Метод измерения — совокупность способов использования средств измерительной техники и принципа измерений для создания измерительной информации.
Среди различных видов измерений ФВ точными при прочих равных условиях является прямое измерение. Рассмотрим классификацию методов прямых измерений.
Дифференциальный (разностный) метод измерения.
Метод измерения, по которому небольшая разница между измеряемой величиной и исходной величиной одноканальной степени измеряется соответствующим средством измерения.[adsense_id=»1″]
Он реализуется путем подачи на один вход измерительной схемы сравнения (ВСП) величины X, измеряемая, а на второй вход через масштабный измерительный преобразователь единиц ФВ N от степени М, однородной с ФВ X, что измеряется.
На выходе ВСП кажется разница , Где k — коэффициент преобразования масштабного преобразователя. Схема проведения такого сравнения показана на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема для осуществления дифференциального метода измерения
При проведении измерений дифференциальным методом вариацией значений N или k добиваются, чтобы clip_image006 была невелика и выполнялось неравенство
Погрешность дифференциального сравнения определяется главным образом погрешностью воспроизведения единицы ФВ степени N, погрешностью коэффициента k масштабного преобразователя и погрешностью прибора.
В случае, когда значение ΔX
Метод одного совпадения (метод нониуса). Примером метода одного совпадения является измерение длины с помощью двух линеек с делениями.
Метод прямого измерения с однократным сравнением выходных величин двух многозначных нерегулируемых мер, с разными по значению ступенями, нулевые отметки которых сдвинуты между собой на измеряемую величину.
Примером метода одного совпадения является измерение длины с помощью двух линеек с делениями, цены которых находятся в определенном отношении. Измерение времени с помощью двух последовательностей периодических импульсов, периоды которых находятся в определенном отношении.
При измерении нулевые отметки мер сдвигают на измеряемую величину Х, а затем определяют ее числовое значение за номером ближайшей отметки, совпадает. Таким образом, благодаря избыточности метода нониуса (вместо одной многозначной нерегулируемой степени используется две), степень квантования «уменьшается» в ΔX раз. Это можно трактовать также как «увеличение» размера величины Х в ΔX раз. Метод нониуса используется тогда, когда невозможно создать мере с очень малыми ступенями (например линейку с делениями 0.1 мм).
Метод двойного совпадения (метод коинциденции). Метод прямого измерения с однократным сравнением измеряемой величины со всеми исходными величинами многозначной нерегулируемой меры.
Метод прямого измерения с однократным сравнением двух квантованных физических величин: измеряемой и воспроизводимой многозначной нерегулируемой мерой.
Примером метода двойного совпадения является измерение состыкованных интервалов времени или состыкованных отрезков длины с помощью соответственно: последовательности периодических импульсов с известным значением их периода или линейки с известным значением делений.
Метод сопоставления. Метод прямого измерения с однократным сравнением измеряемой величины со всеми исходными величинами многозначной нерегулируемой меры.
Примерами данного метода является измерение длины линейкой с делениями, измерения интервала времени часами.
Этот метод, в частности, обеспечивает максимальное быстродействие измерения электрического напряжения и механических перемещений. ОНОЕ положены в основу построения цифровых хронометров, частотомеров, сверхбыстродействующих цифровых вольтметров, цифровых измерителей индуктивности.
Метод замещения. Для его реализации необходимо иметь измерительный показывающий прибор и набор мер[adsense_id=»1″]
Метод косвенного измерения с многократным сравнением до полного уравновешивания исходных величин измерительного преобразователя с поочередным преобразованием ним измерения величины и выходной величины регулируемой меры.
Этот метод отличается от ранее рассмотренных тем, что сравнение искомой величины X с мерой N делают измерительным прибором, к входу которого в разное время поочередно подключают объект измерения и меры. Метод иногда называют также методом разновременного сравнения. Его широко используют при точных измерениях. Для его реализации необходимо иметь измерительный показывающий прибор и набор мер, или регулируемые меры, или масштабные ВП.
Измерение методом замещения проводят в два этапа с временным интервалом между ними. На первом этапе в момент времени t 1 до измерительного прибора подключают исследуемый объект и ФВ, что измеряется. Элементы памяти прибора запоминают значение ФВ, что измеряется (или показания стрелочного прибора) ๠.
На втором этапе измерений в момент времени t 2, к прибору подключают регулируемую меру или набор мер и изменением их суммарного значения или изменением значения коэффициента k добиваются равенства их суммарного действительного значения значению ФВ, что измеряется. Момент равенства фиксируется измерительным прибором, когда стрелка на его шкале устанавливается в исходное показания . В этом случае считают, что X = N∏ k или X = ∑Ν , А показания измерительного прибора a 1, которое оно не было по значению, не принимают во внимание. От измерительного прибора сравнения, применяемого в этом эксперименте, требуется наличие только кратковременной стабильности основных параметров. Поэтому для проведения данного эксперимента можно использовать прибор с повышенной чувствительностью и этим снизить отсчетным погрешность.
На основе описанных методов могут создаваться различные комбинированные методы. Рассмотрены методы используются чаще всего при проведении метрологических исследований, а также при измерениях с помощью автоматических ЗВ, в которых на основе вышеописанных методов создается алгоритм работы устройства.
Метод непосредственной оценки. Методом непосредственной оценки называют метод измерения с помощью ЗВ
[adsense_id=»1″]Рассмотренный ранее дифференциальный метод может перейти в метод непосредственной оценки, когда значение N = 0. В этом случае значение ΔX = X. С этого равенства следует, что все значения величины Х, измеряется, отчисляются по шкале прибора, определяющее ΔX . Методом непосредственной оценки называют метод измерения с помощью ЗВ, что на своем отсчетном устройства выдает все значения ФВ, что измеряется.
Снятие с отсчетного устройства всего значения ФВ, измеряемая, является преимуществом этого метода измерения перед другими методами. Метод непосредственной оценки также наименее трудоемкий и наиболее удобен в работе.
Приборы, реализующие метод непосредственной оценки, могут быть аналоговыми стрелочными и цифровыми. При проведении измерительного эксперимента с помощью аналоговых приборов является ФВ Х, измеряется, и измерительный стрелочный прибор, показывающий значение ФВ. На первый взгляд кажется, что в этом случае нарушено само понятие «измерение», потому что не делается сравнение ФВ с другой ФВ, принятой за единицу сравнения. В действительности это не так. И в этом случае делается такое сравнение, но разновременно.
При изготовлении прибора непосредственной оценки к его входу подключают меры, воспроизводящие ряд значений ФВ. Эти значения прибор «запоминает» с помощью шкалы или механизма и в процессе дальнейшей эксплуатации «хранит» эти значения в своей «памяти». Таким образом, при проведении измерений методом непосредственной оценки происходит сравнение величины Х, измеряется, с «запомненных» значениями единицы ФВ N. Эта операция очень близка к выше рассмотренного метода совпадения. При проведении измерений методом совпадения происходит одновременное сравнение ФВ, измеряемого с единицами ФВ. В методе непосредственной оценки, реализованном в стрелочном приборе, это осуществляется разновременно.
Разновременность сравнения, необходимость сохранять значения ФВ, делают стрелочные приборы самыми низкоточными ЗВ. Кроме того, все величины измеряются отсчитывается по шкале прибора, имеет ограниченную разрешающую способность и значительную отсчетным погрешность. Все это вносит погрешности в общую погрешность прибора. Следует отметить, что от этих недостатков свободны цифровые приборы.
Метод уравновешивания. Метод прямого измерения с многократным сравнением измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, которая регулируется, до их полного уравновешивания.
Если несколько видоизменить ход измерительного процесса при осуществлении дифференцированного метода измерений (рис. 1), то можно так подобрать суммарное одинарное значение мер или так их отрегулировать, что на выходе ВСП значения ΔX будет равен нулю. В этом случае дифференциальный метод переходит в метод уравновешивания, а измерительная система сравнения — компаратор ВСП — выполняет функции нуль-органа, задача которого фиксировать момент равенства Х = N clip_image012[1] k, когда ΔX = 0. Если при методе уравновешивания был использован только набор мер, то погрешность измерения искомого значения величины Х методом уравновешивания будет практически равна погрешности меры N. Этот метод сравнения имеет наивысшую точность. Нуль-орган практически не вносит погрешности в результаты сравнения. Если был применен еще и масштабный измерительный преобразователь (ОП), то его погрешность добавляется к погрешности меры N и их сумма определит погрешность измерения искомой величины. Примером метода уравновешивания является измерение электрического напряжения компенсатором постоянного тока. Компенсатор постоянного тока, с помощью которого реализуется метод уравновешивания, исследуется в лабораторной работе.
Схема компенсации напряжения изменением рабочего тока приведена на рис.2. Измеряемое напряжение U x компенсируется известным напряжением U k, получаемый в виде падения напряжения определенного рабочего тока I p на опоре R k, значение которого известно с нужной точностью. Изменяя рабочий ток I p учредительным сопротивлением R y, добиваются равенства измеряемой U x и компенсирующей U k напряжений. Момент равновесия характеризуется нулевыми показаниями гальванометра Г.
Рис.2. Схема компенсации напряжения изменением рабочего тока
Компенсационную напряжение U k = I p R k можно изменять также, изменяя сопротивление R k при неизменном рабочем токе. Схема компенсации напряжения изменением сопротивления резистора приведены на рис.3. Момент компенсации характеризуется нулевыми показаниями гальванометра Г.
Рис.3. Схема компенсации напряжения изменением сопротивления резистора
Широко применяемый метод уравновешивания реализуется с помощью мостовых и компенсационных схем. Компенсаторы могут быть постоянного и переменного тока. На рис. 4. приведена схема компенсаторы постоянного тока, который используется в работе и в котором сочетаются два выше рассмотренные схемы компенсации. Компенсатор используют для точного измерения напряжения до 1,2 В. Для измерения больших напряжений используют примерные делители напряжения. Путем косвенных измерений можно измерить ток, сопротивление и мощность.
Рис. 4. Схема компенсатора постоянного тока
Основными элементами схемы компенсатора являются: U x — измеряемое напряжение; Г — гальванометр; П — переключатель имеет три положения. «НЕ» (нормальный элемент), «Х» — измеряемое напряжение и среднее (нейтральное) положение; ЗБ — внешняя батарея; R рс — переменный резистор для установки рабочего тока, R — магазин сопротивлений; R 0 — образцовый сопротивление; Е Н — нормальный элемент источник ЭДС, значение которой известно с точностью до пятого знака после запятой. Значение ЭДС при температуре 20 о С E 20 указано в паспорте. Для нормального элемента, который используется в данной лабораторной работе E 20 = 1,01860 В.
При температуре, отличной от 20 ° С, ЭДС (В) определяют по формуле:
E t = E 20 — 40.6 — 10 -6 (t-20) — 0.95 — 10 -6 (t-20) 2 -0.01 — 10 -6 (t-20) 3 (1)
где E t, E 20 — ЭДС НЕ соответственно при температуре t и 20 о С.
Для того, чтобы рабочий ток не изменялся при изменении ЭДС НЕ, обусловленной отклонением температуры, необходимо изменять сопротивление образцового резистора R о. Для этой цели используют переменный резистор R t, т.е. R t служит для ввода поправки в примерный сопротивление при отклонении температуры от нормальной. Шкалу этого резистора градуируют в вольтах.
Проведение измерений состоит из двух этапов. Во-первых устанавливается определенное значение рабочего тока I р. Для этого переключатель П устанавливают в положение «НЕ» и, изменяя величину переменного резистора R рс, достигают нулевого показания гальванометра. В этом случае:
E t = U a б = I p (R o + R t), (2)
Рабочий ток в процессе последующих измерений не меняется. В этом случае происходит компенсация ЭДС нормального элемента спадом напряжения на опорах R o и R t путем изменения рабочего тока в соответствии со схемой на рис. 2.
Во-вторых, после установления рабочего тока переходят непосредственно к измерению U х. Для этого переключатель П устанавливают в положение «Х» и, изменяя сопротивление R, достигают нулевых показаний гальванометра. В этом случае U х равна разности потенциалов между точками б и в.[adsense_id=»1″]
Высокая точность измерений обусловлена тем, что E н и примерный сопротивление известны с высокой точностью. Точность компенсации зависит от чувствительности гальванометра, которая может быть достаточно большой. Так как рабочий ток для данного средства измерения величина постоянная, то напряжение U а б прямо пропорциональна r, что позволяет отградуировать магазин сопротивлений не в омах, а в вольтах.
Компенсатор смонтирован в деревянном ящике, на металлическую переднюю панель выведены все элементы управления и зажимы, расположение которых приведено на рис. 5.
Примечание: гальванометр находится у компенсаторов в отдельном корпусе.
Рис. 5. Передняя панель компенсаторы постоянного тока
1 — ручки декад магазина сопротивлений. Спад напряжения на каждой ступени декад соответственно равна: на 1 декаде 11.0 .16, на 2 декаде 9.0 .16, на 3 декаде 9.0 .016, на 4 декаде 9.0 .00016, на 5 декаде 10.0 .000016, 2 — зажим для подключения внешней батареи и нормального элемента 3 — кнопка «50000». При нажатой кнопке последовательно с гальванометром включается сопротивление 50000 Ом, защищающий гальванометр от больших токов при разбалансе, т.е. осуществляется грубая компенсации, 4 — кнопка «0». При нажатой кнопке гальванометр подключается непосредственно в схему. При этом осуществляется точная компенсация, 5 — кнопка «КО» накоротко переключает рамку гальванометра и служит для быстрого успокоения стрелки 6 — переключатель «П» имеет три положения — «НЕ», «Х» и среднее (нейтральное), 7 — ручка изменения сопротивления R t, 8 — ручки изменения сопротивления R PС для установки рабочего тока. 9 — зажимы для подключения гальванометра и напряжения, что измеряется.
На рис. 6. приведена схема лабораторного макета, который используется в лабораторной работе. На элементах Т, VD, C построен источник постоянного напряжения. Оно нагружено на последовательно включенные сопротивления R P1, R P2, R N и сопротивление R X (при измерении сопротивления). Сопротивление R N является образцовым с номиналом 10 Ом. Когда необходимо провести поверку миллиамперметр, к зажимам 1 и 2 подключается миллиамперметр, при измерении сопротивления в этих зажимов вместо миллиамперметр подсоединяется неизвестный сопротивление R X, который необходимо измерить.
Рис. 6. Структурная схема лабораторного стенда
В макет также встроен внешнюю батарею (ЗВ), которая используется в компенсаторе. Макет соединяется с компенсатором с помощью соединительных проводников. Зажимы внешней батареи и неизвестной напряжения подключается к соответствующим зажимам компенсатора.