Вопрос 3. Методы измерений

В соответствии с РМГ 29 – 99 метод измерений– прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Методика выполнения измерений - установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом.

Примечание — Обычно методика измерений регламентируется каким-либо нормативно-техническим документом.

Определение дает слишком много возможностей для произвола, поскольку можно акцентировать принципы («интерференционный метод измерения длины»), средства («стробоскопический метод измерения частоты»), приемы использования средств измерений («метод полного уравновешивания», «контактный метод»). В нормативном документе есть ряд частных понятий, определяющих разновидности метода измерений, в частности он содержит определения следующих терминов:

· метод непосредственной оценки;

· метод сравнения с мерой;

· нулевой метод измерений;

· дифференциальный метод измерений;

· метод измерений замещением;

· метод измерений дополнением;

· контактный метод измерений;

· бесконтактный метод измерений.

Анализ приведенных терминов показывает, что классификация методов измерений осуществлялась по разным основаниям, например, в зависимости от наличия или отсутствия в явном виде мер физической величины (гирь, концевых мер длины или др.) или от «степени уравновешивания» объекта мерами. Разделение методов измерений на контактные и бесконтактные связано с особенностями конструкции чувствительных элементов прибора.

Поскольку набор терминов из РМГ 29 –99 отличается от терминов, широко использовавшихся в метрологической литературе ранее, мы по необходимости будем дополнять приведенный перечень.

Анализ метода измерений следует начинать с выяснения основных различительных признаков: является он методом непосредственной оценки или методом сравнения с мерой.Различия между двумя методами измерений заключаются в том, что метод непосредственной оценки реализуют с помощью приборов без дополнительного применения мер, а метод сравнения с мерой предусматривает обязательное использованиеовеществленной меры. Меры воспроизводят с выбранной точностью физическую величину определенного размера.

Метод непосредственной оценки – метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений

При методе непосредственной оценки значение измеряемой физической величины определяют по отсчетному устройству прибора прямого действия. Суть метода непосредственной оценки,как любого метода измерения состоит в сравнении измеряемой величины с мерой, принятой за единицу, но в этом случаемера «заложена» в измерительный приборопосредованно. Прибор осуществляет преобразование входного сигнала измерительной информации, соответствующего всей измеряемой величине. Измерение методом непосредственной оценки при наличии у прибора мультипликативной погрешности может привести к существенному снижению точности.

Формальное выражение для описания метода непосредственной оценки может быть представлено в следующей форме:

Q = х,

где Q – измеряемая величина,

х – показания средства измерения.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Методхарактеризуется тем, что прибор используют для определения разности измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Для реализации этого метода пригодны приборы с относительно небольшими диапазонами показаний, вплоть до вырожденной шкалы с одной нулевой отметкой. Примером этого метода являются измерения массы на рычажных весах с уравновешиванием объекта гирями (мерами массы).

х – показания средства измерения.

Х_м – величина, воспроизводимая мерой.

Мерами являются гири, угольники, эталонные резисторы и т.д. Если использовать высокоточные меры, то инструментальные составляющие погрешности можно уменьшить как за счет точности меры, так и за счет уменьшения диапазона преобразований прибора. Метод сравнения с мерой позволяет свести работу прибора сравнения к измерительному преобразованию разности измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, которая намного меньше всей измеряемой величины. Метод сравнения с мерой реализуется в нескольких разновидностях, среди которых различают:

Нулевой метод измерений – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.

Если формально это представить через х = 0 в том же уравнении, можно записать:

Q = Х_м .

Пример – измерения массы взвешиванием на равноплечих рычажных весах с полным уравновешиванием чашек.

Метод совпадений – метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины оценивают, используя совпадение ее с величиной, воспроизводимой мерой (т.е. с фиксированной отметкой на шкале физической величины).

Для оценки совпадения можно использовать прибор сравнения или органолептику, фиксируя появление определенного физического эффекта (стробоскопический эффект, совпадение резонансных частот и др.).

По одновременному или неодновременному воздействию на прибор сравнения величины измеряемой и величины, воспроизводимой мерой, различают метод измерений замещением и метод противопоставления.

Метод измерений замещением – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Пример — взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов (метод Борда).

Это слишком узкая трактовка метода замещения. В другой интерпретации, особенно характерной для линейно-угловых измерений, рассматривают альтернативную пару: методы замещения и противопоставления. В таком случае метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором меру после настройки прибора замещают измеряемым объектом, то есть сравниваемые величины воздействуют на прибор последовательно. Метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, устанавливающий соотношение между этими величинами.

Кроме этих терминов в РМГ 29 –99 приведен термин метод измерений дополнением (метод дополнения) – метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению. Метод может быть реализован как при замещении, так и при противопоставлении измеряемой величины и меры.

Классификация методов измерений имеет существенное практическое значение, поскольку прямо связана с поиском источников погрешностей и оценкой их характера. Метод непосредственной оценки может характеризоваться прогрессирующей составляющей погрешности, которая увеличивается с увеличением измеряемой величины. У всех методов сравнения с мерой обязательно присутствуют не только погрешности приборов, но и погрешности мер, причем механизмы их проявления несколько различаются в соответствии с разновидностью метода.

В классификации методов измерений по наличию контакта используются следующие определения.

Контактный метод измерений – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения. Примеры: измерение диаметра вала индикаторной скобой, измерение температуры тела термометром.

Бесконтактный метод измерений – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения. Примерами могут быть измерение температуры в доменной печи пирометром и измерение расстояния до объекта радиолокатором.

Если рассматривать только механический контакт чувствительного элемента с объектом, то деление методов на контактные и бесконтактные имеет определенный смысл. Это существенно для анализа погрешностей, которые возникают из-за взаимодействия прибора с объектом измерений. При механическом контакте необходимо учитывать взаимодействия объекта и средства измерений (деформации из-за их недостаточной жесткости, контактные деформации, колебание переходных сопротивлений и др.). При отсутствии механического контакта следует учитывать особенности «бесконтактного съема» измерительной информации – оптические искажения в воздухе, ослабление сигнала на расстоянии и т.д.

Для оценки метода измеренийпредлагается ответить на следующие вопросы: