Средства измерений как система

 

Любое техническое устройство может рассматриваться как система — вопрос лишь в степени детализации. При использова­нии системных понятий для описания какой-либо части объек­та (объективной реальности) эту часть отделяют от окружения таким образом, чтобы в поле рассмотрения осталось лишь ко­нечное число наиболее важных взаимодействий с этой средой. Взаимодействия могут носить характер вещественных и (или) энергетических связей, выражаемых в обмене информацией (рис. 23.1, а). Если внимание исследователя концентрируется только на обмене информацией между рассматриваемым объек­том и окружающей его средой, то об объекте говорят как об информационной системе. Выдаваемая этой системой информация по форме и содержанию зависит от входной информации.

Приведенная на рис. 23.1, б модель измерительного преобра­зователя в виде передаточного звена является примером простей­шего схематичного изображения информационной системы. К этой системе может подводиться информационный поток в виде множества входных величин (х_еЬ ..., х_е„). В результате их об­работки в системе (выполнения операций, описываемых опреде­ленными математическими зависимостями) на выходе системы выдаются соответствующие выходные величины (х_а1, ..., х_ап).

Определенные связи (зависимости), существующие между входными и выходными величинами, называются передаточны­ми свойствами (характеристиками) системы. Одинаковые си­стемы характеризуются одинаковыми свойствами и характери­стиками.

Одним из преимуществ системного подхода к исследованию объектов является возможность приложения характеристик, из­меренных у первой системы, ко второй системе, отличающейся своим построением от первой, но имеющей такие же передаточ­ные свойства. Если пренебречь воздействием влияющих вели­чин и считать, что в данный момент времени на вход системы поступает единственная измеряемая величина х_е, которой соот­ветствует одна выходная величина х_а, то такую систему можно описать статической характеристикой вида х_а =f(x_e). Для более общего анализа необходимо учитывать изменение этих величин во времени:

x_a(t) =Ax_e(t)].

Измеряемая величина лишь в редких случаях сохраняет посто­янное значение в процессе измерений. Часто постоянство изме­ряемой величины является кажущимся, так как она наблюдается на фоне помех, которые приходится оценивать, чтобы исключить из результата измерения. Примером может служить измерение длины / металлического бруска, которая постоянна лишь при неизменной температуре окружающей среды.

Из последнего примера можно сделать вывод еще об одном ограничении при системном рассмотрении средств измерений: наряду с входными величинами нельзя не учитывать влияния окружающей среды, проявляющегося в виде воздействий влияю­щих величин, в том числе помех и шумов. Оценивание и ограни­чение влияния подобных мешающих воздействий — важнейшая задача системотехники.

В заключение можно выделить следующие общие положения, которыми надо руководствоваться при рассмотрении средств из­мерений в качестве ИИС:

• важнейшими видами взаимодействия ИИС с окружающей средой являются отбор информации, определение значений из­меряемых величин и выдача их в виде выходной информации;

• существует причинно-следственная связь между входной и выходной информацией в направлении от входа к выходу, т.е. ;

• желательно, чтобы ИИС как можно меньше влияла на вход­ную (измеряемую) величину;

• воздействие помех и вызываемые ими погрешности играют при этом второстепенную роль;

• в автономных измерительных устройствах материальные свя­зи с окружающей средой нередко отсутствуют, а наличие или от­сутствие энергетических связей не имеет существенного значения для рассмотрения (их наличие обычно вызывает появление до­полнительных шумов и помех);

• для ИИС желательна не имеющая запаздывания линейная передаточная характеристика вида х_а = К_рх_е в любой момент вре­мени, где К_р — коэффициент передачи;

• передаточная характеристика ИИС должна быть воспроизво­димой и инвариантной относительно времени, т.е. зависимость между входной и выходной величинами не должна изменяться со временем.

 

Измерительная информация

 

Значимость измерительной информации следует рассматри­вать с точки зрения ее получения, т. е. выбора одного или не­скольких значений измеряемой величины из имеющегося множе­ства, что связано со статистическим подходом.

Каждое средство измерений обеспечивает выделение и вос­приятие информации, что схематично отражено на рис. 23.2, а в сравнении с передачей и обработкой сигналов в информацион­ной системе, схематично показанных на рис. 23.2, б. Элементы этих схем представляют собой операции над информацией (сиг­налами), а не физические устройства.

Один из подходов к толкованию информации в измерительной технике основан на положениях теории вероятностей, включаю­щих в себя оценку вероятности измеренного значения. Если до начала измерений известно, что вероятность/? _v того, что значе­ние искомой величины заключено в определенном интервале, весьма мала, то эту вероятность оценивают путем измерений. Вероятность p_v определенного значения измеряемой величины тем меньше, чем больше число уровней квантования или разли­чимых ступеней значений этой величины. Если полагать, что

 

 

Рис. 23.2. Операции восприятия и обработки информации отдельным средством (а) и в информационной системе (б)

каждое значение измеряемой величины в пределах измерений может появиться с одной и той же вероятностью

р_у = 1/т, (23.1)

то вероятность появления любого возможного значения этой ве­личины составит

(23.2)

Число различимых ступеней т измеряемой величины зависит от погрешности средства измерений. Поясним это на примере шкалы гипотетического измерительного прибора (23.3, а). Абсо­лютная погрешность, с которой выполняется каждое измерение, составляет е-±\ (деление шкалы), а относительная погрешность е°= ±0, 05, или ±5 %. Иначе говоря, измеренное значение может быть заключено, например, между 1 и 3, если указатель показывает цифру 2. В начале шкалы слева от 0 может быть деление -1. Число т делений (различимых значений) в данном случае составляет

 

(23.3

Рассмотрим другой пример — измеритель тока с пределами от 0 до 10 А с ценой деления (шагом) шкалы 0, 1 А. Хотя число деле­ний на шкале равно 100, вследствие того, что е° = ±0, 025, оказы­вается, что т = 21, т. е. различимы значения 0; 0, 5; 1, 0; ...; 9, 5; 10 при абсолютной погрешности е⁰=±0, 25 А. Вероятность появления любого из перечисленных различимых значений составит p_v=21^-1=0, 0476, или 4, 76 %. Если желательно знать измеренное значение на ±0, 5 А точнее, то при упомянутой ранее вероятности это исключено, что и иллюстрирует рис. 23.3, б, где показана часть шкалы измерителя тока с положением стрелки напротив значения 4, 7 А.

При этом значение 4, 5 А характеризуется 100%-й вероятностью, а значение 5 А исключается, так как последнее находится за гра­ницами погрешности. Если хотят узнать силу тока точнее на ±0, 1 А, то вероятность значения 4, 7 А составит 20 %; при этом возможны значения 4, 5 и 4, 6 А, а также 4, 8 и 4, 9 А, лежащие в пределах гра­ниц погрешности ±е.

Измерения можно трактовать (в статистическом смысле) как поиск информации с уменьшением неопределенности и увеличе­нием вероятности.

 

⇐ Предыдущая28293031323334353637Следующая ⇒

Поделиться: