Самописец, являющийся частью полиграфа
Самописец круговых диаграмм
A Самописец представляет собой электромеханическое устройство, которое записывает тенденцию изменения электрических или механических входных сигналов на лист бумаги (диаграмму). Картографические самописцы могут записывать несколько входных данных с помощью перьев разного цвета и могут записывать на ленточные или круговые диаграммы. Регистраторы диаграмм могут быть полностью механическими с часовыми механизмами, электромеханическими с электрическим часовым механизмом для привода диаграммы (с механическими входами или входами давления) или полностью электронными без каких-либо механических компонентов (виртуальный самописец).
Регистраторы карт имеют три основных формата. Самописцы с ленточными диаграммами имеют длинную полосу бумаги, которая выходит из самописца. Самописцы с круговыми диаграммами имеют вращающийся бумажный диск, который необходимо чаще заменять, но они более компактны и могут быть закрыты за стеклом. Самописцы рулонных диаграмм похожи на самописцы ленточных диаграмм, за исключением того, что записанные данные хранятся на круглом рулоне, и устройство обычно полностью закрыто.
Картографические самописцы предшествовали электронным регистраторам данных, которые заменили их во многих приложениях.
Origins
Частью телеграфной системы Сэмюэля Морса был автоматический регистратор точек и тире кода, начертанных на бумажной ленте ручкой, перемещаемой с помощью электромагнита, с часовым механизмом. продвигая бумагу. В 1848-1850 годах система таких регистров использовалась Джоном Локком для повышения точности астрономических наблюдений за звездами, обеспечивая гораздо более высокую точность синхронизации, чем предыдущие методы. Этот метод был принят астрономами и в других странах. Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин сифонный самописец 1858 года был чувствительным прибором, который обеспечивал постоянную запись телеграфных сигналов через длинные подводные телеграфные кабели. Эти записывающие устройства стали называться ручными регистрами, хотя позже этот термин стал частью жаргона правоохранительных органов, относящегося к использованию такого регистра для записи набранных телефонных номеров.
Патент на «Индикатор и регистратор давления» был выдан Уильяму Генри Бристолю 18 сентября 1888 года. В 1889 году в Бристоле была создана компания Bristol Manufacturing Company. была приобретена Emerson Electric Company в марте 2006 года и продолжает производить ряд различных электромеханических самописцев, а также другие приборы, измерения и контрольные приборы.
Первый самописец для мониторинга окружающей среды был разработан американским изобретателем Дж. С. Стивенсом во время работы в Leupold Stevens в Портленде, штат Орегон, и получил патент на эту конструкцию. в 1915 году. Картографические самописцы все еще используются в приложениях, где требуется мгновенная визуальная обратная связь или где у пользователей нет необходимости, возможности или технической возможности загружать и просматривать данные на компьютере или где отсутствует электричество (например, в опасных зонах на нефтяной вышке или в дистанционных экологических исследованиях). Однако снижение стоимости регистраторов данных и требований к питанию позволяет им все чаще заменять самописцы, даже в тех случаях, когда питание от батареи является единственным вариантом.
Привод диаграммы
Регистраторы диаграмм панели управления на водоочистной установке регистрируют расход воды на различных этапах процесса.
Бумажная диаграмма с постоянной скоростью проходит мимо ручки с помощью часовой механизм или механизм электропривода. Одним из распространенных методов является использование миниатюрного синхронного двигателя, который вращается с постоянной скоростью, связанной с частотой сети ; зубчатая передача используется для продвижения бумаги. Промышленные ленточные самописцы могут иметь двухскоростные зубчатые передачи, которые позволяют использовать более высокую скорость для начальной настройки процесса или для отслеживания сбоев в процессе. Медицинские и научные регистраторы позволяют устанавливать широкий диапазон точно регулируемых скоростей.
Регистратор «X-Y» управляет диаграммой в зависимости от значения другого сигнала процесса. Например, универсальная испытательная машина может отображать силу растяжения на образце в зависимости от его длины. В зависимости от конкретного записывающего устройства либо бумажная диаграмма перемещается, либо каретка пера имеет две оси движения. Примеры XY-самописца относятся к 18 веку в виде диаграмм-индикаторов пара, используемых для регистрации давления и объема в паровых двигателях.
Маркировочные механизмы
Самописец с круговой диаграммой, отслеживающий температуру в здании
Для маркировки бумаги было принято много механизмов. В телеграфном сифонном самописце 1858 года тонкая капиллярная трубка соединена с резервуаром для чернил и отклоняется технологическим сигналом. В современных регистраторах с ленточными диаграммами используется одноразовый картридж, в котором сочетаются ручка с волоконным наконечником и резервуар для чернил. В других типах записывающих устройств используется нагретый стилус и термочувствительная бумага, ударный принтер с лентой и электрически управляемым молотком, электрический сигнал, действующий через иглу на электрочувствительную бумагу, или электрическая искра, которая оставляет видимое пятно на алюминизированной бумаге.. В одном из видов чувствительного и высокоскоростного регистратора использовались лучи ультрафиолетового света, отраженные от зеркала гальванометра, направленные на светочувствительную бумагу.
Самые ранние инструменты получали способность перемещать перо непосредственно из воспринимаемого технологического сигнала, что ограничивало их чувствительность и скорость реакции. Трение между маркировочным устройством и бумагой снизило бы точность измерений. Инструменты с пневматическими, механическими или электромеханическими усилителями отделяют движение пера от измерения процесса, значительно повышая чувствительность инструмента и гибкость записывающего устройства. Ручки с прямым приводом часто двигались по дуге круга, что затрудняло чтение шкалы; На предварительно напечатанных диаграммах напечатаны криволинейные шкалы, которые компенсируют путь маркера.
Гальванометрические приборы
Многие типы самописцев используют гальванометр для управления маркировочное устройство. Легкая катушка из проволоки, подвешенная в магнитном поле постоянного магнита, отклоняется пропорционально протекающему через него току; вместо стрелки и шкалы измерителя прямого отсчета записывающее устройство отклоняет ручку или другое маркировочное устройство. Пишущий механизм может быть нагретой иглой для письма на термочувствительной бумаге или простым полым пером с подачей чернил. Если перо постоянно прижимается к бумаге, гальванометр должен быть достаточно сильным, чтобы перемещать перо против трения бумаги. Чтобы уменьшить нагрузку на гальванометр, перо можно было бы вместо этого только периодически прижимать к пишущему средству, чтобы произвести отпечаток, а затем перемещаться, пока давление ослаблено.
Осциллограф светового луча
Другим типом бумажных самописцев был осциллограф светового луча. У него была полоса пропускания ~ 5 кГц (примерно в 100 раз выше, чем у типичных перьевых самописцев того времени). В исходных моделях использовалось маленькое зеркало, прикрепленное к гальванометру, чтобы направлять луч света высокой интенсивности на светочувствительную бумагу. Сочетание крошечной массы зеркала в сочетании с приводом диаграммы, который мог перемещать бумагу со скоростью до 120 дюймов (3000 мм) в секунду, обеспечило широкую полосу пропускания и впечатляющее разрешение по оси времени. Более поздние модели заменили зеркало стационарной волоконно-оптической электронно-лучевой трубкой, которая находилась в непосредственном контакте с бумагой.
У этих рекордеров было несколько недостатков. Фоточувствительная бумага была очень дорогой и быстро выцветала при воздействии окружающего света. Высокая скорость диаграммы означала, что продолжительность тестирования была чрезвычайно короткой. Эти инструменты предназначались для захвата краткосрочных событий, таких как запуски ракет НАСА в 1960-х годах, а также широкий спектр баллистических событий.
Потенциометрические (серво) приборы
Аналоговые самописцы, использующие гальванометрическое движение для непосредственного управления пером, имеют ограниченную чувствительность. В записывающем устройстве потенциометрического типа прямой привод маркерного пера заменен на сервомеханизм, в котором энергия для перемещения пера подается от усилителя. Ручка с электроприводом предназначена для перемещения скользящего контакта потенциометра, чтобы вернуть положение ручки в усилитель ошибки. Усилитель управляет двигателем таким образом, чтобы уменьшить ошибку между желаемым и фактическим положением пера до нуля. При наличии подходящего усилителя обработки сигналов такие приборы могут записывать широкий спектр технологических сигналов. Однако инерция сервосистемы ограничивает скорость отклика, что делает эти инструменты наиболее полезными для сигналов, изменяющихся в течение секунды и более.
Цифровые самописцы
Современные самописцы. представляет собой встроенную компьютерную систему с аналого-цифровым преобразователем , микроконтроллером и устройством для печати бумажных копий; такие инструменты обеспечивают большую гибкость в обработке сигналов, изменяют скорость графика при сбоях в процессе, а также могут передавать свои измерения в удаленные точки.
Одно из первых цифровых устройств было разработано Уильямом (Билл) К. МакЭлроем-младшим, работающим в компании Dohrman Instrument Company в Санта-Кларе, Калифорния. До этого устройства большинство самописцев монтировались в стойку и имели один диапазон скорости и один диапазон чувствительности. Конструкция г-на МакЭлроя представляла собой настольное устройство для мгновенной загрузки бумажных рулонов, использующее для преобразования сигнала интегральную схему прерывателя. Устройство имело подключаемые печатные платы, подключаемые одно- или многодиапазонные модули и подключаемые одно- или многоскоростные модули. Чувствительность регистратора составляла от 1 микровольта до 100 вольт полной шкалы, что в то время было первым в отрасли. Г-н МакЭлрой также участвовал в разработке и изготовлении газового хроматографа, который использовался для анализа образцов грязи и горных пород после высадки на Луну в 1969 году.
Словосочетание «черный ящик» звучит из телеэфира в двух случаях: когда идет передача «Что? Где? Когда?» и когда где-то происходит авиакатастрофа. Парадокс в том, что если в телепередаче черный ящик — это и в самом деле черный ящик, то в самолете это не ящик и он не черный. Бортовой самописец (именно так на самом деле называется устройство) обычно делают красного или оранжевого цвета, а форму придают шарообразную или цилиндрическую. Объяснение очень простое: округлая форма лучше противостоит внешним воздействиям, неизбежным при падении самолета, а яркий цвет облегчает поиски. Hi-Tech.Mail.Ru разбирается в устройстве самописцев, а также расшифровке информации.
Что в ящике?
Непосредственно самописец, в общем-то, прибор нехитрый: он представляет собой массив микросхем флеш-памяти и контроллер и принципиально мало чем отличается от SSD-накопителя в вашем ноутбуке. Правда, флеш-память используется в самописцах относительно недавно, и в воздухе сейчас множество самолетов, оборудованных более старыми моделями, в которых используется магнитная запись — на ленту, как в магнитофонах, либо на проволоку, как в самых первых магнитофонах: проволока прочнее ленты, а значит, надежнее.
Главное же — всю эту начинку как следует защитить: полностью герметичный корпус делается из титана или высокопрочной стали, внутри находится мощный слой теплоизоляции и демпфирующих материалов. По информации Hi-Tech.Mail.Ru, существует специальный стандарт FAA TSO C123b/C124b, которому соответствуют современные самописцы: данные должны оставаться сохранными при перегрузках в 3400G в течение 6,5 мс (падение с любой высоты), полный охват огнем в течение 30 минут (пожар от воспламенения топлива при столкновении самолета с землей) и нахождении на глубине 6 км в течение месяца (при падении самолета в воду в любой точке Мирового океана, кроме впадин, вероятность попасть в которые статистически мала).
Кстати, что касается падения в воду: самописцы оснащаются ультразвуковыми маяками, включающимися при контакте с водой. Маяк излучает сигнал на частоте 37 500 Гц, и, запеленговав этот сигнал, самописец легко найти на дне, откуда его извлекают водолазы или дистанционно управляемые роботы для подводных работ. На земле самописец найти также несложно: обнаружив обломки самолета и зная места размещения самописцев, достаточно, по сути, просто оглядеться вокруг.
На корпусе обязательно имеется надпись «Flight Recorder. Do not open» на английском языке. Часто имеется такая же надпись на французском; могут иметься надписи на других языках.
Где располагаются ящики?
В самолете «черные ящики» располагаются, как правило, в хвостовой части фюзеляжа, которая статистически меньше и реже всего повреждается при авариях, так как удар принимает на себя обычно передняя часть. Самописцев на борту несколько — так уж заведено в авиации, что все системы резервируются: вероятность того, что ни один из них не удастся обнаружить, а на обнаруженных будут испорчены данные — минимальна.
При этом самописцы различаются еще и по записываемым в них данным. Hi-Tech.Mail.Ru называет два типа самописцев.
Аварийные самописцы, которые и ищут после катастроф, бывают параметрическими (FDR) и речевыми (CVR).
Речевой самописец сохраняет помимо переговоров экипажей и диспетчеров также окружающие звуки (всего 4 канала, продолжительность записи — последние 2 часа), а параметрические записывают информацию с различных датчиков — начиная от координат, курса, скоростей и тангажа и заканчивая оборотами каждого из двигателей. Каждый из параметров записывается несколько раз в секунду, а при быстром изменении частота записи возрастает. Запись ведется циклично, как в автомобильных видеорегистраторах: новые данные затирают наиболее старые. При этом длительность цикла составляет 17—25 часов, то есть ее гарантированно хватит на любой полет.
Речевые и параметрические самописцы могут быть объединены в один, однако в любом случае записи имеют точную привязку ко времени. Между тем параметрические самописцы фиксируют далеко не все параметры полета (хотя сейчас их как минимум 88, а совсем недавно, до 2002 года, было только 29), а только те из них, которые могут пригодиться при расследовании катастроф. Полные же «логи» (2 000 параметров) происходящего на борту фиксируют эксплуатационные самописцы: их данные используются для анализа действий пилотов, ремонта и обслуживания самолета и т. п. — они не имеют защиты, и после катастрофы данные с них уже не получить.
Как расшифровать черный ящик?
Необходимость расшифровки данных с черных ящиков — это такой же миф, как то, что ящики черные.
Дело в том, что данные никак не шифруются, и слово «расшифровка» здесь используется в том же значении, что у журналистов расшифровка записи интервью. Журналист слушает диктофон и пишет текст, а комиссия экспертов считывает данные с носителя, обрабатывает их и записывает в удобном для анализа и восприятия виде. То есть никакого шифрования нет: данные можно прочитать в любом аэропорту, защиты данных от чужих глаз не предусмотрено. А поскольку черные ящики предназначены для анализа причин авиакатастроф с целью снижения числа катастроф в дальнейшем, то какой-то специальной защиты от модификации данных нет. В конце концов, если истинные причины катастрофы требуется замолчать или исказить по политическим или еще каким-то причинам, то всегда можно заявить о сильных повреждениях самописцев и невозможности считать все данные.
источник на англ. — Encylopedia Britannica
Правда, при повреждениях (а они не так уж редки — примерно треть всех катастроф) все равно данные можно восстановить — и фрагменты ленты склеиваются, а также обрабатываются специальным составом, и уцелевшим микросхемам подпаивают контакты, чтобы подключить их к считывателю: процесс сложный, он проходит в специальных лабораториях и может затянуться.
Почему «черный ящик»?
Почему бортовые самописцы называют «черными ящиками»? Версий несколько. Например, название могло пойти со времен Второй мировой войны, когда на военные самолеты начали устанавливать первые электронные модули: они действительно выглядели как ящики черного цвета. Или, например, первые самописцы еще до войны использовали для записи фотопленку, поэтому не должны были пропускать свет. Нельзя, впрочем, исключать и влияние «Что? Где? Когда?»: черным ящиком в обиходе называется прибор, принцип работы которого (что в черном ящике) не имеет значения, важен лишь получаемый результат. Самописцы на гражданские самолеты стали массово устанавливать с начала 1960-х годов.
Бортовым самописцам есть куда развиваться. По прогнозам Hi-Tech.Mail.Ru, самая очевидная и ближайшая перспектива — это запись видео с разных точек обзора внутри и снаружи самолета. Некоторые эксперты заявляют, что это поможет, помимо прочих преимуществ, решить проблему перехода от стрелочных приборов в кабине пилота к дисплеям: мол, старые приборы при аварии «застывают» на последних показаниях, а дисплеи — нет. Однако не стоит забывать, что стрелочные приборы используются и сейчас в дополнение к дисплеям на случай отказа последних.
Также рассматриваются перспективы установки отстреливаемых плавучих самописцев: специальные датчики будут фиксировать столкновение самолета с препятствием, и самописец в этот момент будет «катапультироваться» чуть ли не с парашютом — принцип примерно такой же, как у подушек безопасности в автомобиле. Кроме того, в будущем самолеты смогут в режиме реального времени транслировать все записываемые черными ящиками данные на удаленные сервера — тогда и искать и декодировать самописцы не понадобится.