III.2.5. Общая схема физических измерений

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.

Но что же лежит в основе измерений? Сравнение с эталоном – прямое или косвенное. Таким образом, сущность любого измерения состоит в сравнении размера некоторой физической величины Q с размерами выходной регулируемой многозначной меры данной физической величины q[Q] (см. 2.1.4).

Условием реализации любой процедуры измерения является выполнение следующих элементарных операций:

- измерительного преобразования измеряемой ФВ Х в другую ФВ Q, однородную или неоднородную с ней Q=F(X), если нет возможности прямого сравнения с эталоном;

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

- сравнения однородных физических величин: преобразованной с помощью оператора F величины X, то есть Q=F(X) с воспроизводимой мерой Q_M = N[Q].

Структурная схема измерения показана на рис. 2.4. Для получения результата измерения необходимо обеспечить выполнение при N=q условия:

Δ=min[F(X)-N(Q)],

т.е. погрешность сравнения величин Q и Q_M должна быть минимизирована. В этом случае результат измерений находится как Х = F {N[Q]}, где F - операция, обратная операции F, осуществляемой при измерительном преобразовании.

Следует иметь ввиду, что 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(Х), где F - некоторая функция, или оператор преобразования (см. рис. 2.4). Преобразование чаще всего стремятся сделать линейным: Q = КХ, где К - постоянная величина. Основное назначение измерительного преобразования - получение и, если это необходимо, преобразование информации об измеряемой величине. 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 Q_M - 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 Х в заданную физическую величину Q, основанное на единице данной ФВ [Q]: Q_M = 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.???). Средство измерений, предназначенное для воспроизведения ФВ заданного размера, называется мерой.

Сравнение измеряемой ФВ с величиной, воспроизводимой мерой Q_M - это операция, заключающаяся в установлении отношения этих двух величин. 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 ????? 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.