1.3. Методы измерений
Метод измерения – это способ экспериментального определения значения физической величины, т. е. совокупность используемых при измерениях физических явлений и средств измерений.
Метод непосредственной оценки заключается в определении значения физической величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например: измерение напряжения вольтметром.
Этот метод является наиболее распространенным, но его точность зависит от точности измерительного прибора.
Метод сравнения с мерой – в этом случае измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Точность измерения может быть выше, чем точность непосредственной оценки.
Различают следующие разновидности метода сравнения с мерой.
Метод противопоставления, при котором измеряемая и воспроизводимая величина одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между величинами, например: измерение массы груза с помощью рычажных весов и набора гирь.
Дифференциальный метод, при котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. При этом уравновешивание измеряемой величины известной производится не полностью. Пример: измерение напряжения постоянного тока с помощью дискретного делителя напряжения, источника образцового напряжения и вольтметра.
Нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия обеих величин на прибор сравнения доводят до нуля, что фиксируется высокочувствительным прибором – нуль-индикатором. Пример: измерение ЭДС при помощи лабораторного потенциометра, в котором измеряемая величина уравновешивается падением напряжения на резисторе известного сопротивления.
Метод замещения, при котором производится поочередное подключение на вход прибора измеряемой величины и известной величины, и по двум показаниям прибора оценивается значение измеряемой величины, а затем подбором известной величины добиваются, чтобы оба показания совпали. Пример: точное измерение малого напряжения при помощи высокочувствительного гальванометра, к которому сначала подключают источник неизвестного напряжения и определяют отклонение указателя, а затем с помощью регулируемого источника известного напряжения добиваются того же отклонения указателя. При этом известное напряжение равно неизвестному.
Метод совпадения, при котором измеряют разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Пример: измерение частоты вращения детали с помощью мигающей лампы стробоскопа: наблюдая положение метки на вращающейся детали в моменты вспышек лампы, по известной частоте вспышек и смещению метки определяют частоту вращения детали.
Классификация методов измерений приведена на рис. 1.1.
1.4. Средства измерений
Средство измерений – техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроиз-водящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности и в течение известного интервала времени.
По метрологическому назначению средства измерений подразделяются:
на рабочие средства измерений (РСИ), предназначенные для измерений физических величин, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. РСИ являются самыми многочисленными и широко применяемыми;
образцовые средства измерений, предназначенные для обеспечения единства измерений в стране.
По стандартизации средства измерений подразделяются:
на стандартизованные средства измерений, изготовленные в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта;
нестандартизованные средства измерений – уникальные средства измерений, предназначенные для специальной измерительной задачи, в стандартизации требований к котороым нет необходимости. Нестандартизованные средства измерений не подвергаются государственным испытаниям (поверкам), а подлежат метрологическим аттестациям.
По степени автоматизации средства измерений подразделяются:
на автоматические средства измерений, производящие в автоматическом режиме все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала;
автоматизированные средства измерений, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций;
неавтоматические средства измерений, не имеющие устройств для автоматического выполнения измерений и обработки их результатов.
По конструктивному исполнению средства измерений подразделяются:
на меры;
измерительные преобразователи;
измерительные приборы;
измерительные установки;
измерительно-информационные системы.
Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Мера выступает в качестве носителя единицы физической величины и служит основой для измерений. Примеры мер: нормальный элемент – мера ЭДС с номинальным напряжением 1В; кварцевый резонатор – мера частоты электрических колебаний.
Измерительный преобразователь – средство измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному наблюдению человеком. По месту, занимаемому в измерительной цепи, измерительные преобразователи делятся на первичные и промежуточные. Первичный измерительный преобразователь (датчик) находится в непосредственном контакте с измеряемой величиной.
Измерительный прибор – средство измерений, предназ-наченное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия человеком (оператором).
Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного наблюдения человеком, и расположенная в одном месте. Измерительная установка может включать в себя меры, измерительные приборы и преобразователи, а также различные вспомогательные устройства.
Измерительно-информационная система – совокупность средств измерений, расположенных в различных точках контролируемого пространства, соединенных между собой каналами связи, которая предназначена для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи, хранения и (или) использования в автоматических системах управления.