11. Измерения. Виды и методы измерений.

4.1Виды измерений

Буквенное обозначение х будет относиться к входным измеряемым и у - к выходным измеренным величинам.

Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

Виды измерений:

Прямое измерение – это измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных или производятся непосредственно на основе показаний измерительных приборов(например, измерение температуры непосредственно термометром, массу тела – весами).

Косвенное измерение – определение искомого значения физической величины на основе результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной (например, нахождение значения сопротивления проводника по измеренным значениям напряжения и силы тока).

Совокупные измерения – это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (например, массы отдельных гирь, находят по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Совместные измерения – это проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними (например, нахождение зависимости сопротивления терморезистора при прямых измерениях температуры и сопротивления).

Многократные измерения физической величины х образуются на основе последовательности (серии) измерений, осуществленных, как правило, в одинаковых условиях. Указанные измерения обознача­ются как у_i ,

i = 0, 1,...,N-1, где i - номер измерения, N- число измере­ний.

Однократные измерения, обозначаемые в виде у, для физической величины х являются частным случаем многократных измерений при N = 1 (y = y₀).

Также бывают многомерные, равноточные и неравноточные измерения, статические и динамические, абсолютные и относительные.

Измерения могут быть классифицированы по виду измеряемых фи­зических величин:

• Теплофизические измерения, состоящие из измерений температуры, тепловых потоков, количеств тепла, теплоемкостей, коэффициентов теплопроводности и теплопередачи, холодопроизводительности и т. д.;

• Механические измерения, включающие измерения масс, плотностей веществ, расходов протекающих веществ, сил, давлений, механических напряжений, энергии, мощностей, перемещений, скоростей (линейных и угловых), ускорений, частот вращения, смещений уровней раздела сред и т. д.;

• Линейно-угловые измерения, включающие измерения линейных размеров, дуг, углов, а также площадей, объемов и т. д.;

• Электрические измерения, охватывающие измерения силы тока, напряжения, электрической мощности и энергии, фазовых сдвигов, измерения сопротивлений, емкостей и т. д.;

• Физико-химические измерения, включающие измерения влажности, измерения составов газов, физических характеристик веществ, концентрации веществ и т. д.;

• Виброакустические измерения, охватывающие измерения вибросмещений, виброскоростей, виброускорений, акустических давлений, акустической мощности как случайных сигналов, уровней вибраций и шумов, спектров вибраций и шумов и т. д.

Современные измерительные задачи реализуются с применением микроэлектроники и компьютерной техники, обеспечивающих получе­ние существенно эффективных измерений: наличие распределенных объектов измерения, состояние которых определяется совокупностью параметров и для которых производятся многоканальные измерения; применение системы сбора многоканальной измерительной ин­формации в ЭВМ; возможность управления от ЭВМ процессом измерения; реализацию в ЭВМ математической обработки больших объемов измерительной информации.

4.2 Методы измерений

Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенный в основу измерений (фотоэлектрический, термоэлектрический эффект и т.д.)

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Две группы методов:

1. Метод непосредственной оценки – заключается в определении величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например, взвешивание на циферблатных весах, определение размера детали с помощью микрометра. Достоинства данного метода: измерение проводится быстро и просто, не нужна высокая квалификация оператора, нет сложных измерений и установок. Недостатки: невысокая точность измерений из-за погрешностей, связанных с градуировкой шкал приборов и воздействием влияющих величин (нестабильность источников питания).

2. Метод сравнения с мерой – в нем измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

• дифференциальный метод – метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой.

Пример, При поверке концевых мер длины проверяемую меру (Х) сравнивают с мерой известной величины (Х₀) на компараторе, в качестве которого может быть использован, например, горизонтальный оптиметр. Мера Х₀ выбирается такой, чтобы разность а = Х - Х₀ была настолько малой (для оптиметра а 0.2мм), чтобы ее можно было измерить, используя шкалу оптиметра методом непосредственной оценки.

Измеряемая величина и погрешность ее

Х измерения соответственно равны:

Х=Х₀+а Δ_х=Δ₀+Δ_а, Х₀ а где Δ₀ – погрешность меры (или малая величина, которой можно пренебречь, или известная и ее можно исключить введением поправки в результат измерения).

Достоинства: относительно небольшая стоимость используемых средств измерений.

Недостатки: необходимость иметь набор мер во всем диапазоне измерения Х.

• нулевой метод - метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля.

Пример, Измерения электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.

R₁ a R₂ Равноплечий мост полностью уравновешен в том случае, если ток I в диагонали моста равен нулю, что возможно лишь при равенстве потенциалов точек а и б. Последнее возможно при равенстве отношений

=> .

R_x б R_o Если R₁=R₂ , то искомое значение R_x

равно значению, выставленному на магазин сопротивлений R₀. Отношение R₁/R₂ может быть равно 0.01; 0.1; 1; 10; 100; k и т.д., тогда R_X=k·R₀, т.е. достаточно просто достигается расширение диапазона измерений величины R_X при использовании той же многозначной меры R₀.

• метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Пример, Взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и туже чашку весов.

• метод совпадений – метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.

Пример, Измерение длины с помощью штангенциркуля с нониусом.

• метод перестановки – метод сравнения, при котором измерительные сигналы, поступающие от исследуемого объекта и меры, сравнивают до и после их взаимной перестановки.

• метод дополнений – метод сравнения, при котором измерительный сигнал, поступающий от исследуемого объекта, дополняют измерительным сигналом, поступающим от меры, и получают заданный суммарный измерительный сигнал.