книги / Специальные методы электрических измерений

В дальнейшем мы не имеем возможности касаться вопросов автоматизации измерений. Но при этом следует помнить, что уравновешивание измерительной цепи я в ­ ляется в сущности вспомогательным, техническим при­ емом. Поэтому применение того или иного способа— руч­ ного или автоматического — не меняет принципиальных основ и свойств самого метода измерения. Основные з а ­ кономерности, полученные в предположении ручного уравновешивания, в большинстве своем справедливы и для приборов автоматического действия.

Итак, в дальнейшем мы ограничим круг рассм атри ­ ваемых вопросов изложением принципа действия, основ­

Г ЛА В А П Е Р В А Я

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОНЯТИЯ

Ы. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Результат измерения можно получить разными пу­ тями, используя разные методы, приемы и их комбина­ ции. Поэтому прежде всего надо познакомиться с основ­ ными определениями и понятиями измерительной техни­ ки и с классификацией методов электрических измере­ ний. Таких классификаций может быть построено много и какой-либо общепризнанной нет. Поэтому мы рассмот­ рим один из возможных вариантов, наиболее пригодный для нашей цели, — изучения мостовых и компенсацион­ ных методов электрических измерений.

Прежде чем пытаться установить основные пункты классификации, необходимо, естественно, отчетливо оп­ ределить главнейшие этапы того, что мы будем называть измерением. Для этой цели обратимся к определению измерения. Примем по проф. М. Ф. Маликову следую­ щее определение: «Измерение есть познавательный про­ цесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значени­ ем, принятым за единицу».

Мы вправе различать два самостоятельных понятия: ц е л ь и з м е р е н и я (искомый параметр), т. е. та основ­ ная величина, определение которой в конечном счете яв­

посредственному 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

Известно, что в зависимости от характера физиче­ ской связи между искомым и измеряемым параметра­ ми различают три вида измерений: прямые, косвенные

исовокупные измерения.

Вкачестве примеров укажем на прямое измерение сопротивления четырехплечих мостов, косвенное изме­ рение удельного сопротивления (на основании непосред­ ственного измерения сопротивления и геометрических

размеров) и совокупное измерение температурного ко­ эффициента сопротивления (на основании 'ряда непо­ средственных измерений сопротивления образца при разных температурах).

Перейдем теперь к анализу измерительного процес­ са и классификации методов измерения. Как уже ука­ зывалось, любое измерение не может быть произведено без сравнения при помощи специального физического эксперимента измеряемой величины с образцовой ме­ рой. При этом может применяться та или иная методи­ ка эксперимента (техника измерения).

Итак, измерительный процесс в явной или неявной форме содержит следующие элементы и факторы:

1)измеряемый параметр;

2)образцовая мера;

3)аппаратура сравнения (измерительный прибор

или установка); 4) техника измерения.

На основании этого перечня можно наметить сле­ дующие три классификационных признака измеритель­ ного процесса:

1)по способу сравнения с образцовой мерой;

2)по способу проведения физического эксперимента сравнения («метод измерения» в узком смысле);

3)по технике измерения.

Посмотрим теперь, какие классификационные груп­ пы можно наметить, исходя из этих признаков.

Способ сравнения с образцовой мерой прежде всего можно представить себе в двух основных вариантах. По первому варианту— мера всегда присутствует и не­ прерывно принимает участие в работе, являясь объек­ том непосредственного сравнения. Назовем этот способ способом о д н о в р е м е н н о г о с р а в н е н и я. По дру­ гому варианту непрерывное наличие меры необязатель-

Наконец, может представиться случай, когда жела­ тельно в известной степени изменить самый характер измеряемого объекта. Например, непосредственное из­ мерение .индуктивности на емкостном мостике невоз­ можно 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. Разно­ видностью этого метода являются резонансные методы. Вне зависимости от вариантов назовем это способом к о м б и н и р о в а н н о г о ( г р у п п о в о г о ) с р а в н е-

ни я.

Всвою очередь способ разновременного сравнения может быть представлен в двух крайних вариантах. По

первому образец в сущности непрерывно участвует в работе, но не путем прямого сравнения, а путем заме­ щения объекта измерения с последующей регулировкой схемы на прежнее состояние при помощи самой образ­ цовой меры, которая в этом случае обязательно должна быть с переменным значением. Это очень распростра­ ненный прием, аналогичный классическому взвешива­ нию на неверных весах, применяемый тогда, когда пра­ вильность работы самой измерительной установки поче­ му-либо внушает опасения. Назовем этот прием спосо­

в измерениях не принимает, применяясь только для гра­ дуировки и поверки. Назовем это способом р а з н о в р е ­ м е н н о г о с р а в н е н и я г р а д у и р о в к о й . К этой группе, естественно, относятся, например, приборы с не­ посредственным отсчетом.

Таковы, по нашему мнению, четыре, основные клас­ сификационные группы по признаку способа сравнения с образцовой мерой. Возможно и более мелкое деление; однако вряд ли оно необходимо.

Перейдем теперь к рассмотрению второго призна­ ка— метода проведения физического эксперимента. Как было оговорено раньше, мы будем рассматривать толь­ ко два метода измерения — мостовой и компенсацион­ ный.

дений напряжений созданных разными источниками питания. В этом случае результат измерения даже и в случае равновесия «будет зависеть от значений питаю­ щих напряжений.

Так как мост имеет только один источник напря­ жения, он и пригоден для измерения параметров цепи, а также токов и напряжений при использовании функ­ циональных связей между ними и параметрами цепи. Компенсационный метод может быть использован в си­ лу своих особенностей для прямых измерений э. д. с., напряжений, токов и косвенно параметров цепи.

Перейдем, наконец, к обсуждению третьего и по­ следнего классификационного признака — техники из­ мерения. Здесь возможно разделение методов измере­

можных вариантов представлен графически структур­ ной схемой, приведенной на рис. 1-1.

Мы сознательно исключили из рассмотрения еще один возможный классификационный признак — с мате­ матической (например, статистической) обработкой ре­ зультатов 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 ва­ рианты классификации (особенно отличающиеся по тер­ минологии и порядку следования классификационных групп). Однако изложенный вариант охватывает^мосто­ вые и компенсационные методы электрических измере­ ний и вполне отвечает нашим целям; поэтому впредь мы и будем его придерживаться.

1-2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

При оценке и анализе того или иного измерительно­ го прибора, метода или установки существенное значе­ ние имеет их способность обнаруживать малые измене­

ния измеряемой, величины. Очевидно, что чем меньше изменение, которое еще может быть обнаружено, тем прибор или метод восприимчивее, чувствительнее. По­ добное весьма важное свойство может быть охаракте­ ризовано численно при помощи некоторой величины, обозначаемой обычно через 5 с соответствующими индексами, которую принято называть ч у в с т в и т е л ь ­ н о с т ь ю (соответственно измерительной цепи прибора или установки).

Чувствительность измерительного прибора по ГОСТ 3951-47 определяется как отношение линейного или углового перемещения указателя к изменению значения измеряемой величины, вызвавшему это перемещение.

рым подразумевается наименьшее изменение значения измеряемой величины, способное вызвать заметное изменение показания измерительного прибора.

Следует оговориться, что это определение* чувстви­ тельности относится больше к нормальным,стрелочным приборам с непосредственным отсчетом. Что же касает­ ся области высокочувствительных приборов, основанных на нулевых методах, то в этом случае нас интересуют главным образом малые отклонения указателя от нуля, вызванные малыми же изменениями измеряемой вели­ чины от ее значения, соответствующего условию равно­ весия схемы. Отношение этих величин, а точнее — пре­ дел этого отношения при стремящемся к нулю прира­ щении параметра часто называется чувствительностью в нулевой точке или просто нулевой чувствитель­ ностью 1. Однако такие терминологические уточнения соблюдаются далеко не всегда, и если речь идет об из­ мерительных устройствах, то под термином чувствитель­ ность, даже если он применяется и без всяких оговорок, все же обычно следует понимать именно чувствитель­ ность в нулевой точке.

Таким образом, если работа некоторого измеритель­ ного устройства описывается уравнением вида:

1 Этот термин, равно как и все последующие, уже не является официально установленным. ГОСТ 3951-47 предусматривает только указанные выше понятия: чувствительность и порог чувствитель­ ности.

а= 1(х),

где а — отклонение указателя, а х — измеряемая вели­ чина, то согласно нашему определению чувствительность будет:

параметра, с отклонением указателя. В этом случае речь идет о некотором показателе, характеризующем в сущности работу измерительной установки в целом. Будем впредь этот показатель называть чувствитель­ ностью измерительной установки 5П.У. Однако сама эта установка должна состоять по меньшей мере из двух самостоятельных элементов — собственно цепи и ука­ зателя, каждый из которых имеет свою собственную чувствительность. Эти два элемента в своей работе свя­ заны некоторой промежуточной величиной, являющейся выходной для схемы и входной для указателя. Посколь­ ку речь идет об электрических цепях, в качестве такой промежуточной величины могут рассматриваться ток, напряжение или, наконец, мощность на выходе цепи. Приняв, например, в качестве промежуточного парамет­ ра ток (/у), мы можем различить еще два самостоятель­ ных понятия, а именно — чувствительности цепи и ука­ зателя по току

е_ _ а / у .

Таким образом, мы могли бы впредь оперировать с тремя значениями чувствительности. Однако в таком многообразии нет нужды. Во-первых, все эти три значе-