Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения, страница 2

Виды измерений

Виды измерений определяются физическим характером из­меряемой величины, требуемой точностью и необходимой ско­ростью измерения, условиями измерений и пр. Можно выделить виды измерений в зависимости от их цели: контрольные, диагно­стические, лабораторные, технические, эталонные, поверочные, абсолютные, относительные и т.д. Ряд определений классифика­ции приведем здесь, другие — в процессе изложения материала.

По общим приемам получения результатов измерений они де­лятся на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Прямые — измерения, при которых значение физической ве­личины находится непосредственно из опытных данных. Прямые измерения характеризуют формулой

А=х, (1.4)

где х — значение величины, найденное путем ее измерения и на­зываемое результатом измерения.

Косвенным называют измерение, при котором искомое зна­чение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения можно охарактеризовать сле­дующей формулой:

A=f(x₁,x₂,... ,х_m), (1.5)

где х₁, х₂, ... , х_т — результаты прямых измерений величин, свя­занных функциональной зависимостью f с искомым значением измеряемой величины A.

К косвенным измерениям относится определение резонанс­ной частоты колебательного контура по результатам прямых изме­рений емкости и индуктивности и т.д.

Совокупными называют проводимые одновременно измере­ния нескольких одноименных величин, при которых их значения находят решением системы уравнений, получаемых при прямых или косвенных измерениях различных сочетаний этих величин.

Рис. 1.1. К методу совокупных измерений

При этом могут измеряться несколько комбинаций значе­ний величин. Например, из­меряя сопротивления R_ab, R_ac и R_bc между вершинами тре­угольника электрической це­пи, в котором соединены сопротивления резисторов R₁, R₂ и R₃ (рис. 1.1), и решая систему уравнений типа (1.5), можно определить искомые значения сопротивлений R₁, R₂

и R₃ методом совокупных

измерений:

R_ab=R₁(R₂+R₃)/(R₁+R₂+R₃);

R_ac=R₂(R₁+R₃)/(R₁+R₂+R₃); (1.6)

R_bc=R₃(R₁+R₂)/(R₁+R₂+R₃).

Совместными называют проводимые одновременно измере­ния двух или нескольких неодноименных величин для установле­ния зависимости между ними.

Как видно из определений, совокупные и совместные изме­рения весьма близки друг к другу. В обоих случаях искомые зна­чения находят в результате решения системы уравнений, коэффициенты в которых получены путем прямых измерений. Отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одно­временно определяют несколько одноименных величин, а при совместных — разноименных.

Наиболее известный пример совместных измерений — опре­деление зависимости сопротивления резистора от температуры:

R₁= R₂₀[1 + (t - 20) + (t - 20)²], (1.7)

где R₂₀ — сопротивление резистора при t = 20 °С; , — темпера­турные коэффициенты.

Для определения R₂₀,  и  вначале измеряют сопротивление R_t, резистора при, например, трех различных значениях температуры (t₁, t₂, t₃), а затем составляют систему из трех уравнений, по которой находят параметры R₂₀,  и  :

R_t1= R₂₀[1 + (t₁- 20) + (t₁- 20)²],

R_t2= R₂₀[1 + (t₂- 20) + (t₂- 20)²], (1.8)

R_t3= R₂₀[1 + (t₃- 20) + (t₃ - 20)²],

Косвенные, совместные и совокупные измерения объедине­ны общим свойством: их результаты рассчитывают по известным функциональным зависимостям между измеряемыми величинами и величинами, определяемыми прямыми измерениями. Различие между этими видами измерений заключается лишь в виде функ­циональной зависимости, используемой при расчетах. При косвен­ных измерениях она выражается одним уравнением в явном виде (1.6), при совместных и совокупных — системой неявных уравне­ний типа (1.8).

В зависимости от выражения результатов измерения делят на абсолютные и относительные.

Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях од­ной или нескольких величин с использованием значений физиче­ских констант. Результат абсолютного измерения непосредственно выражают в единицах измеряемой величины.

Относительные измерения — измерения соотношения вели­чины к одноименной величине, играющей роль единицы, или из­менения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

При относительных измерениях используют внесистемную безразмерную единицу — децибел (дБ), определяемую при сравне­нии напряжений (иногда токов) U₂ и U₁

1 дБ = 20lg(U₁/U₂), при U₂/U_X = ^101/20 =1,122,

а при сравнении мощностей Р₂ и Р₁

1 дБ = 10lg (Р₂/Р₁), при Р₂/Р₁ = 10^1/10 = 1,259.

Для перевода отношений мощностей и напряжений (токов) в децибелы и обратно применяют справочные таблицы.

Основные методы измерений

Конкретные методы измерений определяются видом изме­ряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых прово­дятся измерения, и рядом других признаков. Современные мето­ды измерений принято делить на метод непосредственной оценки и метод сравнения (рис. 1.2).

Метод непосредственной оценки

Нулевой

метод

Методы

и змерений

Метод

с равнения

Метод

замещения

Дифференциальный

метод

Рис. 1.2. Классификация методов измерения

При методе непосредственной оценки численное значение измеряемой физической величины определяют непосредственно по показанию измерительного прибора (например, измерение напряжения вольтметром, силы тока — амперметром). Быстрота процесса измерения методом непосредственной оценки делает его часто незаменимым на практике, хотя точность измерения обычно ограничена.

Метод сравнения — метод измерений, при котором измеряе­мую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Это может быть, например, измерение напряжения постоянного тока путем сравнения с ЭДС эталонного элемента. Приборы, реа­лизующие измерение по методу сравнения, называют измеритель­ными приборами сравнения. В отличие от приборов непосредственной оценки, удобных для получения оперативной информации, приборы сравнения обеспечивают большую точность измерений.

Различают следующие разновидности метода сравнения:

• нулевой метод, при котором действие измеряемой величины
  полностью уравновешивается образцовой;

• дифференциальный метод, когда измеряется разница между
  измеряемой величиной и близкой ей по значению известной эта­
  лонной (например, измерение электрического сопротивления ме­тодом неуравновешенного моста); этот метод сравнения
  используют тогда, когда практическое значение имеет отклоне­ние измеряемой величины от некоторого номинального значения
  (уход частоты, отклонение напряжения и т.д.);

• метод замещения, при котором действие измеряемой вели­
  чины замещается образцовой.

Нулевой метод обеспечивает наибольшую точность измерений физической величины. Его разновидностями являются:

• компенсационный метод, при котором действие измеряемой
  величины компенсируется (уравновешивается) образцовой;

• мостовой метод, когда достигают нулевого значения тока в
  измерительной диагонали моста, в которую включается чувстви­тельный индикаторный прибор (обычно нуль-индикатор).

По способу преобразования измеряемой ве­личины и форме представления результата изме­рения делятся на аналоговые и цифровые.

При аналоговых измерениях измерительный прибор непре­рывно преобразует измеряемую величину, результатом которого является перемещение указателя относительно шкалы. Заключе­ние о численном значении величины делает оператор, отмечая положение указателя относительно отметок шкалы прибора.

В случае цифровых измерений сравнение физической вели­чины с рядом образцовых значений осуществляется в приборе автоматически, оператор же получает численное значение изме­ренной величины в цифровой форме.

По характеру изменения измеряемой физи­ческой величины во времени различают статический и ди­намический режимы измерений.

Статический режим измерений — режим, при котором сред­ство измерений работает в статическом режиме, при этом выход­ной сигнал остается неизменным в течение времени его исследования или меняется очень медленно.

Динамический режим измерений — режим, результатом ко­торого является функциональная зависимость измеряемой вели­чины от времени, т.е. когда выходной сигнал изменяется во времени в соответствии с изменением во времени измеряемой величины. Итак, динамические измерения применяют для изме­рения параметров величин, имеющих зависимость от времени. Пример динамического измерения — определение мгновенных значений сигналов в течение какого-либо интервала времени.

В зависимости от метода измерения и свойств применяемых средств измерений, все виды измерений могут выполняться либо с однократными, либо с многократными наблюдениями.

Наблюдением называют единичную экспериментальную операцию, итог которой —результат наблюдения — всегда име­ет случайный характер и представляет собой одно из значений измеряемой величины, подлежащей совместной обработке для получения результата измерения.

На практике многократные наблюдения при прямых измере­ниях осуществляются одним экспериментатором, в одинаковых условиях и с помощью одного и того же средства измерения. Такие измерения называют равноточными. При равноточных измерениях предполагают, что дисперсии или средние квадратические откло­нения (СКО) результатов всего ряда измерений равны между собой.

Однако часто необходимо определить наиболее точную оценку измеряемой величины на основании результатов наблю­дений, полученных разными экспериментаторами, в разных усло­виях, с применением разных методов и средств измерения. Результаты таких наблюдений имеют различную точность, и их относят к неравноточным.

По необходимой точности оценки погрешности измерений делят на следующие виды: высшей точности (преци­зионные); технические измерения, в которых погрешность резуль­тата определяют характеристиками средств измерений, регламентированными условиями измерений, и оценивают до про­ведения измерений; контрольно-поверочные, погрешность которых не должна превышать некоторых заранее заданных значений.