Metodologiczne i epistemologiczne aspekty włącze-

do układu eksperymentalnego

W wyniku zjawisk przyrodniczych w urządzeniach pomiarowych powstają sygnały elektryczne odpowiadające wielkościom fi zycznym, takim jak: tem-peratura, ciśnienie, naprężenie, natężenie promieniowania, natężenie pola magnetycznego, potencjał elektrochemiczny itp. Te analogowe sygnały nie mogą być przekazane bezpośrednio do komputera i wymagają przetworzenia w przetwornikach analogowo-cyfrowych. Taki cyfrowy sygnał przekazywany jest do komputera poprzez interfejs. Również za pośrednictwem interfejsów (oraz przetworników cyfrowo-analogowych) komputer steruje urządzeniami wykonawczymi (np. grzejnikami, zaworami dozującymi, silnikami,

regulato-rami natężenia promieniowania itd.), które zapewniają kontrolę parametrów eksperymentu.

Większość urządzeń pomiarowych reaguje na oddziaływania fi zyczne, takie jak: ciśnienie, temperatura, napięcie elektryczne, szybkość przepływu cieczy itp., które w określonym zakresie zmieniają się w sposób ciągły. Są to sygnały analogowe, które muszą zostać zmienione na sygnały cyfrowe, aby mogły zostać poddane komputerowej obróbce. Zmianę tę umożliwiają przetworniki analogowo-cyfrowe, umieszczone na styku analogowej i cyfro-wej części układu eksperymentalnego (między urządzeniem pomiarowym a interfejsem i komputerem). Podobnie, jeśli sygnały cyfrowe z komputera mają być użyte do sterowania przebiegiem eksperymentu poprzez analogowe urządzenia wykonawcze, muszą być przetworzone w postać analogową za pomocą przetwornika cyfrowo-analogowego.

Włączenie nowych, cyfrowych elementów do układu eksperymentalnego zmienia niewątpliwie drogę danych eksperymentalnych od badanego obiek-tu (O) do eksperymentatora (P). W eksperymentach przeprowadzanych bez komputerowego wspomagania nie było konieczne użycie przetworników analogowo-cyfrowych oraz interfejsów. Konieczne były jakieś urządzenia pomiarowe, które z powodzeniem stosuje się w pracy eksperymentalnej od dłuższego czasu, kiedy komputery cyfrowe jeszcze nie istniały. Zajmę się zatem bliższą analizą tylko cyfrowych części współczesnych układów ekspery-mentalnych. Udzielę odpowiedzi na pytanie: czy zastosowanie tych elementów zmienia coś w pracy eksperymentalnej i czy są to zmiany tylko ilościowe, czy także jakościowe?

Do bardzo ważnych parametrów przetworników analogowo-cyfrowych należą: rozdzielczość (najmniejsza wielkość sygnału wejściowego rozróżnialna przez przetwornik), częstotliwość (maksymalna liczba przetworzeń sygnału wejściowego w jednostce czasu) oraz czas przetwarzania (czas upływający od podania na wejściu sygnału do pojawienia się na wyjściu zakodowanej wartości). Parametry te określają dokładność i szybkość przetwarzania. Można zatem powiedzieć, że każdy przetwornik ma określoną „bezwładność” (czas przetwarzania), która powoduje opóźnienia pomiędzy chwilą wystąpienia badanego zjawiska a możliwością rejestracji i przetwarzania cyfrowego syg-nału w systemie komputerowym. Jeśli zatem układ eksperymentalny składa się z wielu różnych urządzeń pomiarowych oraz wielu różnych przetwor-ników analogowo-cyfrowych, pojawia się problem synchronizacji czasowej napływających do komputera danych. Każdy z przetworników a/c może mieć bowiem różne czasy przetwarzania i trzeba to uwzględnić przy planowaniu eksperymentu. Konsekwencją tego będzie spowolnienie pracy układu eks-perymentalnego – do najdłuższego czasu przetwarzania jednego z

przetwor-ników a/c. Wszystkie pozostałe przetworniki będą musiały „czekać” na ten najwolniejszy, zanim zacznie się kolejny cykl zsynchronizowanych czasowo pomiarów ze wszystkich detektorów.

Czas przetwarzania przetworników analogowo-cyfrowych powoduje tylko spowolnienie układu eksperymentalnego, ale znacznie poważniejsze konsekwencje rodzi „ziarnistość” przetworników (częstotliwość przetwarza-nia). Układ eksperymentalny wspomagany komputerowo może bowiem nie „zauważyć” szybkozmiennych procesów przebiegających pomiędzy skwan-towanymi chwilami odczytu danych z urządzenia pomiarowego. Dobrać odpowiednio szybki przetwornik można tylko wtedy, gdy się wie, jak szybkie będą zmiany jakiegoś parametru w badanym zjawisku, a to przecież chcemy dopiero w eksperymencie ustalić! Nie da się zatem dobrze zaprojektować układu eksperymentalnego wspomaganego komputerowo bez sporej wiedzy o badanym obiekcie. Tak więc trudno mówić o wspomaganych komputerowo eksperymentach ateoretycznych.

Częstotliwość próbkowania ma także ogromne znaczenie dla wierności i dokładności danych, które przesyłane są między urządzeniem pomiaro-wym a komputerem. Bez wiedzy o badanym zjawisku, o tym, jakiego typu dane wejściowe dotrą do przetwornika analogowo-cyfrowego, nie sposób dobrać odpowiednio dokładnego przetwornika spełniającego twierdzenie Kotielnikowa–Shannona (częstotliwość próbkowania nie może być mniejsza niż podwójna wartość największej częstotliwości występującej w sygnale) lub twierdzenie Nyquista (sygnał ciągły może być ponownie odtworzony z sygnału dyskretnego, jeśli był próbkowany z częstotliwością co najmniej dwa razy większą od granicznej częstotliwości swojego widma). Wzmacnia to jeszcze tezę dotyczącą niemożliwości prowadzenia ateoretycznych badań wspomaganych komputerowo. Samo wykorzystanie przetworników analo-gowo-cyfrowych we współczesnych badaniach eksperymentalnych sprawia, że musimy posiadać jakąś wstępną wiedzę o sygnałach wejściowych takich przetworników. To z kolei zmusza nas do odwołania się do wiedzy teoretycz-nej dotyczącej badanego zjawiska, aby możliwe było dobranie odpowiedniego urządzenia pomiarowego oraz przetwornika analogowo-cyfrowego.

Podobne wnioski sformułować można, gdy przeanalizuje się parametr rozdzielczości przetwornika analogowo-cyfrowego. Sygnał wejściowy może zmieniać się bowiem w tak małym zakresie, że przetwornik nie będzie mógł tych zmian rozróżnić. Jeśli nie będziemy wiedzieli, jakie potencjalnie zmiany mogą zachodzić, nie będziemy mogli dobrać przetwornika z odpowiednią rozdzielczością.

Ponadto wiadomo, że przetworniki analogowo-cyfrowe generują sporo błędów podczas przetwarzania sygnału. Charakterystyka przetwornika może nie być liniowa, może pojawić się błąd wzmocnienia i błąd przesunięcia zera.

Dwa ostanie błędy mogą być co prawda wyeliminowane przez odpowied-nią regulację, ale nie istnieje metoda zmniejszania błędów liniowości. Inne błędy (błędy nieliniowości, nieliniowość całkowita, całkowity błąd przetwa-rzania, nieliniowość różniczkowa, współczynnik nieliniowości różniczkowej, współczynniki termiczne zera i skali, współczynnik termiczny nieliniowości różniczkowej) niejednokrotnie nakładają się na siebie i ich odseparowanie często nie jest możliwe, bowiem kompensacja jednego błędu może powodować zwiększenie innego. Oznacza to więc, że zawsze będziemy mieli do czynienia z jakimś błędem przetwarzania, którego nie będziemy w stanie wyeliminować i o którym często niewiele będziemy wiedzieć. Konsekwencją tego jest pojawie-nie się różnego typu artefaktów w przetwornikach analogowo-cyfrowych. Co więcej, nie istnieją żadne proste metody demaskowania artefaktów pojawiają-cych się w przetwornikach a/c, będąpojawiają-cych bardzo ważnym elementem na styku

analogowej i cyfrowej części współczesnych układów eksperymentalnych3.

Oprócz artefaktów, kolejną konsekwencją włączenia przetworników analogowo-cyfrowych do układu eksperymentalnego jest pojawienie się jakościowej zasady, która może być uznana za analogię do zasady nieozna-czoności Heisenberga dla mechaniki kwantowej. Ograniczenie naszych możliwości poznawczych spowodowane jest tym, że przetwornik a/c jest albo szybki z małą rozdzielczością i generuje sporo błędów (przetwornik typu „fl ash”), albo bardzo dokładny, ale za to wolny. Tak więc w układach eksperymentalnych wspomaganych komputerowo, dzięki zastosowaniu przetworników analogowo-cyfrowych, uzyskujemy w krótkiej chwili dużo niedokładnych danych albo zadowalamy się małą ilością bardzo precyzyjnych danych. Wygląda to zatem tak, jakby dokładność i szybkość pomiarów były ujemnie skorelowane.

Tak więc wprowadzenie komputerowego wspomagania badań doświad-czalnych powoduje „oddalenie” eksperymentatora od badanego obiektu oraz pojawienie się zupełnie nowych artefaktów, które nie mogły się pojawić w eks-perymentach przeprowadzanych bez użycia komputerów. Wprowadzenie przetworników analogowo-cyfrowych będących częścią układu eksperymen-talnego powoduje pojawienie się jakościowo nowych błędów oraz wprowa-dza jakościowo nowe ograniczenie poznawcze (szybkość lub dokładność pomiarów). Ponadto, używając przetworników a/c, należy zdawać sobie sprawę, że aby dobrać odpowiedni przetwornik do zestawianego przez siebie układu eksperymentalnego, musimy nie tylko znać zasadę działania urządze-nia pomiarowego, ale także posiadać sporo teoretycznej wiedzy dotyczącej badanego obiektu.

3 Zagadnienie artefaktów pojawiających się w przetwornikach analogowo-cyfrowych szcze-gółowo przeanalizuję w podrozdziale 4.1.

3.1.2.