1.2 Методы прямых измерений

Методы прямых измерений разделяют на метод непосредственной оценки и методы сравнения.

Метод непосредственной оценки (прямого сравнения с мерой) заключается в непосредственном определении измеряемой ФВ по отсчетному устройству измерительного прибора (ИП), который опосредованно содержит в себе меру и предварительно проградуирован в данных единицах (Рис.1.1).

Рис.1 Структурная схема метода непосредственной оценки

по схеме прямого преобразования

Например, измеряют длину линейкой, температуру стеклянным термометром (прямые измерения) или мощность в цепи постоянного тока амперметром и вольтметром (косвенное измерение).

Реализация данного метода для измерения электрических величин с помощью неуравновешенного моста Уитсона предусматривает сравнение ФВ с мерой, заложенной в значениях резисторов моста, с дальнейшим усилением (или без него) и отсчета полученного измерительного сигнала по шкале измерительного прибора либо, например, нормирование (4…20 мА) сигнала.

Структурно схема измерения представляет собой последовательную цепочку прямых преобразований, в которых сигнал измерительной информации протекает от входа к выходу в одном направлении без ответвлений и обратных связей. Обычно – это схема простейшей структуры, состоящей, например, из измерительного неуравновешенного моста, сигнал рассогласования которого поступает к показывающему прибору – вольтметру или амперметру.

К основным методам сравнения относят следующие методы:

Нулевым (компенсационным) называется метод, при котором результирующий эффект воздействия измеряемой ФВ и меры на элемент сравнения доводится до нуля. При достижении равновесия наблюдается исчезновение определенного явления, например тока в участке цепи, что фиксируется при помощи нуль-индикатора. Метод предусматривает принятие решений по увеличению/уменьшению значения меры в процессе измерения. Это означает применение отрицательной обратной связи в структурной схеме компенсационного (нулевого) метода (Рис.1.2). Нулевой метод являются наиболее точным.

Рис.2 Структурная схема компенсационного (нулевого) метода

измерения (схема с отрицательной обратной связью)

Пример: взвешивание груза на равноплечих весах – это характерный пример компенсационного метода, когда массу груза уравновешивают массой меры – гирь и разновесков.

Дифференциальный метод основан на измерении разности между известной и искомой ФВ. Это влечет за собой усложнение структурной схемы метода, связанное с измерением дополнительной ФВ. Нулевой метод превращается в дифференциальный, когда равновесие не доводится до конца и измеряется разность между сравниваемыми ФВ.

По отношению к электрическому мосту дифференциальный метод называют методом неуравновешенного моста в отличие от нулевого метода – метода уравновешенного моста. Дифференциальный метод обладает высокой точностью.

Рис.3 Структурная схема дифференциального метода измерения

(разностная схема встречно-параллельного соединения)

Метод совпадения – при котором ряд равномерно чередующихся отметок отсчетного устройства ИП, которые соответствует измеряемой ФВ, сопоставляются с рядом неравномерных отметок, относящихся к известной величине (мере). При совпадении отметок производят отсчет.

Примеры: применение штангенциркуля, установка часов по сигналам точного времени и т.д.

Метод замещения заключается в замещении измеряемой ФВ равновеликой известной величиной. Пример: тело взвешивают на весах, уравновешивая его тарой. Затем тело снимают и гирями снова уравновешивают весы. Масса тела в этом случае равна массе гирь.

Метод противопоставления заключается в одновременном воздействии на прибор сравнения измеряемой ФВ и величины, воспроизводимой мерой. Пример – взвешивание груза по способу Гаусса, когда на одну чашку весов устанавливают груз, а на другую – гири. После взвешивания груз и гири меняют местами и снова взвешивают. Вес груза равен полусумме гирь, положенных на чашку весов в первом и во втором случаях. Этим устраняется погрешность от неравноплечности весов.

В зависимости от способа измерения различают также контактные и бесконтактные методы измерения. Например, измерение температуры при помощи стеклянного термометра (контактный метод) или оптическим прибором по силе излучения от тела (бесконтактный метод)

С точки зрения точности методы измерения делятся на лабораторные (точные) и технические. При лабораторных производят учет погрешности измерения. При технических методах учет погрешности не производят; измерения выполняют при помощи мер и измерительных приборов, погрешность которых достаточно мала для практических целей.