Классификация методов измерений

Методы измерений

Методы прямого измерения

Методы сравнения с мерой

I II III

Ом

A

В

1 2 3 4 5 ₇ 6

и другие…

МПИ - это когда значение измеряемой

величины определяют непосредственно

по отсчётному прибору прямого

преобразования, шкала которого была

заранее градуирована с помощью

многозначной меры, воспроизводящей

известные значения измеряемой величины.

Методы сравнения с мерой

Это когда производится сравнение измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой.

I. Непосредственное сравнение

Одной природы (в каждом)

Сравнение измеряемой величины

и образца производится Образец хорошо

«без посредников» X = ? известного X₀ - variable

с высокой точностью

Выход (результат сравнения)

На вход сравнивающего устройства (СУ) подается измеряемая величина, которая сравнивается с образцовой. Причём об измеряемой величине судят по значению образцовой.

Пример:

Магазин сопротивлений R₀ -var

X₀ Магазин ёмкостей С₀ -var

Магазин индуктивностей L₀ –var

Также это может быть:

X₀ → f₀ (образцовая частота)

X₀ → U₀ (образцовоепостоянное напряжение)

II. Опосредованное сравнение

П

X = ? X* X₀ - var

В данном случае входная

Преобразователь величина проходит через

Выход преобразователь.

III. Одновременное сравнение

X = ? X₀ - var

t₁ t₁

Выход

IV. Разновременное сравнение X = ? X -var

t₁ t₂

Выход

Пример:

Классическим представлением разновременного сравнения является метод замещения

Ом

+

Метод непосредственного

-

X = R = ? измерения

0 10 кОм 100 кОм ∞

X_П

Померили сопротивление, получили нечто неопределённое между десятью килоомами и ста килоомами, поставили в этом месте на шкале точку.
И вот здесь-то нам и пригодится метод сравнения.

П

Ом

R_X R₀ обр

где R₀ – это магазин сопротивлений, П – переключатель (ключ).

Магазин сопротивлений – это прибор при помощи которого в цепь гальванического тока можно ввести любой величины сопротивление току. Выглядит этот прибор как ящик со множеством резисторов внутри. С помощью верньеров на лицевой панели прибора можно выставить любое интересующее нас сопротивление.

x1000

x100

x10

x1

Каждая черточка на круге (верньере) магазина сопротивлений – число от нуля до десяти. Таким образом, настраивая ручки можно добиться любого возможного целого сопротивления (здесь – целого, а вообще на магазинах есть и десятые доли и сотые доли Ома).

Мы начинаем крутить сопротивления и проверять подходит ли сопротивление магазина нашему померенному сопротивлению (помним, у нас на шкале стоит точка между десятью и ста килоомаи). Когда совпало – всё - замечательно, мы нашли сопротивление R-элемента в схеме.

V. Метод совпадения

В методе совпадений об измеряемой величине судят по совпадению отметки от измеряемой величины и от образцовой.

Пример пирометра:

t_{ВЫПЛАВЛЕНИЯ} = ?

Есть расплавленное тело. Чтобы узнать, нагрелось ли это тело до необходимой для, например, выплавки стали, температуры, её, эту температуру, необходимо измерить. Термометром не померишь ибо, когда дело доходит до нескольких тысяч градусов – термометр расплавится, термопарой тоже не померишь – она привариться к стенкам чана. Тогда придумали вот что: берут нить накала и, с помощью оптики, проецируют её на расплавленное тело. Если температура тела и раскалённой нити одинакова (читай: тело нагрелось до оптимальной температуры), нить будет не видна.

А

Расплавленное тело

I

t₀

Нить накала

t₀ = t_X

0 I

VI. Нулевой метод

X = ? X₀-var

Результат ΔX=0

Это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Устройство с помощью которого определяется равенство нулю указанной разности, называется нуль-индикатором.

Пример 1. Потенциометр (компенсатор) постоянного тока

П

Прибор предназначен для высокоточного измерения постоянных напряжений и является единственным прибором для измерения ЭДС. Обобщённая схема компенсатора представлена на рисунке.

-

+

UX = ?

-

+

E0

IСУ

Контур 2

Контур 1

С У

U0*

R0

RX

U0

-

+

IРТ

IРТ

EВСП

RРТ

U_X – измеряемое напряжение

E₀ – образцовый нормальный элемент, ЭДС которого известна точно

U₀ – образцовое напряжение

R₀ – образцовое сопротивление

R_X – переменное образцовое сопротивление, чья шкала проградуирована в единицах измеряемой величины

E_ВСП – вспомогательная батарея

R_PT – переменное сопротивление для установки рабочего тока

СУ – сравнивающее устройство (но, вообще это, скорее, нуль-индикатор). В качестве нуль-индикатора используется гальванометр, обладающий высокой чувствительностью (способностью реагировать на очень малые токи)

Алгоритм измерения E_X заключается в следующем. Устанавливаем значение рабочего тока, для чего переключатель П переводят в положение 1 (контур 1 называется контур сравнения), а сопротивление R_РТ изменяют до тех пор, пока СУ не покажет отсутствие тока, тогда .

Затем, переключатель П переводят в положение 2 (контур 2 – тоже называется контуром сравнения) и, перемещая контакт на R_X, добиваются отсутствия тока в гальванометре (на нуль-индикаторе). В этом случае , где I – значение рабочего тока, установленного ранее, т.е. окончательно можно записать:

Точность установления компенсации, а следовательно, и точность измерения компенсатором зависят от чувствительности потенциометра. Чувствительность потенциометра:

где - чувствительность схемы компенсатора; - чувствительность гальванометра; – приращение тока в цепи гальванометра, вызванное изменением E_X на Δ E_X.

Следует учесть, что является переменной величиной, зависящей от сопротивления входной цепи, и в том числе от сопротивления источника измеряемой ЭДС.

Высокая точность измерения компенсатором обусловлена высокой чувствительностью применяемого гальванометра, высокой точностью нормального элемента (E₀) и резисторов, а также высокой стабильностью вспомогательного источника питания.

Достоинством компенсатора является также то, что в момент компенсации не потребляется мощность от источника измеряемой величины. Именно поэтому с помощью компенсатора можно измерять ЭДС.

Лекция 5

Пример 2

Потенциометр переменного тока. Предназначен для измерения напряжения с достаточно высокой точностью.

Идея:

U_X = U_mX ∙ sin(𝝎t)

a) U_X U_XY U_X

180^o U_{0(K)X 90}^о U_XX

U₀ компенсационное U_0(K) U_0(K)Y

напряжение

Рассмотрим двухкоординатный потенциометр переменного тока.

Пример 1:

Нулевой метод

RI

A

U

~

RKX

U_0KY M

НИ

~U_X

I_HИ R_KY I₂

U_0KY R_f

R_KX и R_KY – переменные высокоточные сопротивления

M – катушка взаимной индуктивности

R_f – вносит поправку на частоту

НИ – нуль-индикатор

Работа:

1) Выставляем ток I₁ равным (неразборчиво…)

U_0KX = R_KX*∙I₁

2) Ф

I2 = (j ∙ 𝝎 ∙ M ∙ I₁)/(R_KY + R_f)

M I₁

Угол между I₁ и I₂ равен девяноста градусам.

U_0KY = I₂ ∙ R_KY*

3)

U_0KY U_0KX = 90^o

Попеременно регулируя R_KX и R_KY добиваемся тока через индуктор равного нулю.

^φ_x = arctg

Замечание;

Что будет, если U_X будет не синусоидальной, а например, такой:

искаженная синусоида

Всё просто: рассматриваем ещё несколько гармоник, кроме первой.

Пример 2:

Одинарный мост постоянного тока. Предназначен для высокоточного измерения сопротивлений от 10 Ом до 10⁵ Ом.

Определение

Мост – схема имеющая не менее двух диагоналей.

в R_i – сопротивления плеч (диагоналей) моста

R₁ R₂ I₁ НИ – нуль-индикатор

НИ

а б Стрелка по ветви НИ - I_m

Обычно, в таких схемах

R₄ R₃ третье и четвёртое сопротивление

+

-

г I₂ являются образцовыми и постоянными.

U_пит

Положение

Мост в равновесии, тогда и только тогда, когда I_НИ = 0.

Когда же это возможно?

R_НИ → ∞ (ну, или, по крайней мере, очень велико)

Ток I_НИ = 0, если U_R1 = U_R4 Þ R₁∙R₃=R₂∙R₄ *

Выражение (_*) называется условием равновесия моста.

Вместо R₁ - R_X = ?

Добиваемся, чтобы I_HИ было равно или стремилось к нулю.

R₁ = R_X R₂ Для этого

Плечо сравнения

НИ

R₂ - variable

Плечо отношения

Если I_НИ =0, то R_X = R₁ = R₂ ∙ **

R₄ R₃ R₂, R₃, R₄ – известны с высокой точностью

+

-

U_ист Условие равновесия зависит от напряжения питания.

Примечание

1) U_ПИТ - variable ↓

2) R_X (определяется) 100 Ом

Rпровода + RК

Существуют специальные мосты для измерения малых сопротивлений.

R_X = ? → 0

R_{ПРОВОДА} – сопротивление провода

Rпровода + RК

НИ

R_К – сопротивление контакта R₂

Поскольку искомое R_X мало,

сопротивление провода

и сопротивление контакта R₄ R₃

-

+

могут испортить общую картину измерений. U_ПИТ

***

В этом примере имеют влияние сопротивление контактов и проводов. На точность контакта влияет сопротивление изоляции.