2.2. Измерение и его основные операции
Все измеряемые ФВ можно разделить на две группы:
• непосредственно измеряемые, которые могут быть воспроизведены с заданными размерами и сравнимы с подобными, например длина, масса, время;
• преобразуемые с заданной точностью в непосредственно измеряемые величины, например температура, плотность. Такое преобразование осуществляется с помощью операции измерительного преобразования.
Суть простейшего прямого измерения состоит в сравнении размера ФВ Q с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q[Q] (см. 2.1.4). Условием реализации процедуры прямого измерения является выполнение следующих элементарных операций:
• измерительного преобразования измеряемой ФВ X в другую ФВ Q, однородную или неоднородную с ней;
• воспроизведения ФВ Qм заданного размера N[Q], однородной преобразованной величиной Q;
• сравнения однородных ФВ: преобразованной Q и воспроизводимой мерой qm= N[Q].
Структурная схема измерения показана на рис. 2.4. Для полу чения результата измерения необходимо обеспечить выполнение при N = q условия:
т.е. погрешность сравнения величин Q и qm должна быть минимизирована. В этом случае результат измерений находится как X = F-1{q[Q]}, где F-1 — операция, обратная операции F, осуществляемой при измерительном преобразовании.
Рис. 2.4. Структурная схема измерения
Измерительное преобразование — операция, при которой устанавливается взаимно однозначное соответствие между размерами в общем случае неоднородных преобразуемой и преобразованной ФВ. Измерительное преобразование описывается уравнением вида Q = F(X), где F — некоторая функция, или функционал (см. рис. 2.4). Однако чаще стремятся сделать преобразование линейным: Q = КХ, где К — постоянная величина.
Основное назначение измерительного преобразования — получение и, если это необходимо, преобразование информации об измеряемой величине. Его выполнение осуществляется на основе выбранных физических закономерностей. В измерительное преобразование в общем случае могут входить следующие операции:
• изменение физического рода преобразуемой величины;
• масштабное линейное преобразование;
• масштабно-временное преобразование;
• нелинейное или функциональное преобразование;
• модуляция сигнала;
• дискретизация непрерывного сигнала;
• квантование.
Операция измерительного преобразования осуществляется посредством измерительного преобразователя — технического устройства, построенного на определенном физическом принципе и выполняющего одно частное измерительное преобразование. Измерительные преобразователи рассмотрены в разд. 11.5.
Воспроизведение физической величины, заданного размера N[Q] — это операция, которая заключается в создании требуемой ФВ, с заданным значением, известным с оговоренной точностью. Операцию воспроизведения величины определенного размера можно формально представить как преобразование кода N в заданную физическую величину QM, основанное на единице данной ФВ [Q]: Qm= N[Q] (см. рис. 2.4).
Степень совершенства операции воспроизведения ФВ заданного размера определяется постоянством размера каждой ступени квантования меры [Q] и степенью многозначности, т.е. числом N воспроизводимых известных значений. С наиболее высокой точностью воспроизводятся основные ФВ: длина, масса, время, частота, напряжение и ток (см. разд.11.5).
Средство измерений, предназначенное для воспроизведения ФВ заданного размера, называется мерой.
Сравнение измеряемой ФВ с величиной, воспроизводимой мерой Qm,— это операция, заключающаяся в установлении отношения этих двух величин:
Q > Oм, Q < Qм или Q = Qм. Точное совпадение сравниваемых величин, как правило, не встречается в практике измерений. Это обусловлено тем, что величина, воспроизводимая мерой, является квантованной и может принимать значения, кратные единице [Q]. В результате сравнения близких или одинаковых величин Q и qm может быть лишь установлено, что [Q – Qм] < [Q].
Методом сравнения называется совокупность приемов использования физических явлений и процессов для определения соотношения однородных величин. Наиболее часто это соотношение устанавливается по знаку разности сравниваемых величин. Далеко не каждую ФВ можно сравнить при этом с себе подобной. Все ФВ в зависимости от возможности создания разностного сигнала делятся на три группы. К первой группе относятся ФВ, которые можно вычитать и таким образом непосредственно сравнивать без предварительного преобразования. Это — электрические, магнитные и механические величины. Ко второй группе относятся ФВ, неудобные для вычитания, но удобные для коммутации, а именно: световые потоки, ионизирующие излучения, потоки жидкости и газа. Третью группу образуют ФВ, характеризующие состояние объектов или их свойств, которые физически невозможно вычитать. К таким ФВ относятся влажность, концентрация веществ, цвет, запах и др.
Параметры сигналов первой группы наиболее удобны для сравнения, второй — менее удобны, а третьей — непосредственно сравнивать невозможно. Однако последние необходимо сравнивать и измерять, поэтому их приходится преобразовывать в другие величины, поддающиеся сравнению.