Методы измерений

Методом измерения называется прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения.

Принцип измерения – физическое явление или эффект, положенный в основу измерения.

Лекция 5

На основании РМГ 29-99 и руководствуясь общепринятой метрологической практикой можно построить следующую систему классификации методов измерений.

Любое измерение всегда можно отнести к одному из двух наиболее общих методов измерений. А именно методу непосредственной оценки или методу сравнения с мерой.

Такая классификация методов является наиболее общей и в ее основе лежит критерий: наличие или отсутствие овеществленной меры при выполнении измерений, воспроизводящий с необходимой точностью физическую величину определенного размера, являющейся одноименной с измеряемой физической величиной.

Метод непосредственной оценки – метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерения. Этот метод можно описать уравнением

Q = X_п

Q - Измеряемая физическая величина

X_п - Показание отсчетного устройства используемого измерительного прибора.

В соответствии с этим уравнением, искомое значение измеряемой физической величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

При использовании метода непосредственной оценки также производится сравнение измеряемой физической величины с мерой, принятой за единицу, но в этом случае мера в явном виде отсутствует, она условно «заложена» в измерительный прибор опосредованно за счет соответствующей его градуировки. Прибор осуществляет преобразование входного сигнала измерительной информации соответствующего всей измеряемой величине, после чего и происходит оценка его значения.

Метод сравнения – метода измерений, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Данный метод описывается уравнением вида:

Q = X_м + X_п

Q – измеряемая физическая величина

X_м - величина, воспроизводимая мерой

X_п - показание отсчетного устройства использованного СИ (средства измерения), зафиксированное с учетом знака.

Таким образом, при реализации этого метода искомое значение измеряемой ФВ (физической величины) определяют по результатам ее сравнения с некоторой известной физической величиной, называемой мерой.

При этом в качестве мер могут использоваться, например, концевые меры длины, угловые призматические меры, гири, эталонные резисторы и т.д.

Принципиальные различия между этими двумя методами измерений заключаются в том, что метод непосредственной оценки в полной мере реализуется с помощью приборов без дополнительного применения овеществленных мер.

В то же время, метод сравнения с мерой предусматривает обязательное использование овеществленной меры, которая в явном виде воспроизводит с требуемой точностью физическую величину определенного размера близкого к измеряемой ФВ.

Примеры реализации метода сравнения с мерой: измерение массы с помощью рычажных весов при их уравновешивании гирями, измерение сопротивления резистора с помощью измерительного моста с использованием эталонных резисторов и т.д.

При прочих равных условиях метод сравнения с мерой позволяет обеспечить более высокую точность, поскольку при его реализации задействуются меньшие участки диапазона преобразований используемых средств измерений, меньшие участки шкал, что в конечном итоге приводит к меньшим инструментальным погрешностям.

Метод сравнения с мерой, в зависимости от особенностей его реализации, подразделяется на такие разновидности, как:

1. Дифференциальный метод

2. Нулевой метод

3. Метод замещения

4. Метод противопоставления

5. Метод дополнения

6. Метод совпадения

В зависимости от степени приближения размеров воспроизводимого мерой к измеряемой величине выделяют дифференциальный и нулевой методы.

Дифференциальный метод – метод сравнения с мерой, при которой измеряемая физическая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.

Этому методу соответствует

Xп ≠ 0

в общем выражении описывающему метод сравнения с мерой.

Фактически дифференциальный метод – метод, при котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой.

Пример реализации дифференциального метода: измерение диаметра цилиндрической детали с помощью измерительной головки (например индикатор часового типа), закрепленной в стойке или штативе с настройкой на ноль по концевой мере длины или блоку мер.

Нулевой метод – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой доводят до нуля.

Этому методу соответствует условие X_п = 0, в общем выражении описывающему метод сравнения с мерой.

Q = X_м

Пример – измерение массы с помощью рычажных весов при полном их уравновешивании гирями.

В зависимости от (не)одновременности воздействия на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой различают метод измерения замещением (метод замещения) и метод противопоставления.

Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.

Пример: взвешивание массы по методу Борда с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашу весов. Такой подход позволяет учесть влияние на погрешность измерения неодинаковости плеч рычага весов.

В более широкой трактовке в методу замещения относят также метод, при котором известную величину, воспроизводимую мерой, после настройки прибора на ноль, замещают измеряемой величиной. Таким образом, для метода замещения характерна последовательная схема воздействия на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой (последовательная схема воздействия).

Примером метода замещения является также рассмотренное выше измерение диаметра головки, закрепленной в стойке.

Метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение их размеров.

Пример: измерение массы с помощью рычажных весов при их уравновешивании гирями.

При прочих равных условиях метод замещения позволяет обеспечить более высокую точность по сравнению с методом противопоставления.

Это связано с тем, что при измерении методом замещения измеряемая физическая величина и величина, воспроизводимая мерой, включаются в одну и ту же измерительную цепь или участок измерительной цепи, за счет чего исключается влияние асимметрии (неодинаковости) разных участков измерительной цепи, в которые включаются мера и объект измерения при выполнении измерений по методу противопоставления (например, неодинаковость плеч рычага в весах). Это основной недостаток метода противопоставления, которому характерна схема параллельного воздействия на прибор сравнение измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, что графически интерпретируется следующим образом:

Метод дополнения – метод сравнения с мерой, при котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.

Этот метод может быть реализован как по схеме метода замещения, так и по схеме метода противопоставления.

Лекция 6

Метод совпадения – метод сравнения с мерой, при котором искомое значение физической величины определяют по совпадению его с некоторым известным значением, воспроизводимым мерой (с фиксированной отметкой на шкале данной физической величины).

Такое совпадение может определяться либо с использованием приборов сравнения, либо органолептически, путем фиксирования проявления определенного физического эффекта. Например, стробоскопический эффект (стробоскопический тахометр), совпадение резонансных частот, плавление или застывание некоторого индикаторного вещества при достижении определенной температуры и другие эффекты.

Стробоскопический эффект (если частота колебаний = частоте вращения, метка на валу неподвижна)