Глава 2 Средства и методы измерений
Классификация методов измерений
Измерение — совокупность операций для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений). Получившееся значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое значение совместно с обозначением используемой единицы называется значением физической величины. Измерение физической величины опытным путём проводится с помощью различных средств измерений — мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, систем, установок и т. д. Измерение физической величины включает в себя несколько этапов: 1) сравнение измеряемой величины с единицей; 2) преобразование в форму, удобную для использования (различные способы индикации).
Принцип измерений — физическое явление или эффект, положенное в основу измерений.
Метод измерений — приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.
Измерения могут быть классифицированы следующим образом (рисунок 6):
Рисунок 6 – Классификация измерений
Классификация измерений
По видам измерений:
- прямое измерение — измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно;
- косвенное измерение — определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной;
- совместные измерения — проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноимённых величин для определения зависимости между ними;
- совокупные измерения — проводимые одновременно измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях;
-избыточные измерения (точнее информативно-избыточные измерения) — измерения нескольких рядов однородных физических величин, размеры которых связаны между собой по закону арифметической или геометрической прогрессии, при неизменных или нормировано измененных значениях параметров нелинейной (в общем случае) функции преобразования сенсора (или измерительного канала в целом), при которых искомое значение физической величины получают приведенным к входу измерительного канала путем обработки результатов промежуточных измерений по уравнению избыточных измерений, т.е. опосредованно;
- совокупные измерения — частный случай избыточных измерений;
- избыточные измерения обеспечивают автоматическое (естественное) исключение систематических составляющих погрешности конечного результата измерений.
По методам измерений:
- метод непосредственной оценки — метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений;
- метод сравнения с мерой — метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой;
- нулевой метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля;
- метод измерений замещением — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины;
- метод измерений дополнением — 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;
- дифференциальный метод измерений — метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.
По условиям, определяющим точность результата
Метрологические измерения - измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. В этот класс включены все высокоточные измерения и в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин. Сюда относятся также измерения физических констант, прежде всего универсальных, например измерение абсолютного значения ускорения свободного падения;
- контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения. В этот класс включены измерения, выполняемые лабораториями государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов, а также состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями. Эти измерения гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения.
Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на промышленных предприятиях, в сфере услуг и др.
По отношению к изменению измеряемой величины:
- статические и динамические.
По результатам измерений:
- абсолютное измерение - измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.
- относительное измерение - измерение отношения величины к одноимённой величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноимённой величине, принимаемой за исходную.
2.2 Основные средства измерений
Измерения выполняются с помощью технических средств, которые имеют нормированные погрешности и называются средствами измерений.
Классификация СИ выполнена в соответствии с рекомендацией РМГ29-99 «Рекомендации по межгосударственной стандартизации ГСИ. Метрология. Основные термины и определения»
Индикаторами называются технические устройства и средства измерения, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств объекта, то есть - наличия измеряемой физической величины.
Например, стрелка магнитного компаса - индикатор напряжённости магнитного поля; лакмусовая бумага - индикатор активности ионов водорода в растворах.
Меры. Вещественные меры предназначены для воспроизведения физической величины заданного размера.
Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер. Меры, воспроизводящие физические величины лишь одного размера, называются однозначными: например, гиря, угловые плитки и измерительный конденсатор постоянной емкости. Многозначные меры, могут воспроизводить ряд размеров физической величины, часто даже непрерывно заполняющих некоторый промежуток между определёнными границами: масштабная линейка и конденсатор переменной емкости - многозначные меры; а набор гирь и набор измерительных конденсаторов являются наборами мер.
Стандартные образцы и образцовые вещества представляют собой специально оформленные тела или пробы вещества определённого и строго регламентированного содержания, одно из свойств которых при определённых условиях является величиной с известным значением.
Измерительные преобразователи - средства измерений, служащие для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем (ЭДС термопары).
Измерительные приборы. К измерительным приборам относятся средства измерений, предназначенные для получения измерительной информации о какой-то величине, подлежащей измерению, в форме, удобной для восприятия наблюдателем. Различают приборы прямого действия (амперметры, вольтметры и пр.) и приборы сравнения (компараторы) - которые сравнивают измеряемые величины с величинами, значения которых известны (измерительные потенциометры).
Измерительные установки состоят из функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, собранных в одном месте. В измерительных системах эти средства и устройства территориально разобщены и соединены каналами связи. И в установках, и в системах измерительная информация может быть представлена в форме удобной как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных системах управления.
Вспомогательные средства измерений. К ним относятся средства измерений величин, влияющие на метрологические свойства другого средства измерений при его применении или поверке. Показания вспомогательных средств измерений используются для вычисления поправок к результатам измерений (например, термометр для измерения температуры окружающей среды при работе с грузопоршневыми манометрами) или для контроля за поддержанием значений влияющих величин в заданных пределах (например, психрометров для измерения влажности при точных интерференционных измерениях длин).