Виды и методы измерений

По способу нахождения числового значения измеряемой величины из­мерения подразделяются на прямые, косвенные, совокупные и совместные (см. рис. 3).

Рис. 3. Разновидности измерений

Прямые измерения основаны на методе сравнения измеряемой вели­чины с мерой этой величины или на методе непосредственной оценки значе­ния измеряемой величины по отсчётному устройству средства измерения, шкала которого проградуирована в единицах измеряемой величины. Приме­рами прямых измерений выступают измерения длины с помощью линейки, тока – с помощью амперметра, напряжения – с помощью вольтметра и т.п.

Косвенные измерения являются более сложным видом измерений, ре­зультат которых получают после прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью.

Например, косвенное измерение сопротивления R резистора по изме­ренным значениям напряжения U и токаI c использованием известной зави­симости R=U/I.

Косвенные измерения в ряде случаев позволяют получить более точные результаты, чем прямые, а иногда являются единственно возможными для данной физической величины.

Совместные измерения – это неоднократные, обычно, прямые измере­ния одной или нескольких величин (при их различных сочетаниях) с получе­нием общего результата измерений путём решения системы уравнений, со­ставленных по частным результатам измерений.

Например, к совокупным измерениям относится процесс определения взаимной индуктивности двух катушек путём двукратного измерения их об­щей индуктивности. По одному из методов сначала катушки соединяют так, чтобы их магнитные поля складывались, и измеряют общую индуктивность:

L₀₁=L₁+L₂+2M

где: М – взаимная индуктивность;

L₁ и L₂ – индуктивности первой и второй катушек.

Затем катушки соединяют так, чтобы их магнитные потоки вычитались, и вновь измеряют общую индуктивность: L₀₂=L₁+L₂-2M. Искомое значение М определяется решением этих двух уравнений: М=(L₀₁-L₀₂)/4.

Совокупные измерения состоят в одновременном измерении двух или нескольких неодноимённых величин с последующим вычислением резуль­тата с помощью решения системы полученных при измерениях уравнений.

Пусть, например, требуется найти температурные коэффициенты термо­резистора в выражении:

P_T=R₀·(1+A·T+B·T²)

где: R₀ – значение сопротивления терморезистора при T₀=20⁰;

T– температура окружающей среды;

А, В – температурные коэффициенты.

Измерив значения сопротивлений R₁, R₂, R₃ терморезистора для значе­ний температуры T₀, T₁, T₂, определяемой с помощью термометра, и решив полученную в соответствии с данным уравнением систему из трёх уравне­ний, определяются значения А и В.

Основные методы измерений представлены на рисунке 4.

Рис. 4. Методы измерений

Метод непосредственной оценки – метод измерения, при котором зна­чения измеряемых величин определяются непосредственно по отсчётным устройствам измерительных приборов. Это наиболее распространённый и наиболее оперативный метод измерения.

Метод сравнения – метод измерения, при котором измеряемая величина Х сравнивается с одноимённой величиной Х_М, воспроизводимой мерой. Про­цедура сравнения обычно сводится к получению разности Х_Р (иногда отно­шения) величин Х и Х_М. При этом на два входа сравнивающего устройства измерительного средства поступают сигналы Х и Х_М, а на его выходе полу­чают результат сравнения: Х_Р=Х-Х_М.

Метод сравнения предполагает наличие обратной связи, осуществляе­мой вручную или автоматически, для изменения значения Х_М, поступающего на вход сравнивающего устройства, в зависимости от значения Х_Р на выходе устройства.

Как правило, по сравнению с методом непосредственной оценки, метод сравнения обеспечивает более высокую точность измерений.

Метод сравнения имеет следующие разновидности.

Метод нулевого сравнениязаключается в изменении значения Х_М до тех пор, пока Х_Р не станет равным нулю. Очевидно, что в этом случае Х=Х_М и значение измеряемой величины отсчитывается по шкале меры.

Метод применяется, например, при измерении сопротивления, ёмкости, индуктивности с помощью мостовых схем.

Дифференциальный метод сравнения, при котором не равное нулю остаточное значение Х_Р<<Х измеряется методом непосредственной оценки, и значение Х определяют как Х=Х_М+Х_Р.

В частности, этот метод широко используется для расширения частот­ного диапазона цифровых частотомеров, измеряющих с высокой точностью разность между измеряемой частотой и известной частотой гармоники квар­цевого генератора.

Метод замещения, при котором измеряемую величину Х на входе при­бора непосредственной оценки замещают регулируемой мерой более высо­кого класса точности. При этом, изменяя значение меры Х_М, добиваются, чтобы показание прибора Х* совпало с его же показанием, когда на его входе была измеряемая величина. В этом случае, пренебрегая погрешностью меры, можно считать, что Х=Х_М, а разность Х*-Х_М будет определять погрешность прибора.