2.2 Классификация измерений

Как и всякая классификация, классификация измерений строится по многоуровневому принципу. На верхнем уровне представлены области и соответствующие им виды измерений (таблица 2.1), внутри каждого вида различают ешё и подвиды:

- область измерений - совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой:

- вид измерений - часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин:

- подвид измерений - часть вида измерений, выделяющаяся особенностями измерений однородной величины (по диапазону, по размеру величины и др.), например, при измерении длины выделяют измерения больших длин (в десятках, сотнях, тысячах километров) или измерения сверхмалых длин - толщин пленок.

Таблица 2.1 – Области и виды измерений

Область измерений	Вид измерений
Измерения геометрических величин	Измерение длин; отклонений формы поверхностей; параметров сложных поверхностей; углов
Измерения механических величин	массы; силы; крутящих моментов, напряжений и деформаций; параметров движения; твердости.
Измерения теплотехнических параметров	Измерение температуры, потока, расхода, уровня, объема веществ: массового и объемного расхода жидкостей в трубопроводах; расхода газов; вместимости; параметров открытых потоков; уровня жидкости.
Измерения давлений, вакуумные измерения	Измерение избыточного давления; абсолютного давления; переменного давления; вакуума.

Продолжение таблицы 2.1

Область измерений	Вид измерений
Физико-химические измерения	Измерение вязкости; плотности; содержаний (концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных веществах; влажности газов, твердых веществ; электрохимические измерения.
Теплофизические измерения	Измерение теплофизических величин: теплоемкости, калориметрия, коэффициентов теплопередачи и др.
Измерения времени и частоты	Измерения времени и интервалов времени; измерения частоты периодических процессов; измерения с использованием методов и средств воспроизведения и хранения единиц и шкал времени и частоты; методов и средств передачи размеров единиц времени и частоты.
Измерения электрических и магнитных величин на постоянном и переменном токе	Измерения силы тока, количества электричества, электродвижущей силы, напряжения, мощности и энергии, угла сдвига фаз; электрического сопротивления, проводимости, емкости, индуктивности и добротности электрических цепей; параметров магнитных полей; магнитных характеристик материалов.
Радиоэлектронные измерения	Измерения интенсивности сигналов; параметров формы и спектра сигналов; параметров трактов с сосредоточенными и распределенными постоянными; свойств веществ и материалов радиотехническими методами; антенные измерения.
Измерения акустических величин	Измерения акустические - в воздушной среде и в газах; акустические - в водной среде; акустические - в твердых телах; аудиометрия и измерения уровня шума.
Оптические и оптико-физические измерения	Измерения световые, оптических свойств материалов в видимой области спектра; энергетических параметров некогерентного оптического излучения; энергетических параметров пространственного распределения энергии и мощности непрерывного и импульсного лазерного и квазимонохроматического излучения; спектральных, частотных характеристик, поляризации лазерного излучения; параметров оптических элементов, оптических характеристик материалов; характеристик фотоматериалов и оптической плотности.
Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант	Измерения дозиметрических характеристик ионизирующих излучений; спектральных характеристик ионизирующих излучений; активности радионуклидов; радиометрических характеристик ионизирующих излучений.

В основу классификации на следующих уровнях положены методы измерения, каждый из которых представляет из себя прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Принцип измерений - физическое явление или эффект, положенное в основу измерений, например, применение эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения, применение эффекта Пельтье для измерения поглощенной энергии ионизирующих излучений, применение эффекта Доплера для измерения скорости, использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием.

Измерения классифицируют по целому ряду признаков, как показано на рисунке 2.1.

В зависимости от точности средств измерений и условий их применения измерения подразделяют на:

- равноточные (равноточный ряд измерений) - ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью; прежде чем обрабатывать ряд измерений, необходимо убедиться в том, что все измерения этого ряда являются равноточными;

- неравноточные измерения - ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях; ряд неравноточных измерений обрабатывают с учетом веса отдельных измерений, входящих в ряд.

По количеству проведения измерений выделяют:

- однократные измерения, выполненные один раз. Во многих случаях на практике выполняются именно однократные измерения;

Пример - Измерение конкретного момента времени по часам производится один раз.

- многократные измерения физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящие из ряда однократных измерений.

По отношению к основным единицам измерения выделяют:

- абсолютное измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант;

Пример - Измерение силы F = mg основано на измерении основной величины - массы т и использовании физической постоянной g (в точке измерения массы).

- относительное измерение – это измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Пример - Измерение активности радионуклида в источнике по отношению к активности радионуклида в однотипном источнике, аттестованном в качестве эталонной меры активности, является относительным измерением.

Рисунок 2.1 – Классификация измерений

По характеру изменения измеряемой величины во времени можно выделить:

- статическое измерение - измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения, например, измерение длины детали при нормальной температуре, измерение размеров земельного участка;

- динамическое измерение - измерение изменяющейся по размеру физической величины, например, измерения пульсирующих давлений, вибраций, частотных характеристик. Строго говоря, все физические величины подвержены тем или иным изменениям во времени. В этом убеждает применение все более и более чувствительных средств измерений, которые дают возможность обнаруживать изменение величин, ранее считавшихся постоянными, поэтому разделение измерений на динамические и статические является условным.

По целям измерений, определяющим точность результата, выделяют:

- измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. К ним относятся в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения и др.). К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности. Например, поверка мер и измерительных приборов, состоящая из ряда операций, проводимых с целью установления соответствия поверяемых приборов требованиям, которые предъявляются к ним стандартами, инструкциями, другой научно-технической документацией;

- контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторое заданное значение. К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями с погрешностью заранее заданного значения;

- технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Техническими измерениями являются:

1) лабораторные измерения, которые проводят при различных разработках и исследованиях; отличаются большим разнообразием, сложностью и применением наиболее точной измерительной аппаратуры;

2) эксплуатационные, которые проводят с целью контроля и обеспечения необходимых технологических режимов различных производственных установок, действующей аппаратуры на различных стадиях технологического (производственного) процесса, где различают:

a) входной контроль, которому подвергают сырьё, исходные материалы, полуфабрикаты, комплектующие изделия, техническую документацию и т.п., иначе говоря, всё то, что используется при производстве продукции или её эксплуатации;

б) операционный (производственный, технологический) контроль ещё незавершённой продукции проводится на всех операциях производственного процесса;

в) приёмочный (приемо-сдаточный) контроль готовых, сборочных и монтажных единиц осуществляется в конце технологического процесса при передаче готовой продукции потребителю.

В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе, измерения можно разделить на:

- измерения инструментальным методом, основанным на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических;

- измерения экспертным методом, основанным на использовании данных нескольких специалистов. Данный метод широко применяется в квалиметрии, спорте, искусстве, медицине;

- измерения эвристическим методом, основанным на интуиции. В данном случае широко используют способ попарного сопоставления, когда измеряемые величины сначала сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основании результатов этого сравнения;

- измерения органолептическим методом, основанным на использовании органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, слуха и вкуса). Данный метод часто использует измерения на основе впечатлений (конкурсы мастеров искусств, соревнования спортсменов).

В зависимости от совокупности измеряемых параметров можно выделить:

- поэлементный метод измерения, который характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности (например, эксцентриситета, овальности, огранки цилиндрического вала);

- комплексный метод измерения, который характеризуется измерением суммарного показателя качества, на который оказывают влияние отдельные его составляющие (например, измерение радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.).

По характеру взаимодействия средства измерения с объектом измерения:

- измерения контактным методом, основанным на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения;

Примеры:

- измерение диаметра вала измерительной скобой или контроль проходным калибром;

- измерение температуры тела термометром сопротивления или термопарой.

- измерения бесконтактным метод, основанным на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения.

Примеры:

- измерение температуры в доменной печи пирометром;

- измерение расстояния до объекта радиолокатором.

По способу получения результата измерения подразделяются на:

- прямые - измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах, например, измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов и др.;

- косвенные - определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной.

Пример - Определить электрическое сопротивление Rн можно, применив метод вольтметра и амперметра, включив их по схемам, представленным на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Измерение электрического сопротивления методом вольтметра-амперметра

Прямыми измерениями получаем значения величин электрического тока I и напряжения V, после чего по формуле

определяем искомое сопротивление. По результатам этих же измерений определяем и электрическую мощность , которая, как известно, выражается формулой

,

где cos при постоянном токе равен нулю.

Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка;

- совокупные - проводимые одновременно измерения двух или нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях этих величин в различных сочетаниях;

Пример – При измерении электрического сопротивления заземления (рисунок 2.3) попарно измеряют сопротивление трех заземлений – одного основного (рабочего) R_x и двух вспомогательных R_y и R_z :

Рисунок 2.3 – Схема для определения сопротивления защземления с помощью совокупных измерений

Решение системы уравнений R₁=R_x +R_y; R₂=R_y +R_z; R₃=R_x +R_z позволяет определить значения искомых величин R_x ,R_y и R_z.

- совместные - проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними.

Пример - Требуется определить зависимость сопротивления R резистора от температуры t. Связь между этими величинами приближенно описывается формулой

,

где сопротивление этого резистора при ,  - температурный коэффициент сопротивления. Для нахождения значений и  следует при двух каких-либо значениях температуры t₁ и t₂ измерить электрические сопротивления R₁ и R₂, затем решить систему уравнений

.

По способу получения значений измеряемых величин прямые измерения подразделяют на:

- измерения методом непосредственной оценки, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерений, например, измерение силы тока амперметром, напряжения вольтметром. Этот метод является наиболее распространенным, но его точность зависит от точности измерительного прибора;

- измерения методом сравнения с мерой (метод сравнения), в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Примеры:

- измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известным значением).

- измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента.

При этом 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 веса с помощью рычажных весов и набора гирь;

- нулевой метод - метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля, что фиксируется высокочувствительным прибором – нуль-индикатором, например, измерение сопротивления резистора с помощью четырехплечевого моста, в котором падение напряжения на резисторе с неизвестным сопротивлением уравновешивается падением напряжения на резисторе известного сопротивления;

- метод замещения - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. При этом методе может быть достигнута высокая точность измерений при высокой точности меры известной величины и высокой чувствительности прибора;

Примеры:

- 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;

- взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов (метод Борда).

- метод дополнения, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению:

- дифференциальный метод, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами;

Примеры:

- измерения, выполняемые при поверке мер длины сравнением с эталонной мерой на компараторе;

- измерение напряжения постоянного тока с помощью дискретного делителя напряжения, источника образцового напряжения и вольтметра.

- метод совпадения, при котором измеряют разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов; например, 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.