Элементы процесса измерения.

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 X в другую ФВ Q, однородную или неоднородную с ней;

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

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

Структурная схема измерения показана на рис.1. Для полу­чения результата измерения необходимо обеспечить выполнение при N = q условия:

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

т.е. погрешность сравнения величин Q и Q_m 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.

Рис1. Структурная схема измерения.

Измерительное преобразование — операция, при которой устанавливается взаимно одно научное соответствие между размерами в общем случае неоднородных преобразуемой и преобразованной ФВ. Измерительное преобразование описывается уравнение вида Q = F(X), где F некоторая функция, или функционал. Однако чаще стремятся сделать преобразование линейным: Q = КХ, где К - постоянная величина.

Основное назначение измерительного преобразования — полу­чение и, если это нео6ходимо, 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_m, основанное на единице данной ФВ [Q]: Q_m= N[Q] (см. рис.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 Q_м, — это операция, заключающаяся в установлении отношения этих двух величин: Q > Q_m, Q < Q_m, или Q = Q_m. 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_m может быть лишь установлено, что

|Q – Q_m| < [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.