Измерение как физический процесс

Измерение любой физической величины – это эксперимент, который включает в себя
следующие процедуры:

- выделение измеряемой физической величины из многих других, в том числе и одноимённых (например, шум или помеха), присущих объекту измерения и окружающим телам;

- преобразование измеряемой физической величины в другую, связанную с первой однозначно;

- сравнение измеряемой физической величины с мерой.

Для каждой из этих процедур используются соответствующие методы и средства. Объект измерения, средство измерения, окружающая среда и наблюдатель образуют единую физическую систему, между элементами которой имеют место взаимодействия и обмен энергией (см. рисунок).

Если измеряемая физическая величина пассивная (объект измерения – параметрического типа, например, резистор и его сопротивление), то для её измерения в объект требуется ввести энергию (создать электрическое поле, пропустить ток и т.д.) и свести измерения измеряемого параметра к изменению другого.

Если измеряемая физическая величина активная (объект измерения – генераторного типа, например, источник э.д.с. и его разность потенциалов), то в процессе измерения может быть использована часть энергии самого объекта.

Работа самого СИ и индикаторных устройств также сопровождается потреблением и выделением энергии. СИ представляет собой совокупность пассивных и активных материальных объектов и источников энергии, взаимодействующих между собой.

Вся описанная совокупность взаимодействий приводит к тому, что сигналы, несущие информацию об измеряемой физической величине, ”обрастают” дополнительными составляющими или искажаются. Эти дополнения и искажения, наряду с методическими погрешностями, приводят к инструментальным систематическим и случайным погрешностям измерений.

Методы измерений как методы сравнения с мерой

Это еще одна возможная классификация методов измерений – одна из самых важных, поскольку, по существу, процесс измерения, в конечном счете, сводится к сравнению измеряемой физической величины с мерой. В метрологии методы измерений делят на два вида:

- метод непосредственной оценки;

- метод сравнения с мерой.

Это – крайне неудачные методов названия, поскольку любые измерения, так или иначе, сводятся к сравнению значения физической величины с мерой. В приведенной ниже классификации основное внимание уделяется именно принципам, используемым при сравнении ФВ с мерой.

Методы прямого сравнения

С мерой сравнивается вся физическая величина или величина ей пропорциональная. При этом мера «заложена» в измерительный прибор, чаще всего в виде шкалы.

Функциональная блок-схема метода

Существует несколько реализаций данного метода:

Метод непосредственной оценки

Это – простейший метод измерений, когда измеряемая физическая величина сравнивается с однородной мерой непосредственно (без преобразования).

Пример. Измерение длины с помощью линейки.

1.2. Метод прямого преобразования

В этом методе вся измеряемая физическая величина сравнивается с мерой после прямого преобразования в последовательной измерительной цепи.

Пример 1. Взвешивание груза с помощью пружинных весов. Здесь масса груза преобразуется в угол поворота стрелки весов.

Пример 2. Измерение тока в участке цепи с помощью амперметра. Здесь ток преобразуется в угол поворота стрелки амперметра.

Метод замещения

Это – метод прямого преобразования, который выполняется в 2 этапа.

Пример. Взвешивание груза.

На этапе 1 груз подвешивается к пружине и делается отметка на стойке.

На этапе 2 груз заменяют на изменяемую меру (набор гирь), пока показания не сравняются с отметкой. Основное достоинство этого метода – сводится к минимуму систематическая погрешность прибора.

2. Методы масштабного преобразования

В данном методе измерение происходит с усилением (умножением) или с ослаблением делением измеряемой величины или сигнала в процессе прямого преобразования. Здесь можно выделить несколько характерных реализаций:

Метод шунтирования

Пример. Измерение тока в участке цепи с помощью шунтированного амперметра. Показания амперметра I _A связаны с измеряемым током I_Х соотношением

2.2. Метод следящего уравновешивания

Отличительной особенностью этого метода является наличие цепи отрицательной обратной связи (β - цепь), охватывающей цепь прямого преобразования (К - цепь). Благодаря этому на вход измерительного прибора поступает не весь измеряемый сигнал, а лишь его часть, пропорциональная исходному сигналу.

Коэффициент преобразования прямой цепи К обычно называют коэффициентом усиления; коэффициент обратного преобразователя обычно обозначают через b.

Из функциональной блок-схемы следует: I=К ×Δ х, х _оп=β× I, Δ х = х - х _оп. Отсюда найдем .

Эта схема может использоваться для измерения постоянных и переменных сигналов, измерения электрических и неэлектрических величин неэлектрическими методами. Мера в этой схеме находится в измерительном приборе (измерительная шкала).

Пример. Простейший пример реализации – измерение напряжения с помощью усилителя постоянного тока (УПТ).

В этой схеме значение сопротивления R _ос соответствует коэффициенту обратной связи b. Коэффициент усиления K усилителя соответствует коэффициенту преобразования прямой цепи.

Здесь I=K Δ U, Δ U = U _x– IR _oc. В этой схеме обычно Δ U << U _x. Ток, измеряемый амперметром, пропорционален искомому напряжению: .

Мостовой метод

Этот метод широко используется для измерения пассивных физических величин (объектов параметрического вида: сопротивление, индуктивность, ёмкость и т.д.), а также в системах регулирования. В этом методе изменение измеряемой ФВ преобразуется в изменение электрического сопротивления R_x, которое и измеряют в данном методе.

Ток через измерительный прибор (см. схему) можно вычислить по формуле

.

Зная ток и сопротивления трех резисторов, можно найти неизвестное сопротивление. При выполнении равенства R _x R ₄= R ₂ R ₃ ток через измерительный прибор становится равным нулю. В этом случае мост считают уравновешенным. Измерительный прибор тогда становится индикатором равновесия.

Если мост питается переменным напряжением и резисторы содержат реактивные элементы (емкости и индуктивности), показанные на рис., то условие равновесия моста записывается в виде Z_хZ₄=Z₂Z₃. Здесь Z – комплексное число. Поэтому условие равновесия моста сводится к выполнению двух условий: для модулей Z и для фаз: |Z_X||Z₄|=|Z₂||Z₃|, φ_X+φ₄=φ₂+φ₃.

Резисторы, образующие мост и имеющие сопротивление Z, могут представлять собой сложные цепи, содержащие активные и реактивные элементы, например такие:

Однако, даже в случае равновесия моста, ток через измеряемый резистор не равен нулю. Погрешность данного метода зависит от погрешности, с которой известны сопротивления резисторов, а также от погрешности измерительного прибора или индикатора равновесия.

Разностный метод

Данный метод позволяет уменьшить сигнал на входе измерительного прибора и, тем самым, увеличить их точность за счет уменьшения мультипликативной погрешности. Это – один из наиболее точных методов. Здесь часть измеряемого сигнала компенсируется однородным сигналом, обеспечиваемого мерой.

Здесь мера формирует опорный сигнал – х _оп тоже физической природы, что и сигнал х.

Пример 1. Взвешивание груза. Вес груза частично компенсируется весом гири. В результате стрелка отклоняется на малый угол.

Пример 2. Измерение ЭДС источника напряжения.

В этой схеме микроамперметр измеряет ток, пропорциональный разности между напряжением V и напряжением на делителе, образованном резисторами R ₁ и R ₂, питаемыми источником опорного тока или опорного напряжения, который и
является мерой (вместе с резисторами R ₁ и R ₂).

Нулевые методы

Разностный метод называется нулевыми или компенсационным, в случае полной компенсации, т.е. если разность Δ х = х-х _оп=0. Достоинством нулевых методов является то, что в ряде случаев полная компенсация измеряемого сигнала (например, тока) может осуществляться не только на входе измерительного прибора, но и в объекте измерения. В этом случае от объекта измерения не отнимается энергия, необходимая для измерения и взаимодействие СИ и ОИ практически отсутствует.

Это легко видеть в рассмотренном выше примере измерения ЭДС. Если ток через микроамперметр равен нулю, тогда и ток через источник ЭДС равен нулю. В этом случае падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника и резисторе R ₂ равны нулю и вольтметр измеряет именно ЭДС источника.