Классификация измерений

Общие замечания. Электрические измерения весьма разнооб­разны. Это объясняется множеством измеряемых электрических и неэлектрических величин, различным характером их изменения во времени, различными требованиями к точности измерений, раз­личными способами получения результата измерения и другими факторами.

Рассмотрим классификацию измерений, наиболее важную для теории и практики электрических измерений. К такой классифика­ции можно отнести классификацию измерений с методологической точки зрения, т. е. в зависимости от общих приемов получения результатов измерений (виды или классы измерений), классифи­кацию измерений в зависимости от использования принципов и средств измерений (методы измерений) и классификацию измерений в зависимости от динамики измеряемых величин.

Виды электрических измерений. В зависимости от общих приемов получения результата измерения делятся на следующие виды: прямые, косвенные и совместные.

К прямым измерениям относятся те, результат которых получается непосредственно из опытных данных. Прямое измере­ние условно можно выразить формулой

(1.31)

где Y - искомое значение измеряемой величины; X - значение, непосредственно получаемое из опытных данных.

К этому виду измерений относятся измерения различных физи­ческих величин при помощи приборов, градуированных в уста­новленных единицах. Например, измерения силы тока ампермет­ром, температуры - термометром и т. д. К этому виду измерений относятся и измерения, при которых искомое значение величины определяется непосредственным сравнением ее с мерой.

Применяемые средства и простота (или сложность) экспери­мента при отнесении измерения к прямому не учитываются.

Косвенным называется такое измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зави­симости между этой величиной и величинами, подвергаемыми пря­мым измерениям. При косвенных измерениях числовое значение измеряемой величины определяется путем вычисления по формуле

(1.32)

где Y - искомое значение измеряемой величины; X₁, X₂,..., X_n - значения измеренных величин.

В качестве примера косвенных измерений можно указать на из­мерение мощности в цепях постоянного тока амперметром и вольтметром.

Совместными измерениями называются такие, при кото­рых искомые значения разноименных величин определяются путем решения системы уравнений, связывающих значения искомых величин с непосредственно измеренными величинами, т. е. путем решения системы уравнений:

(1.33)

В уравнениях (1.33) Y₁, Y₂, Y₃, ... - искомые величины; X₁, Х₂, Х₃, ... - непосредственно измеренные величины.

В качестве примера совместных измерении можно привести определение коэффициентов в формуле, связывающей сопротивление резистора с его тем­пературой:

где R_t - сопротивление резистора при температуре t °С; R₂₀ - сопротивление резистора при температуре 20 °С; α, β и R₂₀ - искомые величины.

Измеряя сопротивление резистора при различных температурах (t₁, t₂ и t₃), определяемых по термометру, получим систему уравнений:

Решая эту систему уравнений, найдем значения искомых величин: R₂₀, α и β.

Методы электрических измерений. В зависимости от совокуп­ности приемов использования принципов и средств измерений все методы делятся на метод непосредственной оценки и методы срав­нения.

Сущность метода непосредственной оценки заключается в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от кото­рых зависит измеряемая величина. Простейшим примером метода непосредственной оценки может служить измерение какой-либо величины одним прибором, шкала которого проградуирована в соответствующих единицах.

Вторая большая группа методов электрических измерений объ­единена под общим названием методов сравнения. К н;:м относятся все те методы электрических измерений, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Таким образом, отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие мер в процессе измерения.

Методы сравнения делятся на следующие: нулевой, дифферен­циальный, замещения и совпадения.

Нулевой метод - это метод сравнения измеряемой величины с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на индикатор доводится до нуля. Таким образом, при достижении равновесия наблюдается исчезновение определенного явления, например тока в участке цепи или напряжения на нем, что может быть зафиксировано при помощи служащих для этой цели прибо­ров - нуль-индикаторов. Вследствие высокой чувствительности нуль-индикаторов, а также потому, что меры могут быть выполнены с большой точностью, получается и большая точность измерений. Примером применения нулевого метода может быть измерение элек­трического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.

При дифференциальном методе, так же как и при нулевом, измеряемая величина сравнивается непосредственно или косвенно с мерой, а о значении измеряемой величины в результате сравнения судят по разности одновременно производимых этими величинами эффектов и по известной величине, воспроизводимой мерой. Таким образом, в дифференциальном методе происходит неполное уравно­вешивание измеряемой величины, и в этом заключается отличие дифференциального метода от нулевого. Дифференциальный метод сочетает в себе часть признаков метода непосредственной оценки и часть признаков нулевого метода. Он может дать весьма точный результат измерения, если только измеряемая величина и мера мало отличаются друг от друга. Например, если разность этих двух вели­чин равна 1 % и измеряется с погрешностью до 1 %, то тем самым погрешность измерения искомой величины уменьшается до 0,01%, если не учитывать погрешности меры. Примером применения диф­ференциального метода может служить измерение вольтметром раз­ности двух напряжений, из которых одно известно с большой точ­ностью, а другое является искомой величиной.

Метод замещения заключается в поочередном измерении иско­мой величины прибором и измерении этим же прибором меры, воспроизводящей однородную с измеряемой величину. По резуль­татам двух измерений может быть вычислена искомая величина. Вследствие того что оба измерения делаются одним и тем же при­бором в одинаковых внешних условиях, а искомая величина опре­деляется по отношению показаний прибора, в значительной мере уменьшается погрешность результата измерения. Так как погреш­ность прибора обычно неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых по­казаниях прибора. Примером применения метода замещения может быть измерение сравнительно большого электрического сопро­тивления на постоянном токе путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый резистор и образцовый. Питание цепи при измерениях должно производиться от одного и того же источника тока. Сопротивление источника тока и прибора, измеряющего ток, должно быть очень мало по сравнению с изме­няемым и образцовым сопротивлениями.

Метод совпадений - это такой метод, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой ме­рой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периоди­ческих сигналов. Этот метод широко применяется в практике неэлектрических измерений. Примером может служить измерение длины штангенциркулем с нониусом. В электрических измерениях в качестве примера можно привести измерение частоты вращения тела стробоскопом.

Укажем еще классификации измерений по признаку изменения во времени измеряемой величины.

В зависимости от того, изменяется ли измеряемая величина во времени или остается в процессе измерения неизменной, раз­личаются статические и динамические измерения. Статическими называются измерения постоянных или установившихся значений. К ним относятся и измерения действующих и амплитудных зна­чений величин, но в установившемся режиме.

Если измеряются мгновенные значения изменяющихся во вре­мени величин, то измерения называются динамическими. Если при динамических измерениях средства измерений позволяют непре­рывно следить за значениями измеряемой величины, такие изме­рения называются непрерывными.

Можно осуществить измерения какой-либо величины путем измерений ее значений в некоторые моменты времени t₁, t₂ и т. д. В результате окажутся известными не все значения измеряемой величины, а лишь значения в выбранные моменты времени. Такие измерения называются дискретными.