3 Основные представления об измерениях

3.1 Измерения фв

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]. Условием реализации процедуры прямого измерения является выполнение следующих элементарных операций:

* измерительного преобразования измеряемой ФВ Х в другую ФВ Q, однородную или неоднородную с ней;

* воспроизведения ФВ Q заданного размера N[Q], однородной с преобразованной величиной Q;

* сравнения однородных ФВ: преобразованной Q и воспроизводимой мерой Q= N[Q].

Структурная схема измерения показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Структурная схема измерений

Для получения результата измерения необходимо обеспечить выполнение при N = q условия:

Δ = Q - q[Q] = F(X) - q[Q] = min(F[X] - N[Q]), (3.1)

т.е. погрешность сравнения величин Q и Qм должна быть минимизирована. В этом случае результат измерении находится как

Х = F^–1{q[Q]}, (3.2)

где F^–1 – операция, обратная операции F, осуществляемой при измерительном преобразовании.

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), (3.3)

где F – некоторая функция, или функционал (см. рис.3.1). Однако чаще стремятся сделать преобразование линейным:

Q = КХ, (3.4)

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.

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 Q , основанное на единице данной ФВ [Q]: Qм= N[Q] (см. рис. 3.1).

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.

Средство измерений, предназначенное для воспроизведения ФВ заданного размера, называется мерой.

Сравнение измеряемой ФВ с величиной, воспроизводимой мерой Qм– это операция, заключающаяся в установлении отношения этих двух величин: Q>Qм, 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 Q 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.