Термин схема измерений, как техническое решение, включает в себя:

 1) обоснование метода измерения;

 2) конкретную реализацию схемы измерения.

Рассмотрим отдельно эти две составляющих технического решения относительно схемы измерения.

 

Обоснование метода измерения

 – это построение электрической эквивалентной схемы измерительной цепи с указанием точек подключения измерительных приборов и с указанными на схеме количественными параметрами элементов эквивалентной схемы, которые оказывают существенное влияние на погрешность измерения физической величины. Схема измерений должна отражать значимые влияющие факторы со стороны источника сигнала, со стороны  кабеля (соединительных проводов), со стороны цепей нагрузок и подключенных измерительных приборов. На первом этапе в эквивалентную схему могут закладываться предполагаемые влияющие характеристики приборов и кабелей, поскольку выбор конкретного оборудования на данном этапе может быть ещё не сделан.

В типичном примере схемы измерения, приведённой выше, используется вольтметр "V"  амперметр "A" (в реальности требуются ещё количественные параметры R₀, R₁, R₂, U, С, а также диапазон частот сигнала). Здесь влияние входного сопротивления вольтметра "V" выражено в значении сопротивления R₂ , влияние входного сопротивления амперметра "A" – в значении R₁, выходное сопротивление источника сигнала – R₀, ЭДС источника сигнала – U, ёмкость кабеля – С.

Для обозначения полярности измерения у подключенных приборов знаком "+" обозначают полярность подключения прибора.

Для анализа погрешности измерений физической величины требуется также знать погрешности известных параметров эквивалентной схемы, а также иметь оценку реальной погрешности измерений предполагаемых приборов при данных условиях измерения.

Обоснование метода измерений должно включать в себя также технические принципы достижения необходимой точности измерений первичных физических величин, такие как: калибровка, тарировка, гладуировка. Например, если метод предполагает сравнение показаний  с эталонным средством измерения, то нужно рассмотреть влияющие на погрешность измерения факторы, связанные с подключением-отключением эталонного средства измерения.

Если измерительную установку предполагается сертифицировать, то важным вопросом обоснования схемы измерения является методика поверки этой установки. Но на первом этапе проектирования схемы измерения должна быть сразу понятна идея метода поверки, заложенного в методику. В противном случае, можно спроектировать установку, которую, по тем или иным техническим причинам, будет нереально поверить, используя доступные эталонные средства.  

 

Реализация схемы измерения

 – это создание реальной электрической схемы соединений оборудования с предварительным рассмотрением следующих вопросов:

• C учётом типов входов и выходов соединяемого оборудования необходимо решить какое соединение должно являться общим проводом  в схеме, и будет ли вообще общий провод в данной схеме измерения. Например, дифференциальный вход АЦП, выполняющего роль вольтметра, обязывает иметь цепь общего провода AGND, подключенную к источнику сигнала, для  непревышения диапазона синфазного сигнала на входах X и Y относительно AGND. Или несколько входов с общей землей также обязывают подключить общий провод к общему проводу источника сигнала. А, например, простой изолированный 2-х проводных вход АЦП не требует наличия общего провода. С другой стороны, источники сигналов могут либо иметь общий провод, либо не иметь. А в последнем случае, они могут позволять или не позволять искусственно соединить один из полюсов источника сигнала с общим проводом. Решение этой группы вопросов – это нахождение приемлемого способа соединения выходов и входов оборудования, с точки зрения корректности режимов работы этих выходов и входов.
• Если оборудование питается от сети ~220 В, то, вероятно, оно имеет цепь защитного заземления, при этом, на первый план выходит вопрос, имеют ли гальваническую изоляцию входы и выходы оборудования. Ответы на эти вопросы – это знание того, какой провод в схеме измерений окажется связанным с цепью заземления через приборы, или такого провода нет.
• Требуется решить, необходимо ли сигнальное заземление и какая цепь будет выполнять эту роль. Требуется решить, какая цепь должна быть экранирована и как соединять экран, если он необходим. Следует учитывать электромагнитную обстановку работы оборудования (наличие рядом расположенных высоковольтных, импульсных, разрядных, сильнотоковых устройств), а также нормы электробезопасности.
• Исходя из ответы на предыдущие вопросы, следует уточнить тип кабеля и его характеристики.
• Исходя из ответы на предыдущие вопросы, следует уточнить выбор оборудования, который должен быть увязан с рассмотренными выше техническими вопросами.

Поскольку на данном этапе, возможно, были уточнены конкретные характеристики предполагаемого измерительного оборудования, то вероятен итерационный возврат к началу, т. е. к уточнению характеристик, для обоснования метода измерений в части электрической эквивалентной схемы с учётом, возможно, появившихся дополнительных цепей общего провода, заземления и экрана, которые могут изменить параметры модели или внести ранее неучтённые импедансы в цепь измерения.

Особо отметим, что требования электромагнитной совместимости в рассматриваемых условиях, а также требования электробезопасности, могут кардинально изменить всю схему измерения, включая типы датчиков и их физические принципы. 

Сильное влияние на качество измерений могут оказать нелинейные эффекты, связанные с защитными цепями ограничения напряжения, тока  и  другими нелинейными компонентами измерительной цепи при воздействии на неё внешних помех.

Сильное влияние на точность измерения может оказать температурная зависимость сопротивления элементов схемы, это влияние составит дополнительную температурную погрешность измерения. 

При разработке схемы измерений с оценкой внешних влияющих факторов могут быть выдвинуты дополнительные требования к методу обработки сигнала с возможным последующим разбиением на этапы аналоговой и цифровой обработки, исходя из оптимальности построения системы и требований технического задания.

Читайте также статьи раздела FAQ:

• Как выбрать оборудование для измерения ...- общий подход.
• Как подобрать и где купить датчики?
• Грубые ошибки при выборе оборудования — как их избежать?
• Канал измерения
• Допустимо ли при выборе оборудования обобщать требования по разнородным каналам измерения?