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.
1. 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:
1.1. 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.
1.3. 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:
2.1. Метод шунтирования
Пример. Измерение тока в участке цепи с помощью шунтированного амперметра. Показания амперметра IA связаны с измеряемым током IХ 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 β .
Из функциональной блок-схемы следует: I=К⋅Δх, хоп=β⋅I, Δх=х-хоп. 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 Rос соответствует коэффициенту обратной связи β. Коэффициент усиления K усилителя соответствует коэффициенту преобразования прямой цепи.
Здесь I=KΔU, ΔU=Ux–IRoc. В этой схеме обычно ΔU<<Ux. Ток, измеряемый амперметром, пропорционален искомому напряжению: 
.
2.3. 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 сопротивленияRx, 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 RxR4=R2R3 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 ZхZ4=Z2Z3. Здесь Z – комплексное число. Поэтому условие равновесия моста сводится к выполнению двух условий: для модулей Z и для фаз: |ZX||Z4|=|Z2||Z3|, φX+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.
3. 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 – хоп 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 резисторамиR1 и R2, питаемыми источником опорного тока или опорного напряжения, который и является мерой (вместе с резисторами R1 и R2).
3.1. Нулевые методы
Разностный метод называется нулевыми или компенсационным, в случае полной компенсации, т.е. если разность Δх=х-хоп=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 резистореR2 равны нулю и вольтметр измеряет именно ЭДС источника.
4. Метод развёртывающей компенсации
Основной недостаток метода следящего уравновешивания состоит в том, что при больших значениях величины 
система может возбудиться, т.к. сигнал в цепи обратной связи, в силу ряда обстоятельств (например, вида фазо-частотной характеристики), может поменять фазу измеряемого сигнала на противоположную. В этом случае опорный сигнал будет не вычитаться из измеряемого, а складываться с ним (возникает положительная обратная связь). В результате данная схема превращается в генератор переменного тока или напряжения (вспомните, например, свист динамика, когда напряжение, поданное на усилитель микрофона, слишком велико).
В данном методе этот недостаток отсутствует. Генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение, которое вычитается из измеряемого сигнала. Разность этих напряжений подается на индикатор равновесия (индикатор нуля). В момент начала пилообразного сигнала включается электронный секундомер. В момент, когда на индикаторе равновесия сигнал отсутствует (Δх), вырабатывается сигнал, который останавливает таймер. Время τ, измеренное секундомером, пропорционально измеряемому сигналу.
Схема осуществляет преобразование значений изменяемой величины хi в интервал времени τi. В современной технике интервалы времени изменяются наиболее точно. В этой схеме есть следящее уравновешивание, но нет обратной связи. Поэтому возможна реализация нулевого метода.
Замечание. В компенсационных приборах удается практически полностью исключить мультипликативную и нелинейную составляющие погрешности измерительного прибора или индикатора равновесия. Однако аддитивная составляющая здесь вообще не корректируется. Поэтому в таких приборах предъявляются высокие требования к временной и температурной стабильности порога срабатывания нуль-органа (индикатора равновесия), что особенно трудно обеспечить при необходимости точного измерения малых величин.
Кроме того, данные методы в чистом виде применимы только при измерении активных величин, т.е. таких, для которых принципиально возможно получение разности между измеряемой и образцовой величинами (например, электрическое напряжение и ток).
Для большинства же измеряемых величин непосредственное получение такой разности невозможно. Так, например, для таких электрических величин как сопротивление, емкость, индуктивность, являющихся выходными для широкого класса параметрических датчиков, непосредственное получение разности между измеряемой и образцовой величинами принципиально невозможно. В этих случаях при применении разностного метода приходится использовать различные сравнивающие устройства (обычно мостовые и дифференциальные схемы), к чувствительности и, что гораздо важнее, к точности которых предъявляются высокие требования.
Такие же трудности возникают при использовании этих методов для измерения неэлектрических величин. Так, для точного измерения массы, помимо точной переменной образцовой меры измеряемой величины (гирь и разновесов) и высокостабильного индикатора равновесия, требуется точное сравнивающее устройство в виде, например, чувствительных и точных рычажных весов. Уменьшение же основной и дополнительной погрешностей рычажных весов до уровня, определяемого точностью образцовых гирь и разновесов, является весьма сложной технической задачей. И вообще, уменьшение погрешности сравнивающего устройства до уровня, определяемого точностью образцовой меры измеряемой величины, очень сложно и не всегда реализуемо.