Выбор схемы измерения переменных

Метрологическая структурная схема
Структурная схема – это условное обозначение совокупности элементов средства измерения, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала от входа до выхода и обеспечивающих осуществление всех его преобразований, с указанием преобразуемых величин. При этом каждое преобразование сигнала происходит в отдельном звене или блоке.

Структурные схемы состоят из соединенных определенным образом структурных элементов (составных частей), предназначенных для выполнения одной из следующих функций:
- преобразование поступающего сигнала по форме или виду энергии;
- успокоение колебаний;
- защита от помехонесущих полей;
- коммутация цепей;
- представление информации и т.п.

Основными составными частями средства измерения являются:
-преобразовательный элемент
-измерительная цепь
-чувствительный элемент
-измерительное устройство
-показывающее устройство
-регистрирующее устройство
Структурная схема измерительного прибора или преобразователя однозначно определяется используемым методом преобразования.

Разновидности погрешностей
Качество средств и результатов измерений принято характеризовать указанием их погрешностей.
Погрешность результата измерений – это число, указывающее возможные границы неопределенности значения измеряемой величины.
Погрешность прибора (средства измерения) – это его определенное свойство, для описания которого приходиться пользоваться целым рядом соответствующих правил.
Погрешности средств измерений (СИ) и погрешности результатов измерений (РИ) – понятия не идентичные.

В зависимости от источника возникно­вения погрешности бывают инструментальные, мето­дические, отсчитывания и установки.
Погрешности, зависящие от входного сигнала: аддитивная и мультипликативная.

Термины аддитивные и мультипликативные погрешности служат для описания формы границ полосы погрешностей СИ.
При поверке или градуировке СИ получают ряд значений входной величины xi и ряд соответствующих значений выходной величины уi. Если эти данные нанести на график с координатами ХОУ, то полученные точки разместятся в границах некоторой полосы.
В том случае, когда эти точки лежат в границах линий параллельных друг другу, т.е. абсолютная погрешность СИ во всем диапазоне измерений ограничена постоянным (не зависящим от текущего значения хi пределом ±Δ0, то такая погрешность называется аддитивной, т.е. получаемой путем сложения, или погрешностью нуля.
Примерами случайных аддитивных погрешностей являются наводки ЭДС на входе прибора, тепловые шумы, трение, погрешность порога трогания и т.п.

Если же ширина границ погрешностей возрастает пропорционально росту входной величины х, а при х=0 также равна нулю, то такая погрешность называется мультипликативной, т.е. полученной путем умножения, или погрешностью чувствительности. вне зависимости от того, является ли эта погрешность случайной или систематической.
Примеры возникновения погрешности:
изменение коэффициента усиления в усилителе, изменение жесткости мембраны в манометре или пружинке прибора, изменение опорного напряжения в вольтметре и т.п.

Методика уменьшения погрешности квантования путем юстировки цифрового устройства
Юстировка - совокупность операций по выравниванию конструкций и конструктивных элементов (поверхностей, столбов, стоек и т.д.) вдоль некоторого направления («осевого»), а также по приведению меры, измерительного или оптического прибора, механизмов (или их части) в рабочее состояние, обеспечивающее точность, правильность и надёжность их действия. При юстировке приборов - осуществляется проверка и наладка измерительного или оптического прибора, подразумевающая достижение верного взаиморасположения элементов прибора и правильного их взаимодействия

Устройство для определения погрешности преобразователя «угол – код»

Погрешность квантования в пределах кванта подчиняется закону равномерного распределения и при цене кванта λ характеризуется математическим ожиданием

Найдем систематическую составляющую погрешности квантования для k-го кванта шкалы, полагая, что последняя юстирована по середине первого кванта.
Пусть шкала датчика имеет p квантов, фактические цены которых:
a1,a2,a3,…,ak,…,ap
а теоретические:
b1,b2,b3,…,bk,…,bp.
Тогда расстояния от центров юстировки до правых границ квантов на реальной шкале равны.

Каждому значению k соответствует два значения fk - положительное и отрицательное; поэтому расчет М(f) и D(f) следует вести отдельно для тех и других fk, принимая далее величины, большие по абсолютной величине (модулю), за искомые.
Анализ показывает, что найденную величину М(f) можно минимизировать, не увеличивая D(f).
Для этого, кроме юстировки шкалы кодового датчика по середине одного из квантов, достаточно произвести дополнительную юстировку на величину математического ожидания:

При равномерном квантовании (то есть при a=const) и абсолютно точном изготовлении датчика:

Методика выбора аналогового измерительного устройства повышенной технологической надежности на основе информационной теории измерений
Аналоговыми измерительными приборами называются при­боры, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины.

Информационная теория измерений
Результат измерения дает количественную характеристику интересующей физической величины с некоторой остаточной неопределенностью. Вместо исходной неопределенности, обусловленной природой измеряемой величины, получается заведомо меньшая неопределенность, зависящая от несовершенства измерительного эксперимента. Разность этих двух неопределенностей соответствует количеству измерительной информации.
Рассмотрим дискретный источник информации, который в каждый момент времени случайным образом может принять одно из конечного множества возможных состояний х1,х2,...,хn с вероятностями р1,р2,...,рn, причем

Меру неопределенности состояния источника можно рассматривать как меру количества информации, получаемой при полном устранении неопределенности относительно состояния источника. Мера должна удовлетворять условиям:
-необходимость монотонного возрастания неопределенности с увеличением возможности выбора, то есть числа возможных состояний N
-условие аддитивности (если несколько независимых систем объединяют в одну, то их энтропии складывают. В этом выражается аддитивность энтропии):
Соотношение (2) выполняется, если в качестве меры неопределенности источника с равновероятными состояниями принять логарифм числа состояний:

Энтропия дискретного источника информации: