2.4 Принципы, методы и методики измерений

Измерение физической величины, как сказано выше, представляет собой, в конечном счёте, сравнение её размера с её единицей. Однако непосредственное сравнение, сопоставление измеряемой величины и её единицы возможно в ограниченном числе случаев, например, измерение длины плоского тела с чёткими границами приложением измерительной линейки, плоского угла – с помощью транспортира. В большинстве же случаев непосредственное сравнение измеряемой величины с её единицей невозможно или в значительной степени затруднено. И в этих случаях прибегают к опосредованному, непрямому сравнению, когда непосредственно сравниваются однородные величины, которые получают путём преобразования измеряемой величины и единицы этой величины, воспроизводимой некой мерой, в другие физические величины, очень часто даже другой физической природы. Данные преобразования реализуются на основе известных физических явлений или эффектов. Простейшим примером подобных преобразований являются преобразования, используемые при измерении массы груза с помощью рычажных весов (взвешивании): преобразование массы груза и массы гирь (меры) в поле тяготения Земли в пару сил, эти силы на плечах весов создают моменты сил, которые и сравниваются уже непосредственно. Другой пример – измерение температуры с помощью термоэлектрического преобразователя, в котором измеряемая температура преобразуется в электродвижущую силу, которая, в свою очередь, преобразуется в вольтметре в перемещение стрелки вдоль шкалы.

Так вот, физическое явление (одно или несколько), положенное в основу измерения конкретной ФВ, называется принципом измерений. В настоящее время находят применение самые разнообразные принципы измерений; нет практически таких известных физических явлений или эффектов, которые бы не использовались в качестве принципов измерений. Примерами наиболее широко используемых принципов измерений можно назвать такие как весовой, гидростатический, гидродинамический, индуктивный и индукционный, электромагнитный, кондуктометрический, оптико-электронный, термометрический, пирометрический, доплеровский, радиационный и т.д.

Принцип измерений реализуется через приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей, который (которая) называется методом измерений. Метод измерений может целиком осуществляться средством измерений, в этом случае он имеет ещё название принципа действия средства измерений, или через использование одного или нескольких средств измерений и вспомогательного оборудования субъектом измерений (оператором) в соответствии с определённой процедурой.

Следует отметить, что в метрологической практике довольно часто метод измерений понимают и трактуют расширительно, не делая различия между принципом и методом измерений; отсюда возникает, к сожалению, некоторая терминологическая неопределённость.

Всё многообразие методов измерений в метрологии принято разделять на два основных – метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки – это метод, по которому измеряемая величина проходит ряд последовательных преобразований в полном своём размере. Правда, стандартное определение этого метода даётся в другой формулировке: «метод, по которому значение измеренной величины определяют непосредственно по показывающему устройству средств измерений». Однако такое определение, да и само название метода не отражают его сути, не соответствуют фактическому его содержанию, не содержат признаков, по которым его можно было бы чётко и непротиворечиво противопоставить второму методу – методу сравнения с мерой. Примеры реализации метода непосредственной оценки: измерение длины детали штангенциркулем, массы на циферблатных или электронных весах, температуры стеклянным термометром, давления газа деформационным манометром, напряжения вольтметром.

Метод сравнения с мерой – метод, по которому измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Другими словами, согласно этому методу при каждом отдельном измерении физической величины используется мера этой величины, чего нет при методе непосредственной оценки. При этом мера, чаще всего, является многозначной (изменяемой) или представляет собой набор мер с разными значениями воспроизводимой величины. Обязательным элементом, используемом при этом методе, является устройство сравнения (компаратор); иногда функцию сравнения выполняет сам субъект измерений (оператор). Примеры: измерение массы на рычажных весах, напряжения постоянного тока компенсатором, длины какого-либо предмета с помощью измерительной линейки (линейка – многозначная мера), частоты вращения тела с помощью стробоскопа.

Метод сравнения с мерой обычно понимают и трактуют как метод, по которому в качестве меры используют меру именно измеряемой величины. Однако известны реализации данного метода, когда с мерой сравнивается не сама измеряемая величина, а величина, в которую она преобразуется и которая может быть величиной другой физической природы; пример: измерение температуры с использованием термоэлектрического преобразователя (термопары) и электрического компенсатора постоянного тока в качестве средства измерения электродвижущей силы на выходе преобразователя, и мерой здесь выступает мера э. д. с., а не температуры.

Метод сравнения с мерой в свою очередь разделяют на ряд его частных воплощений: нулевой метод, дифференциальный метод, метод измерений с замещением.

Нулевой метод измерений – метод сравнения с мерой, согласно которому разность между размером измеряемой величины и размером величины, воспроизводимой мерой, доводят до нуля. Метод осуществляется с обязательным использованием многозначной меры или комплекта мер, и предполагает наличие отрицательной обратной связи, выполняемой вручную оператором или автоматически. Примерами реализации нулевого метода являются все выше приведённые примеры метода сравнения с мерой.

Дифференциальный метод измерений – метод сравнения с мерой, согласно которому разность между размером измеряемой величины и размером величины, воспроизводимой мерой, до нуля не доводят, а измеряют соответствующим средством измерений. При этом используется однозначная мера со значением воспроизводимой величины, близким к ожидаемому значению измеряемой величины. Примеры: измерение плотности плотномером с двумя сосудами и двумя поплавками, когда в одном из сосудов находится жидкость с известной плотностью (мера плотности), а в другом – жидкость с измеряемой плотностью; измерение отклонения действительного размера детали от номинального, который задаётся мерой длины, с помощью узкодиапазонного рычажно-зубчатого индикатора, установленного на измерительной стойке.

Метод измерений с замещением – метод сравнения с мерой, согласно которому измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Данный метод реализуется путём проведения последовательно двух измерений методом непосредственной оценки: на вход средства измерений сначала подают измеряемую величину и фиксируют результат измерений, затем на вход этого же средства измерений подают величину, воспроизводимую многозначной мерой, и, изменяя её размер, доводят результат повторного измерения до прежнего значения. Метод измерений с замещением применяют обычно для снижения погрешности измерений по сравнению с погрешностью используемого средства измерений. Пример: взвешивание с поочерёдным помещением измеряемого груза и гирь на одну и ту же чашку циферблатных весов.

Наряду с названными выше двумя основными методами измерений и их вариантами выделяют ещё такие как контактный и бесконтактный методы измерений. Строго говоря, эти методы не подпадают под определение метода измерений и точнее было бы назвать их принципами измерений, поскольку речь здесь идёт о наличии или отсутствии механического контакта между объектом и средством измерений. Физический контакт (взаимодействие) объекта и средства измерений должен быть всегда, иначе ни о каком измерении говорить не имеет смысла; и эти контакты могут быть не только механическими, но и оптическими, электромагнитными, акустическими, радиационными.

Реализация принципов и методов измерений в значительном числе случаев требует участия субъекта измерений (оператора, экспериментатора) в процессе измерений. По числу и сложности выполняемых процедур, действий измерения значительно отличаются друг от друга. И чем сложнее измерения, тем полнее и детальнее должны быть указания для оператора. В простейших случаях (прямые измерения методом непосредственной оценки) достаточно простого умения снять показания со шкалы (цифрового табло) средства измерений (тем более, если все подготовительные операции уже выполнены), и при этом не требуется наличие особых, да ещё в письменном виде указаний. Лабораторные (особенно физико-химические), исследовательские, метрологические измерения, выполняемые в соответствии со сложным, многостадийным принципом, многократные, косвенные, совместные и совокупные измерения без подробных и исчерпывающих указаний по их подготовке и проведению выполнить невозможно.

Такие указания называются методиками измерений (ранее – методиками выполнения измерений, МВИ), и они представляют собой установленную совокупность операций и правил при измерении, обеспечивающую получение результатов измерений с гарантированной точностью. Методики измерений оформляются в виде официальных документов. Общие положения и требования к их разработке, аттестации, стандартизации и метрологическому надзору за ними установлены ГОСТ Р 8.563 – 96 «ГСИ. Методики выполнения измерений».

В документах, регламентирующих методики измерений, в общем случае указывают: назначение методики; условия выполнения измерений; метод (методы) измерений; нормы погрешности измерений; требования к средствам измерений, вспомогательным устройствам, материалам; операции при подготовке к выполнению измерений, в том числе требования к отбору, транспортировке, подготовке, хранению образцов или проб веществ и материалов, являющихся объектами измерений; операции при выполнении измерений; операции обработки и вычислений результатов измерений, в том числе погрешностей; требования к оформлению результатов измерений; требования к квалификации операторов; требования к обеспечению безопасности выполняемых работ и экологической безопасности; другие, специфические требования и операции.

Методики измерений в зависимости от сложности и области применения излагают или в виде отдельного документа (стандарта, инструкции, рекомендации и т.п.), или части, раздела более общего документа (стандарта на продукцию, технических условий, конструкторского или технологического документа). Все методики измерений подлежат обязательной метрологической аттестации в соответствующих (государственных и негосударственных) метрологических службах. Методики измерений, предназначенные для применения в сфере государственного метрологического регулирования, подлежат регистрации в Федеральном реестре.

Примеры действующих методик измерений: ГОСТ 8. 268 – 77 «ГСИ. Методика выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик магнитотвёрдых материалов»; ГОСТ 8. 361 – 79 «ГСИ. Расход жидкости и газа. Методика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы»; ГОСТ 8.434 – 81 «ГСИ. Влажность зерна и продуктов его переработки. Методика выполнения измерений диэлькометрическими и резистивными влагомерами»; МИ 103 – 76 «Методика измерения линейных параметров поперечного сечения цилиндрических деталей с учётом отклонения формы сечения от круга».