2. Общие принципы построения измерительных схем

При реализации электрических измерений, так же как и при иных измерения используются два основных метрологических методов:

а) метод непосредственной оценки (метод прямого преобразования);

б) метод сравнения с мерой (уравновешенный метод компенсаций).

Примечание: структуры методов см. в курсе ОФСС.

Рис. 1. Структурные схемы основных методов измерений:

а) метод непосредственной оценки; б) метод сравнения с мерой.

В данной структурной схеме использованы следующие обозначения:

ОУ – отсчетное устройство, может быть показывающие (аналоговое или цифровое), регистрирующие и т.д.

СУ – устройство сравнения, схема сравнения.

При построении измерительного прибора по методу непосредственной оценки в него включается последовательная совокупность измерительных преобразователей: первичных, передающих, масштабирующих и т.д. (см. лекции ОФСС).

При реализации измерительных приборов использующих метод сравнения с мерой применяют обратную связь (ОС). В контуре ОС должен иметь место эталон (эталонная величина). В контуре ОС также могут быть нормирующие преобразователи, устройства задания многопредельных значений эталонной величины. Т.е. в измерительных приборах построенных по структуре рисунок 1б, измеряемая величина Х_изм сравнивается с эталонной величиной Х_эт (таким образом, имеет место стандартный разностный сигнал Х поступающий через возможную последовательность измерительных преобразователей на отчетное устройство).

Измерение, основанное на методе сравнения с мерой, имеют 2 варианта для реализации в измерительных приборах:

- приборы, использующие нулевой метод сравнения с мерой;

- приборы, использующие разностный метод.

2. Реализация метода сравнения.

Метод прямого преобразования используется, как правило, для «оперативных» (быстрых) измерений. При реализации метода сравнения с мерой измерения занимают больше времени, но данный метод обеспечивает большую точность измерения.

Первый вариант реализации метода сравнения – разностный, при этом на отсчетное устройство выводится отклонение измеряемой величины от эталонного значения. Например: отклонение измеряемой величины от номинального значения. Разностный метод менее распространен, чем нулевой.

Наибольшей точностью обладает нулевой метод реализации метода сравнения с мерой, хотя он и сложнее, и дороже, но при всем этом именно он получил наибольшее распространение.

Считается, что метод сравнения с мерой имеет три разновидности: разностный, компенсационный и нулевой, как разновидность компенсационного метода. Рассмотрим суть каждого метода.

Разностный метод, как правило, используется в измерении отклонения какой-либо величины от номинального значения. Например, отклонение напряжения или девиация частоты (отклонение частоты от несущей).

Компенсационный метод измерения производится по отклонению (одинаковому отклонению) какой-либо величины при измерении. Одинаковость отклонений должна иметь место при подключении прибора и к измеряемой величине и к эталонной. Например, измерение сопротивления, представленное на рис.2.

Рис. 2. Компенсационная схема измерения сопротивления

На рисунке имеет место измеряемое сопротивление R_x, а эталонным является R₁, SB1 – переключатель, PV – вольтметр, V_пит. – переменное или постоянное напряжение.

Принцип работы такой схемы заключается в то, что сопротивление R₁ подстраивается до тех пор, пока падение напряжения на нем и на R_x не будет одинаковым. Очевидно, что для нахождения совпадений падений напряжений необходимо неоднократное переключение коммутационного элемента SB1. Одинаковость падений напряжений должна быть прецизионной, а позиция движка резистора R₁ должна быть отградуирована с нормированной точностью. Точность вольтметра по компенсационной схеме измерения сопротивления, но его импеданс должен быть как минимум на порядок больше импеданса измеряемого сопротивления.

Реализации нулевого метода приведены на рис.3.

Рис. 3. Примеры реализации нулевого метода измерения:

а) потенциометрическая схема;

б) мостовая схема.

При использовании нулевого метода подстройка регулирующего движка резистора R₁ (в обеих схемах) производится до тех пор, пока нуль-индикатор не будет отображать 0, т.е. для обеих схем это происходит при U_x= U₁. При этом ток через измерительный прибор практически отсутствует. Как следствие этого, в данных измерительных схемах практически не нарушается режим контролируемой электрической цепи (электрического потока).

Исходя из вышеизложенного, можно отметить достоинства нулевого компенсационного метода измерения: высокая чувствительность и точность измерительных схем. А к главному недостатку таких схем нужно отнести низкое быстродействие.

Любую мостовую измерительную схему можно привести к базовому виду, показанному на рис.4.

Рис. 4. «Базовый» вид мостовой схемы.

ab – измерительная диагональ

cd – диагональ питания