно-приборной системы.
Пусть нам необходимо спроектировать измерительно-приборную систему для взвешивания продовольственных товаров в магазине с указывающими приборами — весами.
В качестве технического задания на проектирование примем, что допустимая относительная погрешность взвешивания не должна превышать один процент в самом неблагоприятном случае, а погрешность в оплате товаров в самом неблагоприятном случае не должна превышать пяти рублей при продаже самых дорогостоящих товаров, цена которых принимается в 500 рублей за килограмм.
Отсюда следует, что нижняя грань точности метрологического поля должна составлять 20 чит. 5 рублей от 500 составляет 10 граммов продукта. Значит, абсолютная точности весов должна быть 10 граммов. Принимает предельный размер взвешиваемого товара 1000 граммов. Тогда верхняя грань метрологического поля будет 30 чит. Следовательно, необходимо использовать весы класса точности 40 с верхним пределом 1000 граммов. Область допустимых измерений составляет от 100 до 1000 граммов. Используются большие деления на 100 граммов, средние на 50 и малые на 10 граммов. Область от 0 до 100 граммов недопустима для использования, поэтому эта область вообще не размечается. Размечает только 0 для установки нуля, а рабочие деления начинаются только со 100 граммов.
Принимаем, что показания должны считываться с расстояния не менее двух метров лицам с пониженным зрением, например, при зрении ± 3 диоптрии. Каково должно быть расстояние между двумя черточками, чтобы человек с таким зрением мог их разделить с расстояния 2 метра — это узнаем у офтальмологов. Например, пусть 5 мм. Тогда длина всей шкалы должна быть 500 миллиметров.
На этом метрологический этап проектирования с точки зрения публичного пользователя — покупателя, заканчивается, и следующий этап есть уже этап физического проектирования самих весов на основании этих данных.
Ясно, что для публичного пользователя никаких индексов точности наносить не надо. Весы автоматически спроектированы так, чтобы метрологической корректности измерения достигалась автоматически. Желательно еще иметь контрольную гирю, например, на 1000 или 500 граммов для поверки весов. Если с точки зрения метролога 1000-грамовая гиря лучше, то с точки зрения публичного пользователя лучше иметь 500-грамовую, так как у широких масс есть недоверие к границам, мол, на границах все может быть и хорошо, а вот в центре… Вот почему лучше иметь 500 граммовую гирю. Она может быть одна на весь магазин, иметь класс точности 40 и защищена от фальсификации, например, остеклована или покрыта узором, нарушение которого сразу же показывали бы нарушения ее целостности.
Сопряжение втулки и отверстия
Сопряжения размеров является весьма распространенной задачей. Например, вала и отверстия, оси и отверстия размещенного на них устройства, заклепки, шипа, дюбеля и отверстия, колеса и корпуса, в котором он размещен, шпонки и посадочного места на вале и шестерне и т.д. Причем втулка и отверстие могут иметь различную геометрическую фору — круглыми, квадратными, линейными и т.д.
В настоящее время для каждого типа сопряжения разрабатываются отдельные стандарты, которые представляются в виде больших таблиц допусков и посадок.
Это связано с тем, что все эти вопросы разрабатывались конструкторами. Но метрология позволяет дать решение этой проблемы единым образом.
По системе сопряжения различают сопряжения в системе втулки и в системе отверстия. В системе втулки по номиналу делается втулка, а отверстие уже сопрягается с втулкой, в системе отверстия по номиналу изготавливается отверстие, а размер втулки подгоняются под размер отверстия.
По характеру сопряжения различают подвижное и неподвижное сопряжение, причем различают несколько видов подвижного и неподвижного сопряжения — ходовое, легкоходовое, плотное, прессовое и т.д.
Наконец, сопряжения различаются классом точности.
Оказывается номинала сопрягаемых объектов, система сопряжения, характер сопряжения и индекс точности сопрягаемых объектов позволяют полностью описать всю геометрию сопряжения вне зависимости от их вида и назначения.
Если сопрягающий объект имеет размер a/t (a — номинал, t — индекс точности), то сопрягаемый объект должен иметь размер (a+n*D a)/t. Здесь n зависит от типа сопряжения, а D a есть абсолютная погрешность в данном классе точности. В системе втулки n<0 соответствует неподвижному соединению, n>0 соответствует неподвижному соединению. При n=0 характер соединения не определен. В системе отверстия, наоборот, при отрицательном n имеем подвижное соединение, при nположительном имеем неподвижное соединение.
Таким образом, достаточно только стандартизировать значенияn, чтобы полностью описать любое сопряжение вала и отверстия, шпонки и посадочного места и т.д.
Например, определим геометрию прессового сопряжения вала с отверстием в системе вала диаметром 100 мм в классе точности 40.
Примем, что для этого соединения n=4.
Для индекса точности 40 относительная ошибка равна 1*10-4, абсолютная ошибка для размера 100 мм равна 0.1 мм. Отсюда вал делаем диаметром 100,0± 0.1 мм, а отверстие делаем размером 100,0-4*0.1=99,6 мм также в классе точности 40, т.е. с погрешностью ± 0.1 мм. Итак, размер отверстия 99,6/40 мм. Никаких таблиц допусков и посадок не потребовалось.
Отметим также, что для изготовления по таблицам допусков и посадок потребовались бы гораздо большее количество измерений при изготовлении отверстия и более точный измерительный инструмент. Здесь же необходимо иметь лишь измерение номинала с помощью измерительного прибора, позволяющего измерять номинал 100 мм с точностью равной или лучшей, чем 40 чит. Это вполне может быть и штангенциркуль. Само измерение осуществляется гораздо проще. Таким образом, имеем увеличение производительности труда, экономию измерительных инструментов, и производственных инструментов (сверл) или число проходов фрезерного станка, а также возможность использования работника с более низкой квалификацией.
Маркировка точности
При производстве изделий, характеризующихся своим нецелым номинальным значением в настоящее время используются различные классы точности и осуществляется их маркировка по классам точности.
На самом деле необходимо описание не по классам, а группам точности, т.е. маркировка должна указывать предельно допустимую точность.
Кроме того, в каждой области производства и техники используются свои стандарты, свои виды маркировок, что создает большие затруднения. Например, в радиотехнике используется маркировка по точности с помощью цвета изделия, например, резистора.
Необходимо иметь единую универсальную маркировку любых изделий по индексам точности, которую и наносить на изделие, например, 50/20 Ком, 100/40 мм и т.д. Тогда это станет понятным каждому человеку, имеющему даже самое поверхностное представление о метрологии.
На всех чертежах, схемах и других проектных и отчетных документах все размеры и величины должны иметь метрологическую характеристику. Например, на чертеже можно размеры, которые имеют высокую метрологическую характеристику, маркировать прямо в месте указания номинала, а метрологическую характеристику некритических элементов указывать в спецификации чертежа или схемы.
Новые проблемы
Итак, проблема метрологического описания измерений, измерительных устройств, объектов метрологии может иметь единое метрологическое описание, которое позволит поднять метрологическую культуру не только техники, но и даже быта.
Но возникает новая проблема. Ведь метрологические числа используются в качестве входных данных для дальнейшей вычислительной обработки. Причем, в результате вычислений с метрологическими числами должно также получаться метрологическое число, которое используется для метрологических целей. Следовательно, любая вычислительная обработка должна давать на выходе не только номинал, но и метрологическую характеристику результат обработки.
В докомпьютерную эпоху это знали хорошо, потому были разработаны специальные правила работы с метрологическими числами в виде “Правил приближенных вычислений”.
В настоящее время вся вычислительная обработка осуществляется на компьютерах. Но нынешняя технология компьютерных вычислений предназначена исключительно для вычисления номиналов и не способна обрабатывать метрологическое число как единое целое — номинал и его метрологическая характеристика. Правила приближенных вычислений, которыми пользовались в докомпьютерную эпоху, полностью выброшены компьютерной технологией, якобы, за ненадобностью и устарелостью. А новых способов обработки метрологических чисел так и не создано.
В современном компьютеринге определение метрологической характеристики результатов осуществляется как бог на душу положит. Например, программист или другой специалист посчитает, что данный расчет дает точность 4 знака и просто дает команду о выводе на печать четырех знаков. Посчитает 5 — задаст 5. А если вообще не задаст никакой команды, то компьютер выдаст и все пятнадцать разрядов. Ясно, что это пещерный уровень в области метрологии, который характерен для современного состояния компьютерных вычислительных технологий.
А там, где имеется понимание необходимости иметь метрологическую характеристику, создаются специальные программы ее определения, причем для каждой задачи свои. Характерно, что затраты компьютерных ресурсов для определения точности расчета зачастую на порядок, а то и два больше, чем для расчета номинала. Ясно, что это бред. Ведь сама метрологическая характеристика имеет очень малую точность, нам нужен буквально один значащий разряд для характеристики точности, и использовать для его определения расчеты с двадцатью значащими разрядами есть чудовищная нелепость.
Определение метрологической характеристики должно осуществляться автоматически при обработке метрологических чисел. Но в настоящее время даже нет системы ввода метрологических чисел в компьютер, т.е. номинала числа и его метрологии.
Таким образом, проблема компьютерной обработки метрологических чисел выходит на первый план. Нужна принципиально новая технология обработки метрологических чисел, при которой данные в компьютер вводились бы в виде метрологических чисел, т.е. номинал и метрологическая характеристика, а результаты автоматически выдавались также в виде номинала и метрологии, причем это должна быть единая всеобщая универсальная система вычислений, другой системы вычислений нецелых чисел быть просто не должно, система вычислений только номиналов должна быть отвергнута и ликвидирована как метрологически безграмотная.
Можно ли принципиально создать такую вычислительную технологию? Она существовала уже в докомпьютерную эпоху, пусть и в не совсем законченном виде. Неужели то, что делал человек тысячу лет назад, умножая столбиком на бумажке, что делал в свое время любой ученик пятого класса при работе с приближенными числами, не способен сделать компьютер с его высочайшей производительностью, с его просто несопоставимыми вычислительными возможностями?
И такая технология обработки метрологических чисел разработана в России виде математической теории и ее приложения к компьютерным технологиям. Называется эта технология “Аппроксиметика”. Но это уже другая тема, хотя и связанная с метрологией.
Качественное метрологическое изделие
Можно ввести понятие качественного метрологического изделия — МКИ. Это объект, удовлетворяющий всем метрологическим требованиям.
Требования эти, в принципе, просты.
  • Измерительный прибор для массового, непроизводственного использования (весы, бытовые электроизмерительные приборы, приборы для измерения линейных размеров и т.д.) должны иметь четкое обозначение метрологического поля, в области которого рекомендуется производить измерение, и описание этого поля в маркировке прибора.
  • Производственные метрологические приборы должны иметь специальную шкалу для определения метрологической характеристики измеряемой величины — шкалу индексов точности.
  • Цифровые измерительные устройства должны обладать устройством выбора точности измерения и автоматической системой измерения с соответствующей точностью.
  • Чертежи, схемы и т.д. должны содержать метрологическую характеристику всех номиналов.
  • Справочники и иные книги, в которых используются метрологические величины, также должны содержать метрологические характеристики номиналов.
  • Изделия с номиналом должны иметь ясную метрологическую маркировку.
  • Проекты, включающие в себя наличие измерений и контрольно-измерительных приборов, должны содержать метрологическое описание используемых метрологических полей.
В настоящее время требованиям КМИ удовлетворяют только математические таблицы. В этих таблицах точно определено количество значащих разрядов, и абсолютная погрешность равна половине последнего значащего разряда. В них используется метрологическое описание через абсолютную погрешность. Но это описание для измерительной практики неудобно.
Стандарты КМИ могут пропагандироваться и внедряться коммерческой компанией, получив предварительно патенты и зарегистрировав полезные модели и товарные знаки.
Однако, для массового внедрения в жизнь концепций КМИ, сделать их стандартами, вести компанию по повышению метрологической культуры общества на государственном уровне требуются уже усилия государственных органов и прежде всего Госкомстандарта РФ.
Установив стандарты КМИ, Россия может начать распространение их по всему миру. Причем не только их пропагандой в среде мировой метрологической общественности, но и конкретными действиями. Например, Госкомстандарт вполне может либо своей властью, либо через постановления Правительства, либо, наконец, даже через закон ввести требования к импортируемой продукции о ее соответствия требованиям КМИ. Есть ведь положение, что вся ввозимая продукция должна иметь надписи на русском языке. И ничего, импортеры подчинились и стали размещать русские подписи. Точно так же им придется соответствующим образом оформлять свои метрологические изделия, тем более, что особых затрат для этого и не требуется. Правда, для этого им придется купить лицензию у владельцев интеллектуальной собственности на это оформление. А затем и сама мировая метрология естественно будет переходить на эти стандарты. Ведь это стандарты качественной метрологии, в которой Запад заинтересован не меньше, чем Россия. И тут могут появиться очень немалые деньги для тех, кто начнет этим заниматься.
Двадцать первый век — век информатики и век измерений. Метрология стала сферой не только производственной, но и массовой, бытовой, публичной деятельности. И перед нею стоит задача повышения общей метрологической культуры общества. Россия может стать ведущей страной на этом общемировом пути.

Posted by Автор: mp3user на 14:23
Categories:
0 коммент.  

Об отсчете показаний стрелочных приборов


Отсчет показаний СИ - фиксация значения величины или числа по показывающему устройству средства измерений в заданный момент времени РМГ 29-99 Метрология. Термины и определения
Стрелка прибора показывает значение, находящееся между двумя делениями шкалы, например между 21 и 22. Имеет ли право оператор поделить это расстояние «на глаз» и приписать значение, скажем 21,3? Или необходимо округлять до целого?
Из вопросов на «Главном форуме метрологов»

Ранее мне казалось (точнее, я просто был уверен в этом), что вопрос, приведенный в качестве эпиграфа к настоящей статье, не имеет смысла, но, анализируя многочисленные источники, обнаружил, что не все так однозначно, т.к. в литературе содержится множество противоречивых рекомендаций.
Начну с РМГ 29-99 [1], в которых под отсчетом показаний средства измерений (СИ) понимается «фиксация значения величины или числа по показывающему устройству средства измерений в заданный момент времени».
В тех же РМГ 29-99 приведен пример: «зафиксированное в данный момент времени по табло бытового электрического счетчика значение, равное 505,9 кВт-ч, является отсчетом его показаний на этот момент». Здесь все просто, т.к. отсчет показаний осуществляется с помощью цифрового отсчетного устройства.
Как же правильно получить отсчет со шкалы стрелочного измерительного прибора (а также линейки, ардометра и подобных СИ)?
Вот, например, как этот вопрос освещен в одном из учебников [2]: «...при отсчете показаний стрелочных приборов такие погрешности могут быть значительными из-за неправильного отсчета десятых долей деления шкалы, асимметрии, возникающей при установке штриха посередине между двумя рисками, и т.п. Например, погрешности, которые делает экспериментатор при оценивании десятых долей деления шкалы прибора, могут достигать 0,1 деления. Эти погрешности проявляются в том, что для разных десятых долей деления разным экспериментаторам свойственны различные частоты оценок, причем каждый экспериментатор сохраняет присущее ему распределение в течение длительного времени. Так, один экспериментатор чаще, чем следует, относит показания к линиям, образующим края деления, и к значению 0,5 деления. Другой - к значениям 0,4 и 0,6 деления. Третий предпочитает значения 0,2 и 0,8 деления и т.д. В целом, имея в виду случайного экспериментатора, распределение погрешностей отсчитывания десятых долей деления можно считать равномерным с границами ±0,1 деления».
А в другом учебнике (по психологии труда!) [3], ссылаясь на диссертационные исследования [4], автор отмечает: «Специалист сталкивается со следующей ситуацией: когда рабочий пользуется стрелочным измерительным прибором высокой точности (так называемым прецизионным прибором), то субъективная погрешность отсчета (неточное считывание показаний прибора) имеет существенное отрицательное значение для производства. При отсчете показаний по шкале такого прибора рабочий (оператор) должен «на глаз» оценивать десятые доли расстояния между двумя соседними штрихами шкалы. Если деления можно подсчитать, то для ориентировки в ненанесенных на шкале долях деления (а наносить их уже некуда - штрихам уже слишком тесно) нужны какие-то другие средства. Проведя исследования, специалист [4] предложил средство для формирования у оператора навыка точного считывания показаний прибора, сводящееся к следующему: оператор некоторое время тренируется с набором карточек, на каждой из которых изображено то или иное положение стрелки между линиями (0,1; 0,2; 0,3 и т.д.). После тренировок по специальной системе (карточки предъявляются в случайном порядке и каждый раз оператору сообщается истинное значение видимого положения стрелки) все операторы стали производить считывание с более высокой, чем прежде, точностью».
Таким образом, получается, что ценой длительных тренировок можно произвести отсчет показаний с разрешением в 0,1 цены деления шкалы стрелочного прибора.
Далее, определимся, есть ли в этом смысл. А пока приведу выдержки из некоторых нормативных документов (разумеется, есть и другие), в которых установлено именно это требование. 
Так, в пункте 2.2 МИ 2145-91 [5], регламентирующем поверку манометров и вакуумметров деформационных, записано: «Отсчитывание показаний необходимо проводить по поверяемому прибору с абсолютной погрешностью, не превышающей 0,1 цены деления шкалы...». Зачем спрашивается отсчитывать показания с погрешностью 0,04 % при классе точности 0,4?
Аналогичные требования приведены и в пункте 5.7.2.8 Р 50.2.041-2004 [6], регламентирующим поверку ареометров стеклянных: «Если при снятии показаний наблюдаемая линия мениска (его нижний или верхний край) совпадает с одним из штрихов шкалы, то его показание соответствует значению этого штриха. В том случае, если эта линия лежит между двумя штрихами, то видимую часть деления отсчитывают визуально в десятых долях наименьшего деления шкалы по сравнению с соседними и выражают в долях единицы измерений шкалы плотностей (концентраций)». При этом следует помнить, что поверитель должен смотреть на ареометр, который находится в термостате (т.е. в стеклянном сосуде), плавает вжидкости, которая перемешивается, а термостат находится в вытяжном шкафу. Получается, что поверитель смотрит на шкалу ареометра через 4 стекла - ареометра, стеклянного сосуда, стекла вытяжки и лупу (а, может еще и через пятое стекло - через очки!) - не много ли?! Кроме того, учитывая, что жидкость перемешивается (да еще и с пузырьками), а ареометр так и норовит прикоснуться к стенке стеклянного сосуда, как в таких условиях поверитель может зафиксировать значение величины в десятых долях цены деления шкалы?
Да и к чему такие титанические усилия, если пределы погрешности СИ соизмеримы с ценой деления?! Тем более что при поверке стрелочных приборов более удобным является способ, при котором стрелочный указатель поверяемого прибора совмещают с проверяемой отметкой шкалы (рис. 1, а), а погрешность определяют расчетным путем как разность показаний поверяемого прибора и эталона, шкала которого обычно имеет большее число делений (рис. 1, б) [7].
непосредственное сличение
Оставим теперь поверку в стороне и вернемся к исходному вопросу: имеет ли право оператор интерполировать расстояние между делениями шкалы стрелочного прибора «на глаз» или должен округлять зафиксированный отсчет до целого?
Вспомним правила округления [8], одно из которых гласит: «результат измерения округляется до того же десятичного разряда, которым оканчивается округленное значение абсолютной погрешности».
Отсюда следует, что для однозначного ответа   на вопрос, поставленный эпиграфом настоящей статьи, необходимо знать еще и пределы погрешности, регламентированные для СИ, с помощью которого получен отсчет.
Так, если пределы погрешности составляют ±1 цены деления шкалы, то и отсчет должен быть получен с округлением до единиц цены деления шкалы. Если же пределы погрешности составляют меньше цены деления шкалы, то отсчет должен быть получен с округлением «до того же десятичного разряда, которым оканчивается округленное значение абсолютной погрешности», т.е. до долей цены деления шкалы. Например, если пределы погрешности измерительной линейки составляют 0,5 мм, то и отсчет должен быть получен с округлением до 0,5 мм (рис. 2).
измерение линейкой
А как быть, если пределы погрешности СИ составляют, скажем, ±0,3 цены деления шкалы? Как в этом случае зафиксировать отсчет показаний СИ? Какой погрешностью округления можно пренебречь?
Для ответа на этот вопрос воспользуемся так называемым «критерием ничтожной погрешности» [10], в соответствии с которым «группа погрешностей отбрасывается, если их сумма меньше одной трети максимальной погрешности». В соответствии с этим критерием в последнем примере можно пренебречь погрешностью округления всего ±0,1 цены деления шкалы. Но такие случаи встречаются чрезвычайно редко.

Posted by Автор: mp3user на 14:21
Categories:
0 коммент.  

Чем заменить Arduino?

среда, 29 августа 2012 г.



Как известно, конкуренция среди производителей микроконтроллеров весьма высока. Каждый старается завлечь потребителей низкой ценой и расширенным функционалом своих камней.

Компания Texas Instruments, для продвижения в массы своих контроллеров MSP430, предлагает дешевую ($4.30) отладочную плату LaunchPad (MSP-EXP430G2). Внешне она напоминает Arduino, но, естественно, с ней не совместима. В комплекте с платой щедрые техасцы кладут сразу два своих микроконтроллера серии Value Line в DIP-корпусах: msp430g2553 и msp430g2452.

LaunchPad

Конечно эти контроллеры достаточно спартанские в плане имеющейся на борту периферии (например, по сравнению с теми же AVR в Arduino), но, зато MSP430 являются одними из лидеров среди микроконтроллеров в плане энергосбережения. Именно низкое потребление энергии было коньком MSP430, когда TI впервые выпустила их на рынок в 1999 году.

В качестве IDE для своих контроллеров TI предлагает Code Composer Studio (основана на Eclipse) и IAR Embedded Workbench KickStart. Обе среды разработки имеют бесплатные версии для загрузки.

С недавних пор появилась еще одна IDE — Energia. Это форк среды разработки Arduino для контроллеров MSP430.

Основное окно Energia

Пока программа поддерживает только три контроллера: msp430g2231, msp430g2452 и msp430g2553.

Выбор контроллера

Программирование в Energia ничем не отличается от такового в среде Arduino. Для людей, освоивших Processing/Wiring в Arduino, переход на более дешевый LaunchPad будет незаметным.

Загрузка скетча в контроллер

Имея такую простую в освоении для новичков среду разработки как Energia и раздавая свой LaunchPad практически даром (всего лишь за $4.30 включая бесплатную доставку FedEx'ом по всему миру), Texas Instruments может составить неплохую конкуренцию Arduino (например 1290 руб. на Амперке).

Ссылки:

Texas Instruments LaunchPad MSP-EXP430G2
Почитать Wiki
Посетить сайт
Посмотреть примеры использования в реальных проектах
Обзор на Хабре
Заказать себе!

Energia
Загрузить (доступны версии для Windows и Mac OS X)
Почитать Wiki
Поучаствовать в форуме

Posted by Автор: mp3user на 12:06
Categories:
0 коммент.  

Управление розеткой


В этой статье я хочу рассказать о моем опыте создании управляемой розетки. Не GSM(это всем надоело, да и слишком просто — читай sms да дергай пинами), а управляемой через браузер, с помощью кнопочек на HTML-страничке.

Итак, какой же путь должен проделать сигнал, чтоб включить чайник?
Нажатие кнопки на странице -> переход по ссылке и отработка web-сервера -> выполнение CGI скрипта -> передача команды по UART контроллеру -> появление напряжение на пине -> срабатывание реле, которое включает чайник.

Рассмотрим все по порядку.

Хотя нет, начнем с обратного конца — контроллера.

Физический уровень — дергаем пины.


Под эту роль удачно подвернулась техасовская плата с MSP430.
Под нее была написана прошивка в их среде Energia, которая является переработанным под другой контроллер редактором скетчей Arduino. Да, радуйтесь — код совместим с ардуйней, и будет работать точно так же. Выглядит вот так:



Весь код можно посмотреть вот тут. Осторожно, там немного быдлокода.

А про кусочек я сейчас расскажу:

byte inByte = 0;  //Байт для данных из UART
int status[12]; // Для статуса пинов
 
void setup() {
Serial.begin(9600);// Конфигурируем UART
pinMode(RED_LED, OUTPUT);// Конфигурируем пины на выход
pinMode(6, OUTPUT);} 

if (Serial.available() > 0) { //Как только на входе появится байт и пока они не закончатся,
inByte = Serial.read(); // запихиваем их в эту переменную, 
    switch (inByte){  // и делаем что нибудь, в зависимости от них:
      case 's':  // если пришел "s", то
          Serial.print("RED_LED:");  // показываем статистику,
          Serial.println(status[10]); // какой из портов включен, а какой выключен
      break;
     case 'r':  //а если название порта, 
        if (status[10] == 0)        { // то проверяем статус, и в зависимости от него,
          digitalWrite(RED_LED, HIGH); // либо зажигаем
          status[10] = 1;        }  // (не забыв поменять статус)
        else        { 
        digitalWrite(RED_LED, LOW); // либо гасим
        status[10] = 0;        } // (тоже не забыл поменять статус)
        break; 
}              
}
}


Сообственно, он весь состоит из этого (честно говоря, я в первый раз вижу код для arduino и сам редактор кода тоже), и мне лень было разбираться с чем-то сложнее case.
Управляется он 14 байтами, выраженными для удобства в символах: 123456789nfrgs
132456789 — включают, а при повторной посылке выключают пин.
n — включает все пины (от ON)
f — выключает все пины (от OFF)
s — показывает, что включено, а что нет (от STAT)
g — включает или выключает зеленый светодиод (GREEN)
r — красный светодиод… Ну вы поняли.
В одной посылке можно комбинировать несколько символов, скажем rgs1 — включит оба светодиода, покажет информацию, а потом подаст напряжение на первый пин.

Красноглазим


В загашниках нашел шнурок от чего-то, с контроллером CP2101, который был незамедлительно подключен к плате. Легким движением в гугле был найден драйвер...
Нет, я вру. Придется рассказать про компьютер.
У меня есть несколько вот таких одноплатных компьютеров, с ARM-процессором A10, и Android на борту.



Можно было запустить и Linux, но я не стал этого делать — я на нем еще фильмы смотрю, а в Androide это делать удобнее. Пришлось битые 4 часа ковыряться то в выдаче гугла, то в потрохах системы, пробуя собрать хоть какой-нибудь модуль для USB-UART конвертера. Когда я уже почти сдался, наткнулся на блог моего спасителя, в котором он выложил два модуля для Android на A10 (он смог собрать, в отличии от меня), кои были немедленно загружены(insmod cp210x.ko). После чего я перевернул вверх дном все мои коробки с барахлом, но нашел шнурок именно с конвертером CP2101.

Втыкаем его в USB, с замиранием сердца делаем ls /dev, и вожделенный /dev/ttyUSB0 появляется в системе!
Далее последовал секс интересный час, который я провел, выясняя как правильно инициализировать устройство, чтоб на него слать байты. Не буду мучать читателей, и расскажу сразу:
stty -F /dev/ttyUSB0 9600 — инициализируеут порт. лучше выполнять при каждом обрацении, мало ли. вдруг между посылками вы шнурок вытащите.
/system/bin/echo «r» >/dev/ttyUSB0 — отправляет байт в порт.
А контроллер его принимает, и включает порт, на котором висит красный светодиод.

Веб и CGI


Добрые люди подсказали мне, как с уровня консоли перенестись на уровень браузера. Делюсь этим сакральным знанием и с вами:
1) Нужен Busybox и SSH сервер. Впрочем, если вы хотите набирать скрипты на самом устройстве, можно оботись и эмулятором терминала.
2) Создаем каталог, в который складываем файлы:
http.cfg — конфигурация веб-сервера, которая, состоит из одной строчки: *.html:/system/bin/sh, которая означает, что все html-файлы надо выполнять интерпритатором sh, а не просто отдавать пользователю.
Скрипт, назвовем его, например starthttpd, в котором тоже будет немного строк:
insmod /sdcard/www/cp210x.ko >/dev/null 2>&1 — строчка, которая загружает в ядро драйвер конвертера(чтоб не делать это каждый раз вручную), и не ругается, если он там есть.
httpd -p12 -h /sdcard/www -c /sdcard/www/http.cfg — запускает сервер на порту 12(кто то занял 80), с корневой папкой /sdcard/www, и конфигом, который мы сделали ранее.
и, наконец, сердце — index.html:

#!/bin/sh
stty -F /dev/ttyUSB0 9600 #конфигурируем порт
/system/bin/echo $QUERY_STRING >/dev/ttyUSB0 #плюемся в порт  символами, которые нам передали GET-ом.
echo "Content-type: text/html"
echo ""
echo "<html><header></header><body>"
echo "<input type=\"button\" value=\"RED_LED\" onclick=\"location.href='?r'\" />" #делаем кнопки, которые передают тот самый параметр(href='?r')
echo "<input type=\"button\" value=\"GREEN_LED\" onclick=\"location.href='?g'\" /><p>"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_1.4\" onclick=\"location.href='?1'\" />"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_1.5\" onclick=\"location.href='?2'\" /><p>"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_1.7\" onclick=\"location.href='?9'\" />"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_2.0\" onclick=\"location.href='?3'\" /><p>"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_2.1\" onclick=\"location.href='?4'\" />"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_2.2\" onclick=\"location.href='?5'\" /><p>"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_2.3\" onclick=\"location.href='?6'\" />"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_2.4\" onclick=\"location.href='?7'\" /><p>"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_2.5\" onclick=\"location.href='?8'\" /><p>"
echo "<input type=\"button\" value=\"ON_ALL\" onclick=\"location.href='?n'\" />"
echo "<input type=\"button\" value=\"OFF_ALL\" onclick=\"location.href='?f'\" /><p>"
echo "</font></pre>"
echo "</body></html>"


Получаем вот такую менюшку с кнопочками:


Осталось убрать со стола мусор, и соединить все вместе:



Вот небольшое видео результата:



Конечно, сфера применения не ограничивается цветомузыкой. Добавляем реле на 5в, и получаем 9 управляемых удаленно(!) с компьютера выходов, которые могут рулить чем угодно — от лампочек в туалете и света в офисе до кондиционеров и силовых щитков.

А еще можно пробросить ssh на сервер, и делать все тоже самое, но из любого места, где есть интернет.

Posted by Автор: mp3user на 12:04
Categories:
0 коммент.  

пятница, 1 июня 2012 г.



Рано или поздно любой начинающий электронщик, если не бросит свои эксперименты, то дорастет до схем, где нужно отслеживать не просто токи и напряжения, а работу схемы в динамике. Особенно это часто нужно в различных генераторах и импульсных устройствах. Вот тут без осциллографа делать нечего!
Страшный прибор, да? Куча ручек, каких то кнопочек, да еще экран и нифига не понятно что тут да зачем. Ничего, сейчас исправим. Сейчас я тебе расскажу как пользоваться осциллографом.
 
На самом деле тут все просто — осциллограф, грубо говоря, это всего лишь… вольтметр! Только хитрый, способный показывать изменение формы замеряемого напряжения.


Как всегда, поясню на отвлеченном примере.
Представь, что ты стоишь перед железной дорогой, а мимо тебя с бешеной скоростью мчится бесконечный поезд состоящий из совершенно одинаковых вагонов. Если просто на них стоять и смотреть, то ничего кроме размытой фигни ты не увидишь.
А теперь ставим перед тобой стенку с окошком. И начинаем открывать окошко только тогда, когда очередной вагон будет в том же положении, что и предыдущий. Так как у нас вагоны все одинаковые, то тебе совершенно необязательно видеть один и тот же вагон. В результате картинки разных, но идентичных вагонов будут выскакивать перед твоими глазами в одном и том же положении, а значит картинка как бы остановится. Главное это синхронизировать открытие окошка со скоростью поезда, чтобы при открытии положение вагона не менялось. Если скорость не совпадет, то вагоны будут «двигаться» либо вперед, либо назад со скоростью, зависящую от степени рассинхронизации.
 
На этом же принципе построен стробоскоп — девайс, позволяющий разглядывать быстро движущиеся или вращающиеся хреновины. Там тоже шторка быстро-быстро открывается и закрывается.
 
Так вот, осциллограф это тот же стробоскоп, только электронный. А показывает он не вагоны, а периодические изменения напряжения. У той же синусоиды, например, каждый следующий период похож на предыдущий, так почему бы не «остановить» его, показывая в один момент времени один период.
 
Конструкция
Делается это посредством лучевой трубки, отклоняющей системы и генератора развертки.
В лучевой трубке пучок электронов попадая на экран заставляет светится люминофор, а пластины отклоняющей системы позволяют гонять этот пучок по всей поверхности экрана. Чем сильней напряжение, приложенное к электродам, тем больше отклоняется пучок. Подавая на пластины Хпилообразное напряжение мы создаем развертку. То есть луч у нас движется слева-направо, а потом резко возвращается обратно и продолжает снова. А на пластины Y мы подаем изучаемое напряжение.
 
Принцип работы
Дальше все просто, если начало появления периода пилы (луч в крайне левом положении) и начало периода сигнала совпадают, то за один проход развертки нарисуется один или несколько периодов измеряемого сигнала и картинка как бы остановится. Меняя скорость развертки можно добиться того, что на экране вообще останется только один период — то есть за один период пилы пройдет один период измеряемого сигнала.
Развертка осциллографа во времени
Развертка осциллографа во времени
 
Синхронизация
Синхронизировать пилу с сигналом можно либо вручную, подстраивая ручкой скорость так, чтобы синусоида остановилась, а можно по уровню. То есть мы указываем при каком уровне напряжения на входе нужно запустить генератор развертки. Как только напряжение на входе превысит уровень, так сразу же запустится генератор развертки и выдаст нам импульс.
В итоге, генератор развертки выдает пилу только тогда, когда надо. В этом случае синхронизация получается полностью автоматической. При выборе уровня следует учитывать такой фактор, как помехи. Так что если взять слишком низкий уровень, то мелкие иголки помех могут запустить генератор когда не нужно, а если взять уровень слишком большой, то сигнал может под ним пройти и ничего не случится. Но тут проще покрутить ручку самому и сразу же все станет понятно.
Также сигнал синхронизации можно подать и с внешнего источника.
Синхронизация по уровню
Синхронизация по уровню

В топку теорию, переходим к практике.
Показывать буду на примере своего осциллографа, спертого когда то давно с оборонного предприятия КБ «Ротор» :). Обычный осцил, не шибко навороченный, но надежный и простой как кувалда.
 
Мой верный осциллограф
Мой верный осциллограф
 
Итак:
Яркость, фокус и освещение шкалы думаю не требуют пояснений. Это настройки интерфейса.
 
Усилитель У и стрелочки вверх вниз. Эта ручка позволяет гонять изображение сигнала вверх или вниз. Добавляя ему дополнительное смещение. Зачем? Да иногда не хватает размера экрана, чтобы вместить весь сигнал. Приходится его загонять вниз, принимая за ноль не середину, а нижнюю границу.
 
Ниже идет тумблер переключающий ввод с прямого, на емкостный. Этот тумблер в том или ином виде есть на всех без исключения осциллографах.
Режимы работы входа.

Важная вещь! Позволяет подключать сигнал к усилителю либо напрямую, либо через конденсатор. Если подключить напрямую, то пройдет и постоянная составляющая и переменная. А через кондер проходит только переменная.

Например, надо нам посмотреть на уровень помех блока питания компа. Напряжение там 12 вольт, а величина помех может быть не более 0.3 вольт. На фоне 12 вольт эти жалкие 0.3 вольт будут совсем незаметны. Можно, конечно увеличивать коэффициент усиления по Y, но тогда график вылезет за экран, а смещения по Y не хватит, чтобы увидеть вершину. Тогда нам нужно лишь врубить конденсатор и тогда те 12 вольт постоянки осядут на нем, а в осциллограф пройдет только переменный сигнал, те самые 0.3 вольта помехи. Которые можно усилить и разглядеть в полный рост.
 
Далее идет коаксиальный разъем подключения щупа. Каждый щуп содержит в себе сигнал и землю. Землю обычно сажают на минус или на общий провод схемы, а сигнальным тычут по схеме. Осциллограф показывает напряжение на щупе относительно общего провода. Чтобы понять где сигнальный, а где земля достаточно взять за них рукой по очереди. Если возьмешься за общий, то на экране по прежнему будет пульс трупа. А если взяться за сигнальный, то увидишь кучу срача на экране — наводки на твое тело, служащее в данный момент антенной. На некторых щупах, особенно на современных осциллографах, внутри встроен делитель напряжения 1:10 или 1:100, который позволяет воткнуть осциллограф хоть в розетку, без риска его спалить. Включается и выключается он тумблером на щупе.
 
Еще почти на каждом осциллографе есть калибровочный выход. На котором ты всегда можешь найтипрямоугольный сигнал частотой 1Кгц и напряжением около полувольта. В зависимости от модели осцила. Используется для проверки работы самого осциллографа, ну иногда и в тестовых целях пригождается :)
 
Две здоровенные крутилки Усиление и Длительность
 
Усиление служит для масштабирования сигнала по оси Y. Там же показано сколько вольт на деление в итоге покажет.
Скажем, если у тебя стоит 2 вольта на деление, а сигнал на экране достигает высоты две клеточки размерной сетки, значит амплитуда сигнала равна 4 вольта.
 
Длительность определяет частоту развертки. Чем короче интервал, чем больше частота, тем более высокочастотный сигнал ты сможешь разглядеть. Тут клеточки проградуированы уже в милли и микросекундах. Так что по ширине сигнала ты можешь посчитать сколько он клеток, а умножив его на масштаб по оси Х получишь длительность сигнала в секундах. Также можно посчитать длительность одного периода, а зная длительность легко найти частоту сигнала f=1/t
Верхняя пипка на крутилках позволяет менять масштаб плавно. Обычно у меня она стоит на щелчке, чтобы я всегда четко знал какой у меня масштаб.
 
Также там есть вход Х на который можно подать свой сигнал, вместо пилы развертки. Таким образом осциллограф может послужить телевизором или монитором, если собрать схему которая будет формировать изображение.
 
Крутилка с надписью Развертка и стрелочками влево и вправо позволяет гонять график по экрану влево и вправо. Удобно иногда бывает, чтобы подогнать нужный участок под деления сетки.
 
Блок синхронизации.

Ручка уровня — задает уровень от которого будет стартовать генератор пилы.
Переключатель со внутренней на внешнюю, позволяет подать на вход синхроимпульсы с внешнего источника.
Переключатель с надписью +/- переключает полярность уровня. Есть не на всех осциллографах.
Ручка стабильность — позволяет вручную попытаться подобрать скорость синхронизации.
Быстрый старт.
Итак, включил ты осцил. Первое что нужно сделать это замкнуть сигнальный щуп на свой же земляной крокодил. При этом на экране должен появится «Пульс трупа». Если не появился, то покрути ручки стабилизации и смещений и уровня — возможно он просто спрятался за экран или не запустился из-за недостаточного уровня.
 
Как только появилась полоса, то выстави крутилками смещения её на ноль. Если у тебя аналоговый осцил, особенно если древний, то дай ему прогреться. У моего после включения ноль плавает еще минут пятнадцать.
 
Дальше выстави предел измерений по напряжению. Бери с запасом, если что уменьшишь. Теперь если земляной провод осциллографа приложишь к минусу батарейки, а сигнальный к плюсу, то увидишь как график скакнет на полтора вольта. Кстати, старые осциллографы зачастую начинают подвирать, поэтому по эталонному источнику напряжения полезно посмотреть насколько точно он отображает напряжение.
 
Выбор осциллографа.
Если ты только начал, то тебе подойдет любой. Крайне желательно если он будет двухканальным. То есть у него будет два щупа и две крутилки Усиления, для первого и второго канала, что позволяет одновременно получить два графика.
Вторым по важности критерием осциллографа является частота. Максимальная частота сигнала которую он может уловить. Мне пока хватало 1МГц на большее не замахивался. Те осциллографы, что продаются в магазинах уже имеют частоту от 10МГц и выше. Самый дешевый осциллограф который я видел стоил 5 тысяч рублей — ОСУ-10. Двухканальный стоит уже 10 тысяч, ну а янацелился взял себе цифровой RIGOL DS1042CD за килобакс. Разные запросы — разные игрушки. Но, повторюсь, для начала хватит и 1МГц, и хватит надолго. Так что найди себе хоть какой нибудь осциллограф. А там поймешь что тебе надо.

Posted by Автор: mp3user на 06:40
Categories:
0 коммент.  

Подписаться на: Сообщения (Atom)
 
>