Теперь мы знаем, что "цифровой" не обязательно одновременно "электронный". Это может показаться странным, но такова реальность. Но почему измерительные приборы сегодня все чаще именно с цифровой индикацией? При том, что есть и активные сторонники аналоговой индикации. Именно с этим сегодня и будем разбираться.
Важно отметить, что речь будет идти именно об измерительных приборах, Средствах Измерения (СИ) и их использования для измерений физических величин. Вопросов измерений использующихся в системах автоматического регулирования мы касаться сегодня (в данной статье!) не будем.
Да, мы опять будем рассматривать шкалы, о который уже написано несколько статей. Но рассматривать шкалы мы сегодня будем с несколько другой стороны. Это поможет нам впоследствии понять, в чем именно основное преимущество цифровых приборов, а точнее, цифровых шкал.
Что ты такое, аналоговая шкала?
Рассматривая ранее шкалы, мы просто считали, что они всем известны. Во всяком случае, известен их внешний вид. И занимались больше нюансами разных шкал. Но давайте посмотрим на шкалы именно с точки зрения их внешнего вида. Можно выделить два основных типа шкал:
- Линейная. Грубо говоря, это обычная линейка конечной длины. С ее помощью можно измерить величину линейного перемещения объекта или указателя.
- Круговая. Если обычную линейку свернуть в кольцо, то мы получим круговую шкалу. Это очень грубая аналогия, но довольно наглядная. Однако, такое "сворачивание в кольцо" радикально меняет принцип работы шкалы. Теперь шкала позволяет измерить угол поворота объекта или указателя. Не смотря на то, что фактически линейка продолжает измерять расстояние, на которое переместился (уже по дуге) конец указателя. Это перемещение определяется углом поворота и длиной указателя. Примером угловой шкалы является обычный транспортир.
Деления линейной шкалы промаркированы в линейных единицах (в данном случае, сантиметры), а для круговой шкалы в угловых (в данном случае, десятичные градусы). Но мы можем нанести маркировку прямо в единицах измеряемой величины. Это ничего принципиального не меняет. Что мы можем сказать глядя на эти шкалы? В самом общем виде.
Во первых, оба типа шкал конечны. Линейная шкала может иметь достаточно большую длину, но все равно не может быть бесконечной. Круговая шкала имеет предел в 360 градусов (десятичных) . Да, можно к круговой шкале добавить счетчик оборотов, но это будет уже не круговая шкала в чистом виде. Можно сделать шкалу в виде спирали.
То есть, можно говорить о некоторых принципиальных параметрах аналоговых шкал:
- Любая шкала, не только аналоговая, конечна по своей природе. Поэтому существует максимальное положение, которое указатель может занимать на шкале.
- Любая шкала имеет не только конец, но и начало. Начальным значением, промаркированным на шкале, может быть любое значение. Но начало шкалы соответствует условному 0, если говорить о том, что со шкалы считывается именно количество делений.
- Шкала между своим максимальным и минимальными значениями разбивается на некоторое количество отдельных делений, причем расстояние между делениями не обязательно постоянно.
- Круговая шкала может быть представлено не полной окружностью, а дугой окружности.
То есть размер шкалы конечен, что автоматически определяет и конечное число делений шкалы. Любая аналоговая шкала состоит именно из отдельных делений. Вне зависимости от того, как они промаркированы. Каждое деление шкалы имеет свой "вес", причем вес делений может быть как одинаковым, так и разным. Умножая количество делений на вес деления (при необходимости вычисляя сумму отдельных произведений) мы получаем результат измерения, значение физической величины.
Вес одного деления и определяет разрешающую способность измерительного прибора в единицах измерения физической величины. Для абстрактной шкалы разрешающая способность равна одному делению.
Аналоговая шкала может быть не только механической, что показано на иллюстрации выше, но и электронной
Верхняя шкала не выглядит аналоговой, она дискретная. Но не цифровая. Но обе шкалы на иллюстрации являются классическими, как и механические шкалы. Достаточно вспомнить, что результат измерения мы считываем именно в виде количества целых делений шкалы.
Количество делений шкалы ограничено возможностью различать два смежные деления. Если такая разрешающая способность недостаточна, то приходится использовать различные ухищрения. О некоторых способах повышения разрешающей способности я рассказывал в статье
Но есть и более сложные методы.
Механические усилители перемещения
Нониусы, верньеры, лупы и окуляры позволяют отодвинуть барьер различимости отдельных делений. Увы, не для всех случаев они применимы. И не всегда удобны. Давайте рассмотрим некоторые альтернативные варианты. Например, вот такой
Это механический индикатор. Использовать штангенциркуль и микрометр для непрерывных измерений, например, точности профиля поверхности, невозможно или крайне неудобно. Такой индикатор позволяет измерить именно величину отклонения. Или размеры небольшого объекта. Существуют и более точные индикаторы. Как такой индикатор устроен?
Есть несколько разных вариантов конструкции индикаторов. Мы не будем их подробно рассматривать. В целом, такие индикаторы используют "механический усилитель перемещений". Вот вариант с реечно-зубчатой передачей
Перемещение рейки через набор шестерен передается стрелке (8). Рейка с набором шестерен и является механическим усилителем перемещения. Одновременно, линейное перемещение преобразуется в угловое. Малая стрелка (6) показывает количество полных оборотов основной стрелки. У нее есть своя шкала. Вот как это выглядит внутри реального индикатора
Кроме реечно-зубчатой конструкции можно встретить и рычажную, но она меньше распространена
Принцип действия таких индикаторов основан на разноплечем рычаге. Небольшое перемещение малого плеча приводит к большему перемещению большого плеча. И принцип рычага для нас сегодня более интересен, так как на нем основаны другие методы повышения разрешающей способности шкалы.
У механических усилителей перемещения есть недостатки, которые могут оказаться критическими. Во первых, в механизме практически неизбежны люфты, которые увеличивают погрешность. Даже если используются методы уменьшения люфтов. Во вторых, использование таких усилителей увеличивает усилие необходимое для перемещения указателя. Принцип механики "Выигрываем в перемещении, проигрываем в силе" остается неизменным.
Оптическая шкала, оптический рычаг
Мы можем увеличить размеры шкалы, что позволит увеличить количество делений. Однако, обычная стрелка большого размера имеет и большой вес. И большой момент инерции. Сейчас мы говорим о круговых шкалах в виде сектора окружности.
Зачем большая стрелка? Чем больше длина стрелки, тем больше линейное перемещение ее конца при том же самом угле отклонения. Что бы уменьшить вес стрелки и снизить ее инерционность мы можем заменить стрелку лучом света. И наша шкала теперь может быть очень большой. Но потребуется еще подвижное зеркало. Для примера рассмотрим индикатор с оптической проекционной шкалой
Оптикатор это оптический вариант микрокатора. От рассмотренного нами ранее индикатора он отличается тем, что стрелка закреплена на скрученной пружине. На иллюстрации оптикатора это пружина (4). Микрокаторы точнее индикаторов и имеют более высокую разрешающую способность. Но гораздо меньше пределы измерения.
В оптикаторе на пружине закреплено зеркальце (3) на которое проецируется оптический штрих, для этого и нужны неподвижные элементы (1), (8), (7), (6). Перемещение зеркальца приводит к перемещению "солнечного зайчика", нашего оптического штриха, по шкале (2). Расстояние от зеркальца до шкалы может быть большим, что соответствует очень длинной стрелке. Но и шкала получается большого размера.
Разумеется, приводить в движение зеркальце мы можем не только механически. Мы можем закрепить его вместо стрелки на рамке гальванометра, например. Именно так устроены шкалы электростатических киловольтметра С196 и вольтметра С50, а которых я упоминал в статье
Только там зеркальце закреплено не на рамке гальванометра, а на подвижной обкладке конденсатора.
Оптический усилитель перемещения
Ранее я говорил о рычаге механическом, но ведь есть и рычаг оптический. Собственно говоря, мы им и пользовались, когда заменили стрелку на зеркальце. Но это требует большого расстояния от подвижного зеркальца для шкалы, если нам нужна высокая разрешающая способность. Как мы можем уменьшить это расстояние, но не потерять в разрешающей способности? Использовать оптический усилитель перемещения.
Обычно, работу такого усилителя изображают так
Мы добавили дополнительное зеркало, которое отражает луч света снова на подвижное зеркальце. Можно увеличить количество дополнительных зеркал и, следовательно, количество дополнительных отражений от подвижного зеркальца. Это повысит коэффициент усиления перемещения. Но у такого решения есть и недостатки.
Прежде всего, это требует увеличения размеров подвижного зеркальца, так как для дополнительных отражений требуется место. Это увеличивает и вес подвижного зеркальца, и его момент инерции.
Растягиваем шкалу
Первоначально я хотел рассказать о растянутых шкалах при рассмотрении электронных аналоговых приборов. Однако, вспомнив о ртутных лабораторных термометрах, решил хотя бы кратко упомянуть их сегодня.
Что такое растянутая шкала? Это шкала, начальное "нулевое" деление не равно собственно нулю. Достаточно на начальном делении написать любое значение и получим растянутую шкалу? Нет, все совсем не так! Давайте рассмотрим растянутые шкалы на примере термометров.
Предположим, что мы на шкале термометра можем нанести только 100 делений. Если нам требуется измерять температуры от 0 до 10 градусов, то мы получим цену деления (разрешающую способность) 0.1 градуса. А если нам требуется измерять температуру до 100 градусов? Мы получим разрешающую способность только в 1 градус, гораздо хуже, чем в первом случае. Как же быть?
Выход есть, если мы разобьем диапазон температур от 0 до 100 градусов на поддиапазоны по 10 градусов. Первый, от 0 до 10. Второй от 10 до 20. Третий от 20 до 30. И так далее. Обратили внимание, что минимальная граница поддиапазона не равна 0? Это принципиальное отличие от переключения пределов измерения, например, вольтметра.
Да, вольтметры тоже могут иметь растянутые шкалы.
По сути, мы просто разделили большую шкалу, которую не можем нанести, на несколько частей. И для каждой такой части мы теперь можем получить разрешаю способность 0.1 градуса. Такой своеобразный "зум", примерно так же, как мы рассматриваем картинку в графическом редакторе по частям при увеличении.
Но у такого решения есть и обратная сторона. Мы теперь вынуждены использовать несколько приборов для покрытия полного диапазона. Выигрывая в разрешении мы проигрываем в удобстве.
В статье
я упоминал о лабораторных термометрах ТР-1, которые обеспечивают разрешающую способность 0.01 градуса (это очень хорошо, поверьте), но диапазон измеряемых температур всего 4 градуса. Вот такие термометры ТР-1 выпускаются
Это обеспечивает измерение температур от 0 до 60 градусов.
То есть, мы берем небольшой кусочек полной шкалы и "растягиваем" его до размеров полной шкалы. Отсюда и название.
Я понимаю, что ТР-1 могут увидеть немногие читатели. Но возьмите обычный ртутный медицинский термометр. Это ведь тоже пример растянутой шкалы!
Ну а более подробно о растянутых шкалах мы поговорим в последующих статьях.
Еще точнее!
Можно еще больше повысить точность, но шкала будет уже не совсем шкалой. А сам метод повышения точности и разрешающей способности будет не абсолютным, а дифференциальным. И поможет нам это сделать интерференция. О ней знают все, так как явление изучают в курсе школьной физики.
Интерференция позволяет выполнить сравнение двух почти идентичных пучков света и обнаружить разность. Интерферометры и интерферометрические шкалы бывают самые разные, но о доступной точности говорит проект LIGO
LIGO это лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория. В LIGO луч света разделятся на два идентичных луча, каждый из которых проходит по своему каналу (длина канала 4 км), отражается от расположенного в конце зеркала и возвращается обратно. То есть, каждый луч проходит 8 км. В конце лучи сводятся воедино на детекторе. Разница в пройденном расстоянии создает на детекторе интерференционную картину.
Лабораторные интерферометры измеряют разницу расстояний в доли нанометра. Но LIGO позволяет обнаружить разницу расстояний в тысячные доли диаметра протона. Результат достигается за счет размера, использования оптических резонаторов, вакуума в оптических каналах, чрезвычайно стабильном оборудовании, сложнейших инженерных решений. И конечно математики.
Заключение
Да, мы сегодня рассматривали шкалы, о которых написано уже немало. Только рассматривали мы их с несколько иной стороны. А еще, в этих шкалах и приборах не было электроники! Совсем не было! LIGO напичкан электроникой, но он приведен в качестве достижимой точности интерферометрических шкал. А такие шкалы прекрасно обходятся и без электроники.
Какой вывод мы можем сделать? Классические шкалы, которые мы считаем аналоговыми, имеют принципиальные ограничения. Для обхода этих ограничений и повышения точности и разрешающей способности требуются иногда весьма изощренные способы. Но это делает такие шкалы не только сложными и громоздкими, но и весьма капризными.
Даже обычный гальванометр с обычной шкалой весьма нежный прибор. Чувствительный и к расположению в пространстве. Большинство стрелочных мультиметров, например, предназначены для работы в определенном положении (горизонтальном или вертикальном, например). Это определяется именно измерительной головкой.
Классические аналоговые шкалы (мы пока не говорим о приборах в целом!!!) МОГУТ обеспечить высокую разрешающую способность и точность, но далеко не всегда являются удобными. Прецизионные шкалы и измерительные головки сложные, нежные, дорогие. Частично решить эти проблемы помогает использование электроники, о чем мы поговорим в следующей статье. Цифровые шкалы не обязательно точнее аналоговых, не обязательно проще и дешевле (и это тоже увидим), но они почти всегда удобнее. Поэтому они и стали такими популярными.
Но об этом уже в последующих статьях.
