Принципы, ограничивающие точность

Аксиоматика измерений

Информационные характеристики средств измерений

Измерительный прибор можно рассматривать как транслятор или переводчик с языка связанной информации объекта измерений, непонятного для потребителя, на доступный для потребителя язык свободной информации. Введем понятие ал­фавита языка и рассмотрим алфавиты {U} — языка связанной информации и {Y} — языка свободной информации.

Алфавит — это не просто совокупность буквенно-цифровых знаков, но бо­лее широкое понятие, включающее модальные характеристики параметров объек­та.

Пример: рассмотрим жидкостный ртутный манометр с алфавитами {Р} — давления и градации по давлению и {L} — высоты столба ртути преобра­зует непонятный алфавит {Р} в понятный алфавит {L}.

Таким образом, СИ практически неограниченно расширяют возможности ор­ганов чувств человека.

Основные информационные характеристики средств измерения:

- входной язык, посредством которого осуществляется связь СИ с объектом;

- энергия, требуемая от объекта измерения для формирования единицы сво­бодной информации;

- выполняемые функциональные преобразования информации в различных элементах СИ.

Эффективность этих преобразований оценивается минимальными потерями информации и согласованием преобразователей;

- выходной язык, посредством которого осуществляется связь потребителя информации с СИ;

- скорость выдачи информации СИ и восприятия ее потребителем;

- потери информации в различных преобразователях СИ.

Теория измерения и измерительных устройств базируется на ряде физических принципов, которые составляют аксиоматику измерений (аксиомы, определяющие ограничения по точности измерений). Все ограничения делят на две группы:

1. принципиальные ограничение— оно обусловлено дискретностью изме­ряемых величин или флуктуациями;

2. практические ограничения— вызываются несовершенством измеритель­ных сигналов, технологией производства СИ, несовершенством технологий самих измерений и др. факторами.

- принцип неопределенности Гейнзерберга. Невозможно измерить коорди­наты (х, у, z) и импульсы (р_x, р_y, p_z). Этот принцип, справедливый на квантомеханическом уровне, характеризуется неравенствами:

DxDp_x³h/2;

DyDp_y³h/2; Þ Dx, Dy, DzÞ0; Dp_x, Dp_y, Dp_zÞ µ,

DzDp_z³h/2,

где Dx, Dy, Dz и Dp_x, Dp_y, Dp_z — погрешности измерения;

h — постоянная Планка.

- принцип неопределенности Найквиста. Частицы вещества— атомы, моле­кулы, а также электрические заряды, совершают непрерывные хаотические дви­жения, интегральная интенсивность которых характеризуется абсолютной температурой Т. Чем интенсивнее движения, называемые флуктуациями, тем больше температура Т. Флуктуации создают шумовой эффект, ограничивающий точность измерения физических величин. Мощность шума Р_ш определяется уравнение Найквиста:

()

()

где k — постоянная Больцмана,

Df— ширина полосы пропускания прибора.

Иногда это выражение дополняется спектральным коэффициентом N, то есть:

()

- Принцип взаимодействия прибора и объекта измерения

Это взаимодействие сопровождается получением информации от объекта, на образование которой объект затрачивает энергию. В ряде случаев прибор оказыва­ет влияние на объект, меняя его характеристики.

Пусть Х и Х’ — соответственно векторы состояния объекта и прибора, А₁, В₁, A₂, B₂ — матрицы параметров соответственно объекта измерения и измерительного прибора, тогда динамика взаимодействия:

()

- Принцип несовершенства полезных сигналов

Воспринимаемые прибором полезные сигналы, как правило, содержат по­мехи, что является причиной возникновения погрешности. Если х — вектор со­стояния объекта измерения, х' — воспринимаемый прибором вектор, то:

()

где f— помеха, поступающая в прибор вместе с полезным сигналом. Помехи мо­гут поступать из внешней среды, из-за взаимодействия объекта и прибора и т.п.

-Принцип технологического несовершенства приборов

Невозможно вследствие несовершенства техпроцесса изготовления СИ и от­дельных его элементов создать такое средство, характеристики которого абсолют­но точно соответствовали бы расчетным характеристикам. Сюда относят погрешности изготовления деталей и радиоэлементов, погрешность регулировки, откло­нение физико-механических параметров деталей при несоблюдении требуемых режимов термообработки, гальванообработка и т.д.

- Принцип несовершенства материалов.

В природе нет материалов с абсолютно стабильными характеристиками.

-Принцип воздействий внешних возмущений на СИ

Сигналы в приборах подвергаются влиянию внешних возмущении (электро­магнитных и гравитационных полей, полей ускорений и вибраций и др.), приво­дящих к возникновению погрешностей измерения.

- Принцип генерирования возмущений внутри прибора (силы трения, вза­имные электромагнитные влияния, паразитные емкости, ЭДС, тепловые потоки).

- Принцип несовершенства технологии измерения.

Любое измерение не может быть абсолютно точным, даже если СИ было бы идеальным (погрешность равна нулю) из-за неточности установки объекта на измерительную позицию и т.п.

- Принцип отсутствия новой информации — без получения новой изме­рительной информации невозможно организовать новые техпроцессы, соз­дать новые системы.

Все это в конечном итоге затормаживает развитие метрологии.

Дата добавления: 2014-01-06