Классификация методов измерений
Методы измерений различают по различным признакам [1]:
1) по сравнению величины с единицей ─ прямые и косвенные;
2) по характеру изменения измеряемой величины во времени ─ статические и динамические;
3) по форме представления измеряемой величины ─ аналоговые и цифровые;
4) по отбору отчетов во времени ─ непрерывные и дискретные,
5) по взаимодействию с объектами измерений ─ контактные и бесконтактные.
Классификация методов, основанная на признаках сравнения измеряемой величины с единицей, воспроизводимой соответствующей мерой, представлена на рисунке 1. В ней отражены, главным образом, прямые методы [1, 2].
Прямые и косвенные методы измерения
При использовании прямого метода измерений искомое значение физической величины получают непосредственным сравнением ее с единицей.
При косвенном методе измерений искомое значение физической величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных и искомой величиной. Примером может служить измерение объема V цилиндрической детали по результатам измерений ее длины l и диаметра. К косвенным измерениям можно отнести и определение среднего значения искомой величины, например, средних значений тех же длины и диаметра, измеренных прямым методом.
Для косвенных измерений характерно использование закона распределения погрешностей с целью определения достоверности результатов измерений. Этот закон применяют в тех случаях, когда входная величина xi представляет собой среднее значение для объема выборки и достоверность результатов измерений определяют на основе измеренных данных, а также тогда, когда xi есть результат одиночного измерения, достоверность которого определяют по доверительному интервалу погрешности используемого средства измерений. При этом все слагаемые подкоренного выражения должны иметь одинаковую статистическую достоверность.
Рисунок 1 ─ Классификация методов измерений, основанная на признаках
сравнения измеряемой величины с единицей,
воспроизводимой соответствующей мерой
При анализе погрешностей косвенных измерений необходимо учитывать, насколько точна используемая математическая модель, отражающая функциональную зависимость искомой величины от других связанных с ней величин. Так, в приведенном выше примере определения объема цилиндрической детали из-за неточности ее обработки диаметр в различных сечениях может изменяться случайным образом. Поэтому сечение детали может лишь аппроксимироваться кругом.
Метод отклонения
Метод отклонения (непосредственного отсчета) основан на том, что измеряемая (входная) величина вызывает отклонение выходной величины либо непосредственно, либо после преобразования в промежуточную величину (промежуточное отображение).
Отсутствие источников вспомогательной энергии указывает на то, что необходимая для процесса измерения энергия отбирается от объекта измерений (таблица 1). При этом неизбежно возникновение взаимных воздействий между объектом и средством измерений [1].
Дифференциальный метод
Характерной особенностью дифференциальных методов является то, что измеряемая или отображающая ее величина сравнивается с однородной (родственной ей) величиной − величиной сравнения. Если величина сравнения имеет известное постоянное значение, то выходная величина равна разности значений измеряемой величины и величины сравнения, и метод оказывается чисто разностным. Его используют, в частности, при проверке мер, например мер длины, сравнением с образцовой мерой на компараторе. При этом значения величин, воспроизводимых мерами, незначительно отличаются друг от друга.
Таблица 1 ─ Основные особенности методов измерений
| Отклонения | Разностный | Компенсационный | |
| Принцип реализации | Непосредственное получение результата, xa=Kpxe | Определяется разность между измеряемой величиной xe (либо ее отобржением xb) и постоянной величиной сравения xv, xa=Kpv(xe-xv)=KpvD(x) | Минимизируется раность между измеряемой величиной xe (или ее отображением xb) и уравновешивающей величиной xk путем изменения xk,, xa=KpKxk при Dx= xa- xk , Dx 0 |
| Потребность во вспомогательной энергии | Не требуется | Требуется для формирования и поддержания xv | Требуется для действия цепи регулирования и формирования xK . Соответствует значению xb в уравновешивающем состоянии |
| Воздействие на объект измерений | Существует | Существует | При уравновешивании становится весьма малым |
| Преимущества | Относительная простота, не требуется источник вспомогательной энергии, высокая надежность, низкая стоимость. | Компенсация шумов, относительно высокая чувствительность, удобство контроля за величиной сравнения. | Высокая точность, возможность автоматической коррекции погрешностей, возможность представления выходной величины в различных формах. |
| Недостатки | Низкая точность, подверженность внешним воздействиям. | Дополнительная погрешность при изменениях величины сравнения | Сравнительно высокие затраты на реализацию и дополнительную погрешность, обусловленная возможной нестабильностью уравновешивающей величины или неточностью ее контроля. |
В измерительной технике широко распространена другая модификация дифференциальных методов ─ компенсационный или метод уравновешивания. Он заключается в том, что изменением величины сравнения разность между значениями этой величины и величины, отображающей измеряемую, сводится к нулю. При этом значение измеряемой величины соответствует установленному при уравновешивании значению величины сравнения. Последнюю обычно называют компенсирующей или уравновешивающей величиной. Уравновешивание может быть следующим, при котором, в отличие от циклического уравновешивания, значение уравновешивающей величины перед каждым отсчетом не задают определенным (например, максимальным или нулевым), а оно «следует» за изменением измеряемой величины от отсчета к отсчету.
Компенсационный метод может быть реализован как изменением уравновешивающего напряжения, так и дополнением измеряемой величины однородной ей величиной до опорной величины, значение которой равно приделу измерений.
Метод отношений
Методом отношений определяют отношение измеряемой величины к величине сравнения. Изменением значений последней можно свести это отношение к единице, т.е. к равенству обеих величин.
Метод замещения
При методе замещения измеряемая величина замещается однородной ей величиной, воспроизводимой мерой. Примером реализации метода может служить измерение емкости Cx конденсатора путем включения его в колебательный контур генератора. Изменением частоты напряжения на контуре достигают резонанса, а затем вместо измеряемого конденсатора включают образцовый конденсатор с известной переменной емкостью, настройкой которого вновь добиваются резонанса. По шкале образцового конденсатора при резонансе определяют его емкость, которая равна Cx.