Проведение какого-либо физического экспериментального исследования немыслимо без наличия совершенной измерительной методики. Подчас разработка такой методики представляет собой основную трудность всей работы в целом и может дать сама по себе плодотворные результаты.
Результат измерения можно получить разными путями, используя разные методы, приемы и их комбинации. Поэтому прежде всего надо познакомиться с основными определениями и понятиями измерительной техники и с классификацией методов электрических измерений.
Таких классификаций может быть построено много и какой-либо общепризнанной нет. Поэтому мы рассмотрим один из возможных вариантов — на примере мостовых и компенсационных методов электрических измерений.
Что такое метод измерения
Прежде чем пытаться установить основные пункты классификации, необходимо, естественно, отчетливо определить главнейшие этапы того, что мы будем называть измерением. Для этой цели обратимся к определению измерения.
Примем по профессору М. Ф. Маликову следующее определение: "Измерение есть познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу".
Мы вправе различать два самостоятельных понятия:
- цель измерения (искомый параметр), т. е. та основная величина, определение которой в конечном счете является задачей всего исследования,
- объект измерения (измеряемый параметр), т. е. поддающаяся непосредственному измерению вспомогательная величина, не играющая самостоятельной роли и служащая только для последующего определения искомого параметра.
Условимся также, что, исходя из приведенного выше определения измерения, мы будем различать еще три понятия:
- измерение,
- измерительный процесс,
- метод измерения.
При этом будем подразумевать под измерением весь познавательный процесс в целом, со всеми его элементами; под измерительным процессом — процесс проведения эксперимента сравнения независима от способа его проведения и, наконец, под методом измерения — способ выполнения физического эксперимента сравнения, характеризующийся некоторой определенной схемой, аппаратурой, экспериментальными приемами (техникой измерения) и пр.
Очевидно, что понятие о методе измерения представляет собой дальнейшее развитие и детализацию более общего понятия измерительного процесса.
Отличие понятий "измерения" и "измерительный процесс"
На первый взгляд может показаться, что измерение и измерительный процесс — понятия совпадающие. Однако, хотя это справедливо лишь в некоторых частных случаях, в общем случае это — не так. Далеко не каждый интересующий нас параметр как цель измерений может быть непосредственно измерен.
Вследствие этого цель измерения и непосредственный объект измерения в общем случае различны, что определяет разницу между измерением и измерительным процессом.
Измерение начинается с установления цели измерения (искомого параметра). Затем на основании анализа характера этого параметра устанавливается непосредственный объект измерения (измеряемый параметр).
При помощи измерительного процесса далее получается результат наблюдения (отсчет) и, наконец, после соответствующей математической обработки (если в этом есть нужда) — окончательный результат измерения.
Таким образом, измерение в общем начинается установлением цели и оканчивается получением результата, включая в качестве составной части измерительный процесс, который в свою очередь начинается с установления объекта измерений и кончается результатом наблюдения (отсчетом).
В отдельных частных случаях, когда цель и объект измерения (искомый и измерительный параметры) совпадают, понятия измерения и измерительного процесса также формально совпадают.
Измерительный мост Томсона (просто в качестве иллюстрации к статье)
Виды измерений
Известно, что в зависимости от характера физической связи между искомым и измеряемым параметрами различают три вида измерений:
- прямые измерения,
- косвенные измерения,
- совокупные измерения.
В качестве примеров укажем на прямое измерение сопротивления четырехплечих мостов, косвенное измерение удельного сопротивления (на основании непосредственного измерения сопротивления и геометрических размеров) и совокупное измерение температурного коэффициента сопротивления (на основании ряда непосредственных измерений сопротивления образца при разных температурах).
Элементы, факторы и классификационные признаки измерительного процесса
Перейдем теперь к анализу измерительного процесса и классификации методов измерения.
Любое измерение не может быть произведено без сравнения при помощи специального физического эксперимента измеряемой величины с образцовой мерой. При этом может применяться та или иная методика эксперимента (техника измерения).
Итак, измерительный процесс в явной или неявной форме содержит следующие элементы и факторы:
- измеряемый параметр;
- образцовая мера;
- аппаратура сравнения (измерительный прибор или установка);
- техника измерения.
На основании этого перечня можно наметить следующие три классификационных признака измерительного процесса:
- по способу сравнения с образцовой мерой;
- по способу проведения физического эксперимента сравнения ("метод измерения" в узком смысле);
- по технике измерения.
Посмотрим теперь, какие классификационные группы можно наметить, исходя из этих признаков.
Измерительный мост Уитстона (в качестве иллюстрации к статье)
Классификация методов измерений по способу сравнения с образцовой мерой
Способ сравнения с образцовой мерой прежде всего можно представить себе в двух основных вариантах.
По первому варианту — мера всегда присутствует и непрерывно принимает участие в работе, являясь объектом непосредственного сравнения. Назовем этот способ способом одновременного сравнения.
По другому варианту непрерывное наличие меры необязательно: она применяется только время от времени для градуировки, поверки или контроля результата в сомнительных случаях. Назовем это способом разновременного сравнения.
Каждая из этих групп в свою очередь может быть разбита на две подгруппы.
При способе одновременного сравнения можно представить себе случай, когда вся мера целиком прямо сравнивается со всей же измеряемой величиной. Назовем это способом прямого одновременного сравнения.
В некоторых случаях измерительной практики такой прием оказывается неудобным. Например, иногда бывает, что сама по себе измеряемая величина неудобна для сравнения по своему значению — слишком велика или слишком мала.
В таких случаях бывает рационально отказаться от метода прямого сравнения и объединить измеряемую величину и образцовую меру в одну группу, измеряя при помощи второй образцовой меры суммарный (в алгебраическом смысле) результат для всей группы в целом.
Следовательно, в этом случае необходимо одновременное наличие не менее чем двух образцовых мер. Искомая величина вычисляется по непосредственному результату измерения и по известной мере, входящей в группу.
В качестве примера укажем измерение больших емкостей путем последовательного соединения с образцовой емкостью или, наоборот, малых емкостей, подключаемых параллельно. Тот же прием возможен для группировки сопротивлений и пр.
Этот метод часто применяют и в тех случаях, когда по абсолютной величине измеряемый параметр не выходит из нормы, но желательно понизить погрешность измерения.
Такое понижение легко достигается, если объект измерения по характеру является направленным, например э. д. с, напряжение и т. д. Тогда, группируя его с образцовой мерой противоположно по знаку, мы в итоге для группы получаем разность значений.
Легко видеть, что если эта разность невелика, то погрешность в ее определении мало влияет на результат, качество которого в основном определяется качеством образцовой меры.
Такой прием (называемый дифференциальным методом) очень распространен при поверке измерительных трансформаторов, нормальных элементов и пр.
Наконец, может представиться случай, когда желательно в известной степени изменить характер измеряемого объекта.
Например, непосредственное измерение индуктивности на емкостном мостике невозможно из-за расхождения фазовых углов. Однако если эту индуктивность соединить с образцовой емкостью так, чтобы результирующий фазовый угол всей группы был отрицателен, то тогда измерение (и последующее вычисление индуктивности) вполне возможно.
Разновидностью этого метода являются резонансные методы. Вне зависимости от вариантов назовем это способом комбинированного (группового) сравнения.
В свою очередь способ разновременного сравнения может быть представлен в двух крайних вариантах.
По первому варианту образец в сущности непрерывно участвует в работе, но не путем прямого сравнения, а путем замещения объекта измерения с последующей регулировкой схемы на прежнее состояние при помощи самой образцовой меры, которая в этом случае обязательно должна быть с переменным значением.
Это очень распространенный прием, аналогичный классическому взвешиванию на неверных весах, применяемый тогда, когда правильность работы самой измерительной установки почему-либо внушает опасения. Назовем этот прием способом разновременного сравнения подстановкой.
Второй крайний случай, когда образцовая мера вообще отсутствует и никакого участия непосредственно в измерениях не принимает, применяясь только для градуировки и поверки. Назовем это способом разновременного сравнения градуировкой.
К этой группе, естественно, относятся, например, измерительные приборы с непосредственным отсчетом. Таковы, по нашему мнению, четыре, основные классификационные группы по признаку способа сравнения с образцовой мерой. Возможно и более мелкое деление, однако вряд ли оно необходимо.
Классификация по методу проведения физического эксперимента
Перейдем теперь к рассмотрению второго признака — метода проведения физического эксперимента. Как было оговорено раньше, мы будем рассматривать только два метода измерения — мостовой и компенсационный.
Под мостовым методом мы будем понимать метод, основанный на измерении (или приведении к нулю) разности двух падений напряжений, созданных одним источником питания в электрической цепи, состоящей по крайней мере из двух параллельных ветвей.
Для этого метода характерно, что при равновесии (квазиравновесии) результат измерения не зависит от величины питающего напряжения.
Под компенсационным методом мы подразумеваем метод, основанный на измерении (или приведении к нулю) разности двух независимых, самостоятельных падении напряжении созданных разными источниками питания.
В этом случае результат измерения даже и в случае равновесия будет зависеть от значений питающих напряжений. Так как мост имеет только один источник напряжения, он и пригоден для измерения параметров цепи, а также токов и напряжений при использовании функциональных связей между ними и параметрами цепи.
Компенсационный метод может быть использован в силу своих особенностей для прямых измерений э. д. с, напряжений, токов и косвенно параметров цепи.
Классификация методов измерений по технике измерения
Перейдем, наконец, к обсуждению третьего и последнего классификационного признака — техники измерения. Здесь возможно разделение методов измерений на четыре группы:
- по способу управления — с автоматическим управлением и с ручным управлением;
- по способу отсчета — уравновешенные (нулевые) и неуравновешенные (с непосредственным отсчетом).
Указанные классификационные группы допускают весьма разнообразное комбинирование.
Мы сознательно исключили из рассмотрения еще один возможный классификационный признак — с математической (например, статистической) обработкой результатов измерения и без математической обработки.
Мы не считаем этот признак особо существенным и уж во всяком случае не определяющим непосредственно принципиальную сущность метода измерения.
Несомненно, что можно представить себе иные варианты классификации (особенно отличающиеся по терминологии и порядку следования классификационных групп).
Роль измерений и метрологии: Электроизмерения и электроизмерительная техника, роль и значение измерений
Подробно про мостовые измерения смотрите здесь: Мостовые измерения, типы мостов, измерительные схемы