Измерения. Виды и методы измерений

ОСНОВЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ

Измерения. Виды и методы измерений

Измерение есть нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Теоретической основой измерительной техники является

метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Как и в любой другой области знаний, в метрологии различают теоретические, технические и организационные аспекты.

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к техническим измерениям, являются единство и точность измерений.

Единство измерений – такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений позволяет сопоставлять результаты измерений, выполненных в разное время, разными средствами и методами.

Точность измерений – качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Чем меньше погрешность измерения (разность между измеренным и истинным значениями), тем выше точность.

Основные задачи метрологии – развитие общей теории измерений; разработка методов и средств измерений; обеспечение единства и качества измерений.

Измерения служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для обеспечения качества продукции, совершенствования технологии, обеспечения безопасности труда, учета материальных ресурсов и планирования.

Контроль – частный случай измерения, проводится с целью установления соответствия измеряемой величины заданным пределам.

Диагностирование – процесс распознавания состояния элементов объекта в данный момент времени.

По условиям, определяющим точность результата, измерения физических величин делятся на технические (промышленные), контрольно-поверочные и измерения максимально возможной точности.

Измерения максимально возможной точности, достижимой при современном уровне техники, связаны с созданием и воспроизведением эталонов, а также измерения универсальных физических констант.

Контрольно-поверочные (лабораторные) измерения отличаются высокой точностью благодаря применению более совершенных методов и приборов для учета возможных погрешностей. Этот вид измерений проводится при выполнении научно-исследовательских, наладочных и поверочных работ.

Технические измерения имеют сравнительно невысокую точность, достаточную для практических целей, и производятся приборами, устройство которых отвечает их назначению и условиям работы.

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения.

Принципом измерений называют положенные в основу измерений физическое явление или эффект (например, использование силы тяжести при измерении массы тела при его взвешивании).

Методы измерений различают по различным признакам – например, по способу сравнения размера величины с единицей – прямые и косвенные, по характеру изменения измеряемой величины во времени – статические и динамические, по форме представления измеряемой величины – аналоговые и цифровые, по отбору отсчетов во времени – непрерывные и дискретные (прерывистые), по взаимодействию с объектами измерения – контактные и бесконтактные, по используемым физическим эффектам и др.

По способу получения результата все измерения делят на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Измерение называют прямым, если искомое значение измеряемого параметра определяют непосредственным сравнением его с единицей измерения. Примером прямых измерений могут служить: измерение длины линейкой, массы с помощью весов, температуры стеклянным термометром.

Косвенным называют измерение, если искомое значение параметра вычисляют на основании результатов прямых измерений других величин, связанных с ним однозначной зависимостью. Например, плотность однородного тела по его массе и объему.

При совокупных измерениях значение величины находят решением системы уравнений, полученных при прямых измерениях одноименных величин. Например, определение температурного коэффициента линейного расширения.

Совместные измерения предусматривают одновременное измерение двух или нескольких неоднородных величин для отыскания зависимости между ними. Целью совместного измерения, как правило, является определение функциональной зависимости межу величинами. Совокупные и совместные измерения характерны для исследовательских работ.

Особое значение имеет классификация методов измерения по способу сравнения измеряемой величины с ее единицей. Существует ряд методов измерений, из которых наиболее распространенными являются метод непосредственной оценки, метод сравнения с мерой, дифференциальный и компенсационный методы.

Прямые измерения, являясь самостоятельными, в то же время служат основой для более сложных видов измерений (косвенных, совокупных и совместных). В связи с этим методы прямых измерений, рассматриваемых ниже, являются общими для всех видов измерений, и в дальнейшем будут называться просто методами измерений.

Метод непосредственной оценки (отсчета) - нахождение значения измеряемой величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например, измерение давления пружинным манометром (рисунок 1.2, а), массы на циферблатных весах (рисунок 1.2, б), силы тока амперметром. Точность такого метода ограничена, но быстрота процесса измерения делает его незаменимым для практического измерения. Наиболее многочисленной группой средств измерений, применяемых для измерения этим методом, являются показывающие, в том числе и стрелочные приборы (манометры, расходомеры, вольтметры и др.).

а) б)

а) – пружинный манометр; б) – весы циферблатные;

Рисунок 1.2 – Метод непосредственной оценки

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

Методы сравнения в зависимости от наличия или отсутствия при сравнении разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, подразделяют на нулевой и дифференциальный.

Компенсационный (нулевой) метод - состоит в уравновешивании неизвестной измеряемой величины известной. При нулевом методе результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Например, уравновешенный мост, рычажные весы (рисунок 1.3, а). Компенсационный метод применяют, когда необходимо измерить физические явления без нарушения условий, в которых они протекают, например, измерение ЭДС нормальных элементов в отсутствие в них тока.

Дифференциальный метод - заключается в определении разности между измеряемой и известной величиной, после чего измеряемая величина находится путем алгебраического сложения (рисунок 1.3, б). Метод широко используется для измерений при наличии мешающих компонентов - шумов, сопутствующих компонентов при определении состава смеси и т.д.

а) б)

а) – весы рычажные лабораторные; б) – весы рычажные циферблатные;

Рисунок 1.3 –Метод сравнения с мерой.Компенсационный и разностный методы обеспечивают достаточно высокую точность.