5. Алгоритмы измерительных процедур

 

5.1. Основные операции измерений и элементарные средства их реализации

 

Основными операциями, составляющими процедуру измерения, являются: воспроизведение величин заданного размера, сравнение величин, измерительные преобразования. К ним следует добавить также операции, общие для всех информационных процедур: передача, коммутация, запоминание. Каждая из этих операций может быть описана с помощью математических выражений.

Средства измерений (СИ), с помощью которых реализуются те или иные операции измерительной процедуры, называются элементарными средствами измерений. СИ, с помощью которых реализуются измерительные процедуры, состоящие из нескольких операций, называют комплексными средствами измерений. Главная отличительная особенность, разделяющая эти два вида СИ, состоит в том, что с помощью любого другого элементарного СИ нельзя определить значение величины; в то время как процедура измерений, выполненная с помощью комплексных средств измерений, завершается получением значения измеряемой величины. К элементарным СИ относятся: устройства сравнения, меры, измерительные и масштабные преобразователи; к комплексным - измерительные приборы и системы.

Под воспроизведением величины заданного размера понимается создание выходного сигнала с заданным размером информативного параметра. Эта операция выполняется с помощью меры. Меру можно рассматривать как преобразователь, входной величиной которого следует считать числовое значение величины N_x, а выходной - квантованную аналоговую величину заданного размера х_n=N_xq_x. Поскольку на входе и выходе цифроаналогового преобразователя имеются соответственно именно такие величины, то его можно считать автоматически управляемой мерой.

Регулирование меры может осуществляется как по детерминированному, так и по случайному закону. Примером детерминированного закона является закон "лесенки":

x_N(t)=N_x(t)q_k,

характеризующий изменение N_x(t) от 0 до N_н через одинаковые интервалы времени единичными ступенями.

Меры подразделяются на однозначные, многозначные, наборы мер, магазины мер. Под однозначной мерой понимается мера, воспроизводящая физическую величину одного размера, под многозначной - мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров. Кроме того, различаются меры одно- и многоканальные, регулируемые и нерегулируемые.

Однозначная мера может быть только одноканальной нерегулируемой (рис. 5.1) (например, образцовое электросопротивление в виде измерительных безреактивных катушек), описываемой уравнениями

x_N=N_xq_k=const; N_x=const; q_k=const.

 

Рис.5.1. Разновидности мер: а - одноканальная нерегулируемая;

б - одноканальная регулируемая; в - многоканальная нерегулируемая;

г - многоканальная регулируемая

 

Многозначная мера может быть:

одноканальной регулируемой (рис.5.1,б), когда в данный момент времени воспроизводится только один размер. т.е. осуществляется временное разделение величин (например, магазин емкостей), ее уравнение

x_N=N_xq; N_x=var; q_k=const;

многоканальный нерегулируемой (рис.5.1,в), одновременно воспроизводящей несколько размеров заданной величины (например, нерегулируемый делитель напряжения), ее уравнение

x_Ni=N_iq_k=const;

многоканальной регулируемой, воспроизводящей одновременно несколько величин, размеры которых могут изменяться (рис.5.1,г), ее уравнение

=N_iq_k=var при N_i=var; q_k=var.

Характерной особенностью многоканальных мер является пространственное разделение выходных величин.

Другой важнейшей операцией, входящей в процедуру измерения, является сравнение величин, под которым понимается определение соотношения однородных величин по знаку их разности (иногда по другому признаку). Совокупность и последовательность выполнения приемов использования физических принципов и явлений, необходимых для осуществления сравнения величин, называют методом сравнения, а соответствующее техническое средство - устройством сравнения (УС).

Устройство сравнения чаще всего состоит (рис.5.2,а) из вычитателя В, создающего разность сравниваемых сигналов D_p=x₁-x₂ , и релейного элемента (РЭ), реагирующего на знак разности D_p. В аналоговых устройствах релейный элемент часто отсутствует.

Сравнение может быть одно- и разновременным. Если осуществляется операция одновременного вычитания, то УС реализуется двухканальной структурой (рис.5.2,а). Выходной сигнал a_i, несущий информацию о результате сравнения, чаще всего представляется логическими "1" или "0":

(5.1)

 

 

Рис.5.2. Разновидности устройств сравнения: а - на основе одновременного

вычитания; б - на основе разновременного вычитания; в - на основе деления

 

Операция сравнения разновременным вычитанием может быть осуществлена одноканальным УС (рис.5.2, б). С помощью переключателя П, управляемого сигналами, поступающими с генератора, создается переменный сигнал с частотой, равной частоте генератора, и фазой, содержащей информацию о соотношении между сравниваемыми величинами.

Иногда сравнение однородных величин осуществляется с помощью операции деления (рис.5.2, в):

(5.2)

Измерительными преобразованиями называются преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации (удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи по каналам связи), осуществляемые с заданной точностью. К числу измерительных преобразований можно отнести следующие операции: изменение физического рода сигнала или величины; масштабно-линейные, масштабно-временные (смещение, сжатие или растяжение во времени), нелинейные или функциональные преобразования; модуляция, квантование, дискретизация.

Из перечисленных видов измерительных преобразований остановимся на масштабировании, являющемся одной из основных операций процедуры измерения.

Масштабированием называется измерительное преобразование, осуществляемое с целью изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз с заданной степенью точности. Соответственно, масштабный преобразователь (МП) – средство измерений, с помощью которого осуществляется масштабирование.

Метод масштабирования - совокупность приемов использования физических явлений и процессов, положенных в основу работы масштабного преобразователя.

Масштабные преобразователи могут быть одно- и многозначными, одно- и многоканальными с регулируемым и нерегулируемым коэффициентом преобразования К_мп (рис.5.3).

 

Рис.5.3. Разновидности масштабных преобразователей: а - одноканальный

нерегулируемый; б - одноканальный регулируемый; в - многоканальный

нерегулируемый; г - многоканальный регулируемый

Регулируемые масштабные преобразователи (рис.5.3,б,г) отличает от нерегулируемых (рис.5.3,а,в) возможность изменения коэффициента преобразования К_мп. Многоканальные масштабные преобразователи могут быть с временным (рис.5.3,б) и пространственным разделением (рис.5.3,в,г).

Уравнения измерения:

одноканального нерегулируемого масштабного преобразователя

х₁=К_мпх; (5.3)

многоканального нерегулируемого масштабного преобразователя с пространственным разделением

х_i=К_iмпх; (5.4)

многоканального регулируемого масштабного преобразователя с временным и пространственным разделениями

х_i=К_iмпрх(t)x. (5.5)