1.3. Виды и методы измерений. Основные понятия.

ИЗМЕРЕНИЕ – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. На рис.1.2. изображена схема процесса измерения. Физическую величину, которая выбрана для измерения, называют ИЗМЕРЯЕМОЙ ВЕЛИЧИНОЙ.

Рис.1.2.

В процессе измерения на средство измерения, оператора и объект измерений действуют, как правило, различные внешние факторы – ВФВ.

ОБЪЕКТ ИЗМЕРЕНИЯ – это сложное явление и процесс, характеризующийся множеством отдельных физических величин, каждая из которых может быть измерена в отдельности, но в реальных условиях действует на измерительное устройство со всеми остальными параметрами.

СРЕДСТВО ИЗМЕРЕНИЙ – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики.

ВЛИЯЮЩЕЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНОЙ – физическая величина, не являющаяся измеряемой данным средством измерений, но оказывающую влияние на результат измерения этим средством.

Измерение включает в себя три этапа: подготовка, проведение измерения, обработка его результатов.

Результат измерения величины Х можно записать в виде формулы, называемой основным уравнением измерения:

Х= А [Х] (1.2.)

А – числовое значение, [Х] – единица физической величины.

РЕЗУЛЬТАТ ИЗМЕРЕНИЯ – это значение физической величины, найденное путем ее измерения.

Средство измерений представляет измерительную информацию в виде некоторого сигнала. Этот сигнал функционально связан с измеряемой физической величиной, поэтому его называют СИГНАЛОМ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Основные характеристики измерения:

1. ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ – совокупность физических явлений, на которых основано измерение.

2. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

3. ПОГРЕШНОСТЬ – отклонение результата измерения Х от истинного значения Х_и измеряемой величины:

(1.3)

Погрешность, определяемая формулой (1.3.), выражена в единицах измеряемой величины и называется АБСОЛЮТНОЙ ПОГРЕШНОСТЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ.

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины:

(1.4.)

ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ – качество измерения, отражающее близость его результата к истинному значению измеряемой величины.

(1.5.)

4. Классификация измерений.

Измерения классифицируют по нескольким признакам, наиболее важные из которых отражены ниже.

ПО ЗАВИСИМОСТИ ИЗМЕРЯЕМОЙ ВЕЛИЧИНЫ ОТ ВРЕМЕНИ.

- СТАТИЧЕСКИЕ – измеряемая величина остается постоянной во времени в процессе измерения

- ДИНАМИЧЕСКИЕ – измеряемая величина изменяется в процессе измерения.

ПО СЛОЖИВШИМСЯ СОВОКУПНОСТЯМ ИЗМЕРЯЕМЫХ ВЕЛИЧИН

- электрические

- механические

- теплотехнические

- физико-химические

- радиотехнические

ПО УСЛОВИЯМ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИМ ТОЧНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТА

- МАКСИМАЛЬНО ВОЗМОЖНОЙ ТОЧНОСТИ – измерения, связанные с созданием и воспроизведением эталонов, а также измерения универсальных констант

- КОНТРОЛЬНО-ПОВЕРОЧНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ – погрешности, которых не должны превышать заданного значения. Такие измерения осуществляются в основном государственными и ведомственными метрологическими службами.

- ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ – погрешности результата определяется характеристиками средств измерений.

ПО ЧИСЛУ ИЗМЕРЕНИЙ (НАБЛЮДЕНИЙ), ВЫПОЛНЯЕМЫХ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТА.

- С ОДНОКРАТНЫМ НАБЛЮДЕНИЕМ (ОБЫКНОВЕННЫЕ)

- С МНОГОКРАТНЫМИ НАБЛЮДЕНИЕМ (СТАТИЧЕСКИЕ)

НАБЛЮДЕНИЕ – экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерения, в результате которой получают одно значение из группы значений величины, подлежащих совместной обработке для получения результатов измерения.

ПО СПОСОБУ ПО ЛУЧЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТА.

- ПРЯМЫЕ – искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. В процессе прямого измерения объект измерения приводится во взаимодействие со средством измерений и по показанием последнего отсчитывают значение измеряемой величины. Примером прямых измерений могут служит: измерение длины линейкой, массы с помощью весов.

- КОСВЕННЫЕ – измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

Y = f(X₁, X₂ …X) (1.6)

X₁, X₂ …X_m – величины аргументы.

Примером косвенных измерений могут служит измерения: плотности однородного тела по его массе и объему.

- СОВОКУПНЫЕ- производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величины находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин или ряда других величин, функционально связанных с измеряемыми.

Указанная система уравнений в общем случае имеет вид:

F ₁ (X₁, X₂ …X_n, Y₁,Y₂ … Y_m, k₁₁, k₁₂, …k_1j … k_1m ) = 0,

F₂ (X₁, X₂ …X_n, Y₁,Y₂ … Y_m, k₂₁, k₂₂, …k_2j … k_2m ) = 0,

……………………………………………………………

F_i (X₁, X₂ …X_n, Y₁,Y₂ … Y_m, k_i1, k_i2, …k_ij … k_im ) = 0, (1.7)

……………………………………………………………

F_n (X₁, X₂ …X_n, Y₁,Y₂ … Y_m, k_n1, k_n2, …k_nj … k_nm ) = 0.

k_ij – известные величины; Y₁,Y₂ … Y_m – одноименные величины, значения которых являются искомыми; X₁, X₂ …X_n – величины, значения которых определяются путем прямых измерений.

После решения системы уравнения получают зависимости искомых величин от величин-аргументов и известных величин.

Y₁ = f (X₁, X₂ …X_n ,k₁₁, k₁₂, …k_1j … k_1m)

……………………………………………… (1.8)

Y_m = f (X₁, X₂ …X_n ,k_n1, k_n2, …k_nj … k_nm)

Для определения m искомых значений величин необходимо, чтобы число уравнений n было равным или больше числа неизвестных m. Результат измерения каждой из величин можно рассматривать как результат косвенного измерения. Совместные измерения основываются на известных уравнениях, отражающих существующие связи между измеряемыми величинами. Примером совокупных измерений может быть определение концентрации трехкомпонентной смеси.

- СОВМЕСТНЫЕ – проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. В общем случае совместные измерения могут быть описаны системой уравнений (1.7.) Целью совместного измерения, как правило, является определение функциональной зависимости между величинами. Наиболее известный пример совместных измерений – определение статической характеристики термоэлектрического измерительного преобразователя - ТЭП. Статическую характеристику ТЭП можно описать выражением:

E = a(t-t₀) = b(t-t₀)²

где а и b – неоднеоименные (имеющие различные размерности) коэффициенты.

t,t₀ – текущая и начальная температуры спая ТЭП.

Кроме приведенных признаков могут быть использованы другие: место выполнения – лабораторные или промышленные, время выполнения процедуры – непрерывные или периодические.

Как следует из приведенных определений, совместные измерения основываются на известных уравнениях, отражающих существующие связи между измеряемыми величинами, а совокупные – на уравнениях, отражающих произвольные комбинирование величин.

4. Основные методы измерений.

Метод измерений представляет собой совокупность приемов использования принципов и средств измерений, различают два метода измерений (рис.1.3.):

- метод непосредственной оценки

- метод сравнения с мерой (МЕРА- средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера).

Рис.1.3. классификация видов измерений

МЕТОД НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ – метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отчетному устройству измерительного прибора прямого действия (ПРИБОР ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ – измерительный прибор, в котором сигнал измерительной информации движется в одном направлении, а именно с входа на выход).

Метод непосредственной оценки с отсчетом показаний по шкале прибора характеризуется тем, что лицу, осуществляющему измерение, не требуется каких либо вычислений, кроме умножения показаний прибора на некоторую постоянную, соответствующую данному прибору. Примером данного метода измерений может служить взвешивание груза Х на пружинных весах (рис.1.4.) Масса груза здесь определяется на основе измерительного преобразования по значению деформации пружины.

Рис.1.4. схема реализации измерений методом непосредственной оценки.

Данный метод характеризуется быстротой. Однако точность оказывается невысокой из-за воздействий влияющих величин и необходимости градуировки шкал приборов. Для точности применяют метод отсчета по шкале и нониусу или верньеру (вспомогательной шкале).Этот метод характеризуется использованием совпадения отметок шкал (основной и вспомогательной).

МЕТОД СРАВНЕНИЯ С МЕРОЙ – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

НУЛЕВОЙ МЕТОД – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нулю ( ПРИБОР СРАВНЕНИЯ ИЛИ КОМПОРАТОР- измерительный прибор, предназначенный для сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно).

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ – это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной, воспроизводимой мерой.

МЕТОД ПРОТИВОПОСТАВЛЕНИЯ – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействует на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.

Нулевой метод противопоставления.

Примером нулевого метода противопоставления может служить взвешивание груза Х на равноплечих весах (рис.1.5.).

Масса груза определяется массой гирь, уравновешивающих воздействие груза на рычаг весов. Состояние определяется по положению указателя нуль – индикатора, который в этом случае должен находиться на нулевой отметке. Более точен, чем метод непосредственной оценки, за счет уменьшения влияния на результат измерения погрешности средства измерения. Недостатком данного метода является необходимость иметь большое число мер различных значений для составления сочетаний.

Разновидность этого метода является КОМПЕНСАЦИОННЫЙ метод измерений. При подключении измерительного устройства, реализующего компенсационный метод, к объекту измерения на этом устройстве создается действие, направленное на встречу действию, создаваемому изучаемым явлениям. При этом создаваемое в измерительном устройстве явление изменяется до тех пор, пока не будет достигнута полная компенсация действия изучаемого явления на измерительное устройство. По размеру физической величины, создающей компенсирующее явление, судят о размере измеряемой величины.

Дифференциальный метод неполного противопоставления.

Примером может служить взвешивание на равноплечих весах, показанные на рис.1.6.

Здесь действие груза Х уравновешивается действием гири, служащей мерой, и силой упругой деформации пружины. По существу в данном случае по величине деформации пружины, значение которой может быть отсчитано по шкале, измеряется разность воздействий груза и гири на пружину. Так определяют разность их масс. Массу же груза определяют после взвешивания как сумму массы гири и показаний, считанных по шкале.

МЕТОД ЗАМЕЩЕНИЯ – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Нулевой метод замещения.

Нулевой метод замещения состоит в том, что измеряемая физическая величина и мера последовательно воздействует на измерительный прибор. На рис. 1.7. показан пример реализации метода полного замещения для случая измерения массы груза.

Дифференциальный метод неполного замещения.

Рассмотрим рис.1.8. пример взвешивания груза Х на пружинных весах в том случае, когда из имеющего набора гирь не удается составить сочетание, позволяющее добиться такого показания весов, при котором стрелка установиться на отметку А, соответствующего показанию весов при установке на них измеряемого груза Х.. Предположим, что при установке на весы подобранного набора гирь стрелка весов устанавливается на отметке В. Когда к подобранному набору добавляются гири с наименьшей массой, стрелка устанавливается С. В данном случае замещение получается не полным. Для определения массы груза прибегают к интерполяции, с помощью которой по известному значению массы наименьшей гири и числу делений шкалы между отметками В и С рассчитывают значение массы груза и массы подобранного набора гирь, а затем определяют массу груза.

МЕТОД СОВПАДЕНИЯ – метод сравнения с мерой, в которой разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Нулевой метод совпадения.

Нулевой метод совпадения состоит в совпадении сигналов двух периодических процессов, характеристика одного из которых измеряется, а другого – используется в качестве меры.

Дифференциальный метод неполного совпадения.

Примером может быть совпадение сигналов двух периодических процессов.