A hírközlés modellje és a mérőlánc

Azon kivételektől eltekintve, ahol a mérendő mennyiség és a kijelzett villamos mennyiség között fizikai törvény formájában direkt kapcsolat létezik, általánosságban elmondható, hogy a mérendő mennyiség és a mérőeszközökre eljutó jelek között hosszabb-rövidebb átviteli láncra van szükség. Fontos kihangsúlyozni, hogyez esetben nem villamos jelvezetékre, hanem köztes fizikai mennyiségekre gondolunk. A kijelzett érték igen sokféle zavarás torzító hatását foglalja magába. A mérés információelméleti modellje ezeket a hatásokat szemlélteti.

5.9. ábra - Információelméleti (hírközlési) modell értelmezése a mérésre

Az információelméleti modell központi része a jelátviteli csatorna, amelyet mérési feladat esetében a mérőlánc valósít meg. A mérőlánc a valóságban természetesen lényegesen több tagot tartalmazhat, esetenként átviteli tagok soros, párhuzamos és visszacsatolt formájában. A mérőlánc ebben a modellben magába foglalja a valószínűségelméleti modellben megismert mérőrendszert is, tehát az adatfeldolgozó egységet is. Az közismert, hogy a kijelzett (megjelenített) eredmény napjainkban döntően villamos jellegű mennyiség. A mérendő jellemző villamos jellé történő átalakítása már a jelfeldolgozó egység előtt megtörténik. A jelfeldolgozás alatt analóg, vagy diszkrét jelekkel való műveleteket kell érteni, amelyeket áramkörökkel, vagy számítástechnikai eszközökkel (pl. PC, adatfeldolgozó kártyák, mikrokontroller) végeznek el, de napjainkban a kijelzés és

megjelenítés is gyakran már PC monitoron történik. A legfontosabb műveletek az erősítés, demoduláció, A/D és D/A átalakítás, szűrés, összegzés, integrálás, logaritmus műveletek, stb.

5.10. ábra - A mérőlánc általános struktúrája

A jelátalakító a mérőlánc első tagja. Megnevezésére használatos még a jelátalakító, mérő-átalakító kifejezés is.

Többnyire komplex egység, amely a mérendő fizikai mennyiséget olyan reprodukálhatóan detektálható változássá formálja, amely egy alkalmasan választott szenzor segítségével villamos (esetleg optikai, pneumatikus, stb.) jellé alakítható át.

A jelátalakító lehet persze egyben szenzor is, főként aktív (segédenergia nélkül működő) eszközök esetében, mint például a tachogenerátor esetében láthatjuk. Ez az eszköz a mozgási indukción alapulva közvetlenül, köztes mennyiségek beiktatása nélkül lehetővé teszi a fordulatszám (szögsebesség) mérését.

Igen csekély kivételtől eltekintve azonban az érzékelő (szenzor) a jelátalakítónak „csupán‖ egy részét képezi, és amint az előbbiekből látható, többféle mennyiség mérésére ugyanazon szenzor típus alkalmas lehet. Általában elmondható, hogy egy gépészeti mennyiség passzív szenzorokkal akkor alakítható át villamos jellé, ha olyan mérőelemet tudunk tervezni, létrehozni, amely reprodukálhatóan és kellő felbontással elmozdulássá, alakváltozássá, vagy anyagjellemző (pl. permeabilitás, optikai törésmutató, stb.) változássá képes átalakítani az eredeti mérendő mennyiséget.

Az aktív és passzív fogalmakat különböző módon lehet értelmezni. Lehet a műszer szempontjából, és lehet önmagában, a szenzor működési módja szerint vizsgálni és besorolni az eszközöket. Az [5.1.] jelű irodalomban, annak 7.1.1 fejezetében, ezt a két fogalmat a mérőeszköz „szempontjából‖ vizsgálják. Ezért passzív érzékelést

úgy értelmezik, hogy egy fizikai rendszer energiát ad le a mérőeszköz felé. Ebben az esetben a műszer valóban passzívan viselkedik, mert kívülről „kap‖ energiát. Aktív az érzékelés ebben az értelmezésben akkor, ha az érzékelő működtetéséhez a mérőeszköznek energiát kell szolgáltatnia, majd információt hordozó energiát „kap vissza‖, tehát az energiafolyam kétirányú.

Mi ebben a jegyzetben nem a fentiek szerint, hanem a működési módjuk szempontjából vizsgáljuk a szenzorokat. Ilyen megközelítésben teszünk különbséget „aktív‖ és a „passzív‖ érzékelők között. Működési módja szerint az aktív szenzor nem igényel segédenergiát, és a jelátalakítás többnyire fizikai törvényszerűségen alapul, amint azt a piezoelektromos, vagy elektrodinamikus eszközöknél látjuk. A passzív szenzorok ezzel ellentétben csak segédenergiával működtethetők, és gyakori a moduláció valamilyen formájának alkalmazása is.

Passzív szenzorok jellegzetes példái az impedancia változáson alapuló eszközök, ilyenek az induktív, kapacitív, rezisztív elemeket tartalmazó átalakítók, mint pl. az induktív elmozdulás érzékelő, vagy a nyúlásmérő bélyeg.

A gépészeti és mechatronikai mérési feladatokra jellemző, hogy a mérendő jellemző gyakran több közvetítő mennyiségen, elérhető mennyiségen keresztül hoz létre villamosan mérhető mennyiséget, és ilyen módon villamos kimenő jelet. Ezt szemlélteti a gyorsulásérzékelés egy lehetséges formáján a következő ábra. A gyorsulást, mint mérendő jellemzőt lehet ugyanis elmozdulás, (ld.: következő ábra), vagy alakváltozás (aktív piezoelektromos szenzor, vagy passzív nyúlásmérő bélyeges szenzor), mint elérhető mennyiségek révén mérhető mennyiséggé alakítani.

5.11. ábra - Gyorsulásérzékelő jelátalakító induktív elmozdulás érzékelővel (szenzorral)

Az (5.11. ábra - Gyorsulásérzékelő jelátalakító induktív elmozdulás érzékelővel (szenzorral)) ábrán bemutatott példa szemlélteti azt, hogy mérőlánc első tagja már önmagában is milyen bonyolult felépítésű lehet, és azt, hogy a többszörös átalakítás mindegyike természetesen növeli a zavarások, torzítások fellépésének eshetőségét. Az ábrán Utáp híd-tápfeszültség ω körfrekvenciájú harmonikus jel.

A bemutatott mérőlánc-részlet például önmagában már két, különböző mérési módszert is tartalmaz.

Óvatosaknak kell lennünk tehát a „besorolásokkal‖, mert eszközeink gyakran bonyolult felépítésűek! Meg kell jegyezni természetesen még azt is, hogy az ábrán látható Wheatstone-híd fehér színnel jelzett két impedanciája már a mérőlánc második tagjához, a vivőfrekvenciás mérőerősítőhöz tartozik, és ez a mérőerősítő szolgáltatja a híd tápfeszültségét is (UTÁP).

Mivel jelenleg nem ismeretes olyan fizikai kapcsolat, amely révén a gyorsulás közvetlenül villamos jellé átalakítható lenne, szükség van köztes mennyiségekre. A példában a szeizmikus tömegre ható gyorsító erővel tart egyensúlyt a tömeg rugalmas vezetékében ébredő rugóerő. Ez a formáció a klasszikus méréstechnika szerint

„kitérítéses módszer” alapján mér. Ugyanakkor a további átalakítások végén, az előidézett impedancia változást

„különbségi módszerrel” mérjük. A műszerház és a tömeg közötti relatív elmozdulás a mérendő gyorsulással arányos. Végül a relatív távolság változását induktív elmozdulás szenzorral érzékelik, és tekintettel az így létrehozott impedancia változás rendkívül kis mértékére, az impedancia változás különbségi módszeren alapuló Wheatstone-híd szolgál.

A legdurvább, a mérési eredményt súlyos mértékben befolyásoló zavarok a híd tápfeszültségének és a vivőfrekvencia ingadozásából származhatnak, hiszen ezek a mennyiségek az eredmény részét képezik. Ha a rugalmas vezeték konstrukciója megfelelő, akkor ebből a részből jelentős zavarás nem várható, de mechanikai szempontból nagyon lényeges a jelátalakító és a csatlakozó kábel rögzítésére vonatkozó gyártói előírások betartása. Elektromágneses hatások, és földelési problémák további zavaró veszélyforrás lehetnek.

Az információelméleti modell természetesen nem csupán arra szorítkozik, hogy a mérőláncot a jelátviteli csatornának megfeleltesse, hanem elméleti megfontolásokat is tartalmaz.

Érdekesség, hogy az információelméleti modell nélkül nem lehetne például némely speciális eloszlásfüggvény esetében kiszámítani a második centrális momentumot, mert improprius integrált kapunk.

A továbbiak részletezéséhez lássuk még egyszer az információelméleti modell „méréstechnikai értelmezését‖.

5.12. ábra - A mérés információelméleti modellje

Shannon klasszikus információ átviteli modelljének „lefordítását‖ látjuk a fenti ábrán. Shannon szerint az információ átvitel nem öncélú, hanem a vevő (fogadó, felhasználó) oldalán a meglévő bizonytalanság, azaz információ hiány csökkentésére irányul.