2. Методы измерения

2.1. Прямые и косвенные методы измерения

Метод прямого измерения характеризуется тем, что искомое измеряемое значение физической величины находят непосредственно сравнением с образцовой мерой этой величины.

Например, измерение веса сравнением с весом тарированных гирь (мерой веса); измерение вязкости жидкости сравнением вязкостью эталонной жидкости (мерой вязкости).

К прямым методам в широком смысле относятся все измерительные устройства с непосредственным отсчетом. Так как измеренное значение, считываемое по шкале, является результатом измерения, шкала измерительного устройства должна быть проградуирована по образцовой мере. Несмотря на то, что при этом реализация меры, заложенная в измерительном устройстве, не соответствует измеряемой величине, тем не менее, вследствие проведенной градуировки осуществляется сравнение ее с мерой. Показание термометра «сравнивает» измеряемую температуру с температурой, указанной при градуировке. При измерении напряжения прибором с поворотной рамкой внутри прибора производится сравнение моментов: мера представлена моментом спиральной пружины, а сравнение с образцовой мерой напряжения реализовано при градуировке.

Косвенный метод измерения характеризуется тем, что искомое измеряемое значение зависит от других физических величин и определяется на основе использования этой зависимости.

Так, эталоны производных величин получают из основных эталонов посредством косвенных измерений. Например, при измерении давления грузопоршневым манометром его определяют расчетным путем исходя из площади поршня, массы и гравитационной постоянной.

При косвенном методе измерения следует различать измеренное значение и результат измерения [4].

2.2. Аналоговые и цифровые методы измерения

В соответствии с изложенным выше измеряемое значение представляет собой произведение числового значения на размер соответствующей единицы. В процессе измерения информация об этом числовом значении (измерительная информация) передается с помощью сигналов. При аналоговом способе измерения устанавливается прямая связь между значением измеряемой величины и значением физической величины сигнала. Так, например, в ртутном термометре высота столбика соответствует определенной температуре. Таким образом, используется не само числовое значение, а аналоговая величина.

В противоположность этому цифровой метод измерения характеризуется тем, что результат измерения, точное числовое значение (размер) вырабатывается в измерительном устройстве или, по меньшей мере, выводится из него. При этом обработка сигнала производится числовым методом, как в цифровых вычислительных машинах.

Эти принципиально различные методы имеют свои преимущества и недостатки в обработке сигналов и в выводе данных.

На рисунке 2.2.1 показаны примеры аналогового и цифрового представления измеряемого значения.

Рисунок 2.2.1 – Пример представления измеряемого значения: а) аналогового, б) цифрового

В отношении точности отсчета разница состоит в том, что при цифровом показании отсчет производится практически без ошибки. При отсчете аналогового показания преобразование его в число производится оператором, причем точность отсчета заранее неопределенна и зависит от способности оператора к интерполяции. Поэтому отсчет аналоговых показаний принципиально содержит погрешности.

Преимущество аналогового вывода измеряемого значения состоит в большей наглядности. Наблюдение за стрелочным прибором на щите управления существенно проще, чем за цифровыми показаниями. Кроме того, аналоговый регистратор передает существенно больше информации, чем ряд чисел цифропечатающего устройства. Этот факт подтверждается тем, что для интерпретации ряда чисел часто прибегают к графическому изображению, что эквивалентно преобразованию цифровой информации в аналоговую.

Цифровая обработка измеряемого значения основана на оперировании с числами. Таким способом в общем случае можно получить существенно более высокую точность, чем на аналоговой технике. Однако при цифровом методе обработка чисел происходит последовательно, причем продолжительность цикла обработки быстро возрастает с ростом точности. Аналоговая обработка, наоборот, осуществляется непрерывно, одновременно, что существенно улучшает динамические свойства измерительной системы. Это особенно важно при измерении физических величин, изменяющихся во времени.

Аналоговые методы представления измеряемых величин по сравнению с цифровыми являются менее точными. Однако эти методы, основанные на непрерывных физических процессах, делают доступными для измерительной техники исключительно большое разнообразие физических эффектов; к тому же обычно их очень просто реализовать. Часто аналоговые методы представляют единственную возможность воспринять измеряемое значение.

Цифровые методы имеют специфическое преимущество при передаче измеряемого значения. Как уже упоминалось, по сравнению с аналоговым способом представления результата измерения точность цифрового показания точно определена. При передаче измерительной информации на расстояние эту точность значительно легче сохранить, чем точность сигнала, представленного в аналоговой форме. Качество передачи аналогового электрического сигнала в значительной мере зависит от дрейфа и шума электронных элементов и от индуктивных помех, наводимых в линиях передачи. В противоположность этому подсчет импульсов или различение двух состояний сигнала «включено - выключено» оказывается возможным при сравнительно более высоком уровне шумов. Из области телефонии известна проблема разборчивости разговора при наличии шумовых помех. В то же время знаки азбуки Морзе остаются понятными при очень сильных помехах. Однако скорость последовательного способа передачи информации (например, с помощью азбуки Морзе) меньше, чем аналогового (одновременного) [4].