Существуют несколько разновидностей метода сравнения:
метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения;
дифференциальный метод, при котором измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой мерой. Этим методом, например, определяют отклонение контролируемого диаметра детали на оптиметре после его настройки на нуль по блоку концевых мер длины;
нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Подобным методом измеряют электрическое сопротивление по схеме моста с полным его уравновешиванием;
метод совпадений, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов (например, при измерении штангенциркулем используют совпадение отметок основной и нониусной шкал).
7. При измерении линейных величин независимо от рассмотренных методов различают контактный и бесконтактный методы измерений.
8. В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различают инструментальный, экспертный, эвристический и органолептический методы измерений.
Инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических.
Экспертный метод оценки основан на использовании данных нескольких специалистов. Широко применяется в квалиметрии, спорте, искусстве, медицине.
Эвристические методы оценки основаны на интуиции. Широко используется способ попарного сопоставления, когда измеряемые величины сначала сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основании результатов этого сравнения.
Органолептические методы оценки основаны на использовании органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, слуха и вкуса). Часто используются измерения на основе впечатлений (конкурсы мастеров искусств, соревнования спортсменов).
Преобразование измеряемой величины в процессе измерений. Осуществляется техническими средствами (преоразователями) на основе принципов измерения. Преобразователь — это прибор, который преобразует одну форму энергии в другую. Имеются два основных типа преобразователей: активный и пассивный. Активный, или автогенерирующий, преобразователь непосредственно преобразует одну форму энергии в другую, не нуждаясь во внешнем источнике энергии или в возбуждении. Пример такого преобразователя — термопара, которая выдает на выходе электрический сигнал, когда один из ее концов нагревается. Пассивный преобразователь не может непосредственно преобразовывать энергию, но он управляет энергией или возбуждением, которые поступают от другого источника. На рис. 2.5 показан простой потенциометрический преобразователь, в котором механические изменения на входе вызывают на выходе сигнал, пропорциональный входному сигналу.
Рис. 2.5. Схема пассивного преобразователя.
Исходя из классификации энергии на шесть различных форм, на рис. 2.6 представлены возможные комбинации входного или измеряемого сигнала, выходного сигнала и возбуждения для любых преобразователей. Они определяют очень большое число различных типов преобразователей.
Преобразователь — это обычно первое звено в измерительной системе, как показано на рис. 2.7. Он может располагаться в корпусе прибора или может быть отнесен от прибора, например расположен во вредной среде. Согласующее устройство изменяет сигнал преобразователя, например усиливает или формирует его, чтобы он соответствовал требованиям выходного устройства. Это устройство может быть индикатором или системой памяти.
Рис. 2.6. Варианты использования преобразователей.
Рис 2.7. Упрошенная схема измерительной системы с использованием преобразователя.
Принципы измерений. Рассмотрим некоторые типичные принципы и отдельные физические явления или свойства веществ, позволяющие преобразовывать измеряемые величины в электрические.
1. Нагревание места спая двух электродов из разнородных материалов (спая термопары) вызывает появление э. д. с., что позволяет измерять температуру. При этом может быть достигнута весьма высокая точность.
2. Нагревание электрических проводников и полупроводников вызывает изменение их сопротивления (термометры сопротивления, термисторы). Одни материалы (например, платина) позволяют получить высокую точность измерения температуры, другие материалы (особенно полупроводники) дают возможность измерять очень малые интервалы температур и температуру тел очень малого объема, например насекомых, листьев, растений и т. п.
3. Растяжение или сжатие некоторых металлов в пределах их упругости вызывает изменение их электрического сопротивления. Это явление дает возможность изготовлять электротензометры и измерять малые деформации тел и усилия в условиях, при которых измерение другими методами невозможно, например, деформации различных частей машин во время их работы. Это явление позволяет также измерять высокие и сверхвысокие давления (манганиновый манометр).
4. В граничном слое между некоторыми полупроводниками и металлами при его освещении возникает э.д.с. Это явление называют фотоэлектрическим эффектом. На использовании его основаны фотоэлементы, дающие возможность измерять световые величины методом непосредственной оценки, а также в ряде случаев исключать необходимость визуального наблюдения.
5. Электрическое сопротивление некоторых полупроводников под действием света весьма заметно изменяется. Это явление используется для изготовления фотосопротивлений. Применение фотосопротивлений требует постороннего источника тока, однако фотосопротивления обладают значительно более высокой чувствительностью, чем фотоэлементы.
6. Зависимость яркости свечения тела от температуры, которая в свою очередь зависит от силы тока, накаливающего нити, позволяет измерять температуру бесконтактным методом, например при помощи оптического пирометра.
7. На гранях некоторых кристаллов, когда к двум граням приложена сила, сдавливающая или растягивающая их, возникает э.д.с. Это явление, называемое пьезоэлектрическим эффектом, обратимо, т. е., когда к двум граням приложено напряжение, кристалл деформируется. Пьезоэлектрический эффект, практически безынерционный, получил широкое и разнообразное применение. Он используется для измерения давления, вибрации, частоты электрических колебаний и т. п. Особое значение этот эффект имеет для стабилизации частоты высокочастотных генераторов. Для этой цели применяются, как правило, кристаллы кварца. Так, кварцевые часы, основанные на использовании пьезоэлектрического эффекта в кварце, были до недавнего времени наиболее точными приборами для измерения интервалов времени.
8. Магнитная проницаемость тел из ферромагнитных материалов изменяется в зависимости от приложенных к ним механических сил (растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих). Наблюдается и обратное явление: в ферромагнитном теле при внесении его в магнитное поле возникают механические деформации. Эти явления получили название магнитострикции. Магнитное поле, изменяющееся при механическом воздействии, измеряется при помощи катушки, обмотка которой помещается на ферромагнитном сердечнике. Магнитострикционные преобразователи применяются главным образом в технике измерения звуковых и ультразвуковых колебаний.
9. Как известно, электрическая емкость плоского конденсатора выражается формулой C = εS/d, где С —емкость конденсатора; ε —диэлектрическая проницаемость диэлектрика, находящегося между обкладками; S — площадь его обкладок; d — расстояние между обкладками.
Изменение электрической емкости используют для измерения малых размеров и малых перемещений.
10. Перемещение измеряют также по изменению индуктивности катушки с сердечником из магнитомягкого материала. Изменение воздушного зазора в сердечнике вызывает изменение индуктивного сопротивления катушки, которое определяют тем или иным электрическим методом.
11. Существует еще ряд способов преобразования показаний того или иного измерительного прибора в электрическую величину, удобную для передачи на расстояние, т. е. телеизмерений. Телеизмерения в настоящее время осуществляются самыми разнообразными способами. Каналами передачи преобразованных показаний приборов являются электрические провода и каналы радиосвязи. В качестве примера можно привести гидроэлектростанции, насосные станции и другие устройства нефте- и газопроводов, управление и наблюдения за режимом работы которых производятся иногда на очень больших расстояниях. Телеизмерения в этом случае осуществляются по проводам.