Основные части измерительной системы

Содержание и взаимосвязь этапов измерений.

Классификация измерений.

Классификация предмета исследования является одной из основ любой теории, помогая сформировать представление об особенностях предмета, выявить перспективные направления его изучения. В метро­логии стремятся применять классификации, существенные для теории и пригодные для решения прикладных задач. При этом наиболее употре­бительными классификационными признаками, выбираемыми в соот­ветствии с основными элементами измерений, описываются:

- измеряемая ФВ;

- вид уравнения измерений;

- режим использования СИ;

- условия, определяющие точность измерения;

- соответствие количества опытов количеству измеряемых величин. Особо значимой и сложной представляется классификация по физическим величинам, по существу, отражающая классификацию ФВ. Данная классификация лежит в основе большого числа классификаторов средств измерений [4.6] и библиографических материалов [4.5].

-Общая характеристика классификации приведена в [2.2]. При иерархическом принципе построения такой классификации (табл. 4.2) могут выделяться до шести ступеней. Деление на области измерений (первая ступень) проводится в соответствии с делением физики на раз­делы: "Механика", "Термодинамика", "Электричество", "Магнетизм",

"Оптика", "Молекулярная и атомная физика".

На следующем уровне (вторая ступень) области измерений могут

разделяться на группы (отрасли измерений) в соответствии с общностью проявления физических величин; пример такого деления приведен в табл.

Таблица

Краткое содержание операций на перечисленных этапах измерений приводится в табл. 4.5, а подробно рассматривается далее.

Постановочный этап в общем случае проходит в такой последовательности

1. Анализ цели измерения, априорных данных об условиях измере­ния и исследуемой величине, а также о требуемой точности измерения. Уточнение модели объекта исследований и модели физической причины.

3. Определение измеряемой величины в рамках этой модели.

4. Формализация измерительной задачи в рамках задачи исследова­ния на основе принятой модели объекта.

5. Выбор конкретных величин (аргументов), на основе измерений которых будет находиться искомое значение измеряемой величины.

6. Установление зависимостей между измеряемой величиной и не­посредственно измеряемыми аргументами (уравнениями измерений).

Первые два подэтапа весьма существенны при решении сложных измерительных задач и исследовании сложных объектов. Исходя из поставленной цели измерения, прежде всего необходимо выделить тре­буемое свойство объекта и дать определение соответствующей изме­ряемой величины. При этом важную роль играет модель объекта - ма­тематическая конструкция, которая отражает существенные для данной измерительной задачи свойства реального объекта [16]. Модель объекта в первом приближении обычно строится до выполнения измерения на основе априорной информации об объекте и о цели измерения; на на­чальном этапе измерения она уточняется, а далее в ходе исследований -может изменяться и совершенствоваться. Иногда сложная модель фор­мируется в несколько этапов: сначала выбираются ее общая структура и начальные значения параметров, а затем уточняются эти и дополнитель­ные параметры. Например, при измерении площади земельного участка первоначально принимается гипотеза о равенстве сторон, а в качестве модели - квадрат, что позволяет измерить только одну сторону участка. При уточнении размера площади может выявиться неравенство длины и ширины участка, тогда в качестве модели принимается прямоугольник и возникает необходимость измерения двух сторон участка. Дальнейшая

проверка может выявить непрямоугольность участка, что потребует измерения не только сторон, но и угла между ними.

Измеряемая величина определяется на основе принятой модели объекта как постоянный параметр или характеристика объекта, отра­жающая выделенное свойство. Выбор измеряемой величины также мо­жет быть неоднозначным, даже при фиксированной модели объекта, кроме того, он

может уточняться в процессе исследования.

Неизбежность идеализации объекта при построении его модели приводит к несоответствию измеряемой величины (параметра модели) исследуемому свойству реального объекта (так называемому порогово­му несоответствию). Во многих ситуациях, когда высокая точность из­мерений не требуется, этап построения модели специально не выделяет­ся, а пороговое несоответствие пренебрежимо мало. Однако при услож­нении измерительной задачи и повышении требуемой точности измерен- ний этот этап становится весьма существенным и пороговое несоответ­ствие оказывается значимым. В результате выполнения наблюдений может оказаться, что принятая первоначально модель неудовлетвори­тельно описывает объект исследования. Например, если полученный разброс отдельных результатов наблюдений существенно превышает допустимый для данных средств и условий измерений или выявлены неучтенные факторы, вызывающие систематические изменения, и т. д., то возникает необходимость уточнить модель объекта.

преобразований, но это совершено не раскрыло бы ее сущности.

2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

В целом можно считать, что измерительные системы могут состоять из трех основных элементов:

1. Чувствительного элемента, часто называемого датчиком, - элемента, который выдает сигнал, количественно связанный с измеряемой величиной. Такие элементы получают инфор­мацию об измеряемом объекте и преобразуют ее в вид, до­ступный остальным частям измерительной системы с це­лью получения количественного значения измеряемой вели­чины.

2. Преобразователя сигнала, который получает сигнал от чувст­вительного элемента и преобразует его в соответствии с тре­бованиями блока отображения информации измерительной системы или системы управления. Преобразователь сигналов может состоять, в свою очередь, из трех элементов: формиро­вателя сигналов, который преобразует сигнал от чувствитель­ного элемента в физический вид, удобный для отображения; сигнального процессора, который улучшает качество сигнала, например, усиливает его, и передатчика сигнала для переда­чи этого сигнала на некоторое расстояние до устройства отоб­ражения.

3. Устройства отображения — элемента, на котором отобра­жается выходная информация измерительной системы. Этот элемент получает информацию от преобразователя сигналов и представляет ее в виде, который человек может идентифи­цировать, например, в виде стрелочного указателя, переме­щающегося по шкале.

Таким образом, в общем виде измерительная система состо­ит из датчика, подсоединенного к преобразователю сигнала, ко­торый, в свою очередь, соединен с устройством отображения. Это может быть представлено на блок-схеме в виде, показанном на Рис. 1.1.

Рис. 1.1. Общий вид измерительной системы