2.3 Виды измерений

Измерения по содержанию операций, порядку их проведения, по их назначению и целям и по многим другим признакам весьма разнообразны. Чтобы разобраться в этом многообразии и тем самым способствовать наиболее рациональному и эффективному решению измерительных задач, измерения классифицируют, разделяют на разные виды в соответствии с разными критериями. Далее приводится такая классификация в соответствии со стандартом на метрологические термины.

• По виду, природе объектов измерений и измеряемых величин различают такие виды измерений как линейно-угловые, времени и частоты, механические, теплотехнические, электро- и радиотехнические, физико-химические, акустические, оптические, радиационные, медицинские. Каждый из этих видов измерений имеет свою специфику, свою нормативную базу, свою номенклатуру средств измерений, свои кадры специалистов. Однако надо иметь в виду, что данное деление измерений на виды в значительной степени условно, поскольку реальные объекты измерений, будь то в науке или в производстве, представляются в виде комплексов самых разнообразных видов свойств и физических величин.

• По общим приёмам получения результатов измерения делят на: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения – измерения, при которых искомое значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных. Другими словами, при прямых измерениях результат измерения выдаётся на выходе средства измерений в готовом виде, пригодным для восприятия человеком или каким-либо техническим средством. Примеры: измерение массы с помощью циферблатных весов, измерение силы электрического тока с помощью амперметра, измерение температуры в печи с помощью термоэлектрического преобразователя, выдающего на своем выходе напряжение, пропорциональное температуре.

Косвенные измерения – измерения, при которых значение искомой величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. К косвенным измерениям прибегают в том случае, когда средств измерений для прямого измерения данной величины вообще не существует, либо они отсутствуют у конкретного субъекта измерений, либо они слишком сложны и дорогостоящи и их нецелесообразно использовать для единичных и редко выполняемых измерений. Наиболее часто к косвенным измерениям прибегают при измерении свойств и состава физических объектов (плотность, вязкость, удельное электрическое сопротивление, прозрачность, теплоёмкость, химический состав и т.п.). Примеры: измерение электрического сопротивления проводника с помощью прямых измерений силы тока в проводнике и приложенного к нему напряжения с последующим расчётом искомого сопротивления по формуле закона Ома, измерение плотности твёрдых тел с помощью прямых измерений его размеров (объёма) и массы с последующим вычислением отношения массы к объёму. По мере развития измерительной техники косвенные измерения переводят в прямые, когда вычисление искомой величины производится автоматически самим средством измерений (примеры: измерение сопротивления омметром, измерение плотности жидкостей плотномером).

Совокупные измерения – производимые одновременно измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, составляемых на основе прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Эти измерения обычно применяют при метрологических измерениях, например, при определении масс отдельных гирь в наборе по известной массе одной из них путём измерения (сравнения) масс различных сочетаний гирь.

Совместные измерения – производимые одновремённо прямые измерения двух или нескольких не одноимённых (разнородных) величин с последующим нахождением искомых величин путём составления и решения системы уравнений, связывающих искомые и прямо измеряемые величины. При этом число прямо измеряемых величин и число уравнений связи, составляющих систему, должно быть равно (или больше) числу косвенно измеряемых величин. Примером таких измерений может служить измерение характеристик R_o (сопротивление при нулевой температуре) и α (температурный коэффициент) термопреобразователя сопротивления путём прямых измерений значений его сопротивления при разных температурах с последующим составлением и решением системы уравнений. Поскольку неизвестных (искомых) величин в данном случае две, то уравнений минимум должно быть тоже два. Уравнение связи (характеристика преобразования термопреобразователя) известно и имеет вид R_t = R_o(1+αt). Выполняется два опыта, при которых прямо измеряются сопротивление R_t и температура t. На основании этих двух опытов составляется система уравнений

R_t1 = R_o (1+αt₁)

R_t2 = R_o (1+αt₂).

Решая эту систему уравнений, находят значения искомых величин.

• По числу измерений (опытов, экспериментов) различают измерения: однократные, многократные, периодические и непрерывные.

Однократные измерения – измеряемая (искомая) величина измеряется один раз (проводится один опыт, эксперимент) при условии, что она является неизменной во времени. В производственной практике чаще всего выполняются однократные измерения; иногда для большей уверенности в полученном результате (исключения субъективных ошибок) выполняют 2 – 3 измерения (повторных или параллельных) одной и той же величины (обычно при химических анализах).

Многократные измерения – измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получают обработкой различающихся результатов нескольких отдельных измерений, выполненных одним и тем же средством измерений в одних и тех же условия, следующих друг за другом и (или) распределённых в пространстве. Результатом многократных измерений является, как правило, среднее арифметическое значение результатов отдельных измерений. Многократные измерения чаще всего проводят при метрологических измерениях, при научно-исследовательских экспериментах, иногда в производственных лабораториях.

Периодические измерения – измерения меняющейся во времени величины с целью отслеживания изменения её размера. Интервалы времени между следующими друг за другом отдельными измерениями могут быть равными или не равными и зависящими от режима функционирования объекта измерений. Пример: измерение температуры в закалочной печи каждые полчаса с целью контроля хода технологического процесса.

Непрерывные измерения – предельный случай периодических измерений, когда интервал между двумя последовательными измерениями или совсем отсутствует, или настолько краток, что в течение его размер измеряемой величины остаётся (в пределах погрешности) неизменным. Периодические и непрерывные практически всегда являются измерениями прямыми, и находят широкое применение в производствах с непрерывными и циклическими процессами (металлургия, химическая и пищевая промышленность, энергетика, транспорт).

• По отношению к быстроте изменения измеряемой величины различают измерения статические и динамические.

Статическое измерение – измерение величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Другими словами, статические измерения являются таковыми, пока время отдельного измерения или время реагирования средства измерений остаётся существенно (на порядок) меньше времени возможного и заметного изменения измеряемой величины, т.е. t_реаг << t_изм. Большинство массовых измерений являются измерениями статическими, например, измерение диаметра цилиндрической детали с помощью штангенциркуля, измерение сопротивления резистора омметром. Поскольку большинство «сложных» средств измерений (рычажные весы, электромеханические вольтметры и амперметры, жидкостные и электрические термометры) обладают определенной инерционностью (механической, электрической, тепловой) по отношению к изменению измеряемой величины, то измерение с их использованием можно считать статическим только после того, когда в таком средстве измерений закончится переходной процесс после подачи на него измеряемой величины (стрелка прибора перестала колебаться и заняла неизменное положение, столбик ртути в термометре перестал изменять свою высоту).

Динамическое измерение – измерение величины с изменяющимся во времени размером, при котором на результат измерений оказывает влияние скорость её изменения. Измерения становятся динамическими, если время измерения или время реагирования средства измерений становится соизмеримым со временем возможного и существенного изменения измеряемой величины, т.е. . t_реаг ≈ t_изм. На практике в разряд динамических измерений попадают те, которые связаны с измерением меняющихся величин, время изменения размеров которых составляет единицы минут и менее, т.е. с измерением параметров и характеристик так называемых быстротекущих процессов, например, измерение давления и температуры в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания, измерение напряжений и токов в электрических сетях при переходных режимах. По мере совершенствования измерительной техники, в частности, с повышением быстродействия средств измерений динамические измерения многих величин переходят в разряд статических.

• В зависимости от использования единицы величины измерения разделяют на абсолютные и относительные.

Абсолютное измерение – измерение, при котором размер измеряемой физической величины сравнивается с её единицей, и результат измерения выражается именованным числом, т.е. с указанием узаконенной единицы данной величины: 5 м; 10 А; 20 ^оС.

Относительное измерение – измерение отношения величины к одноимённой величине, играющей роль единицы, или измерение изменения размера величины по отношению к размеру этой же величины, принятому за исходный. Относительные измерения не требуют использования или даже наличия единицы ФВ. Результат относительных измерений выражаются также в относительных единицах: процентах, децибелах, октавах. Чаще всего относительные измерения находят применение при измерении физико-химических и акустических величин, например, измерение отношения плотности анализируемого раствора к плотности базового, опорного раствора; измерение коэффициента пропускания оптического материала; измерение громкости звука. Относительные измерения являются во многих случаях менее совершенными, чем абсолютные; по мере развития метрологии и измерительной техники применение относительных измерений сокращается.

•По роли в метрологическом обеспечении измерения разделяются на метрологические и технические.

Метрологические измерения – измерения, проводимые в целях обеспечения единства измерения, при контроле и надзоре за единообразием и исправностью средств измерений (поверка, калибровка, метрологическая аттестация).

Технические измерения – измерения, проводимые в целях получения измерительной информации о свойствах объектов измерения при научных исследованиях, в производстве, торговле, медицине, спорте и в других сферах деятельности.

•По уровню точности измерения разделяют на равноточные и неравноточные.

Такое сопоставление измерений имеет место при многократных, косвенных, совокупных и совместных измерениях, а также измерениях, результаты которых в последующем подвергаются какой-либо совместной обработке или представляют собой комплексную оценку какого-либо объекта. Во всех этих случаях измерения должны быть равноточными, т.е. их погрешности по уровню должны быть близкими друг другу. В противном случае превалировать будут большие погрешности, и затраты, связанные с проведением измерений с малыми погрешностями, окажутся неоправданными. Так, например, если при косвенном измерении плотности вещества путём прямых измерений массы и объёма порции его обеспечиваются погрешности соответственно 0,1 и 1,0 %, то такие измерения следует считать неравноточными, поскольку погрешность измерения плотности практически целиком будет определяться погрешностью измерения объёма.

• По степени участия субъекта измерений (оператора, лаборанта, экспериментатора) в процессе проведения измерительного эксперимента измерения разделяются на ручные, автоматизированные и автоматические; эта степень определяется, главным образом, применяемыми средствами измерений.

Ручные измерения – измерения, при которых все основные измерительные операции и действия выполняются субъектом измерений. Примеры: измерение размера детали штангенциркулем, взвешивание груза на гирных весах, измерение электрического сопротивления проводника с помощью моста с ручным уравновешиванием, измерение напряжения в сети с помощью переносного вольтметра.

Автоматизированные измерения – измерения, при которых основные измерительные операции выполняются автоматически самим средством измерений, а остальные, как правило, вспомогательные выполняет оператор. Пример: взвешивание груза на электронных цифровых весах, при котором само взвешивание выполняется автоматически, а вспомогательные операции, такие как установка и снятие груза, ввод компенсации массы тары, снятие показаний с табло, выполняются вручную.

При автоматических измерениях все измерительные операции, в том числе вспомогательные и подготовительные, выполняются автоматически самим средством измерений, а оператору остаётся лишь снять показания или даже получить результаты измерений через их регистрацию на каком-то носителе. Если же автоматическое средство измерений входит в состав системы автоматического регулирования (например, температуры в печи), то в процессе измерения человек совсем не участвует.

Средства измерений, обеспечивающие проведение автоматических измерений, не обязательно должны представлять собой сложные технические системы (например, координатно-измерительные машины, конвейерные весы, компьютеризованные анализаторы крови), но и совсем простые устройства (примеры тому – метеорологический барограф, жидкостный термометр, деформационный манометр, электромагнитный амперметр или вольтметр).