1.4.2 Условия процесса измерения

В процессе измерения важную роль играют условия измерения – совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. Влияющая величина – это физическая величина, не измеряемая данным средством измерения, но оказывающая влияние на его результаты. Изменение условий измерения приводит к изменению состояния объекта измерения (измерение длины металлического стержня при температуре +200 градусов и при температуре -50 градусов дает различныерезультаты, измерение плотности гигроскопичных материалов при различной влажности окружающей среды). Влияние условий измерения на средство измерения проявляется в изменении его метрологических характеристик (измерение размеров объекта металлической линейкой при различной температуре окружающей среды, измерение веса динамометром при различных высотах над уровнем моря).

В соответствии с установленными для конкретных ситуаций диапазонами значений влияющих величин различают нормальные, рабочие и предельные условия измерений.

Нормальные условия измерений – условия, при которых влияющие величины имеют нормальные или находящиеся в пределах нормальной области значения, то есть в области, где изменением результата измерений под воздействием влияющей величины можно пренебречь в соответствии с установленными нормами точности. Нормальные условия измерений задаются в нормативно-технической документации на средство измерений. При нормальных условиях определяется основная погрешность данного средства измерения.

Рабочими называются условия измерений, при которых влияющие величины находятся в пределах своих рабочих областей, где нормируется дополнительная погрешность или изменение показаний средства измерений.

Предельные условия измерений – это условия, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющих величин, которые средство измерения может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик.

1.4.3 Принцип и метод измерения

Измерительная информация, т.е. информация о значениях измеряемой ФВ, содержится в измерительном сигнале.

Измерительный сигнал — это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой ФВ. Он поступает на вход средства измерения (СИ), при помощи которого преобразуется в выходной сигнал, имеющий форму, удобную либо для непосредственного восприятия человеком (субъектом измерения), либо для последующей обработки и передачи. Субъект измерения осуществляет выбор принципа, метода и средства измерений. Решение любой измерительной задачи связано с реализацией того или иного принципа измерений.

Принцип измерений — совокупность физических принципов, на которых основаны измерения, т.е. физическое явление или эффект, положенный в основу измерений тем или иным средством измерений.

Примерами принципов измерений являются:

•  применение эффекта Джозефсона для измерений электрического напряжения;

•  применение эффекта Доплера для измерения скорости;

•  использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием;

• зависимость сопротивления платины от температуры, реализованная в платиновых термометрах сопротивления;

• зависимость термо-ЭДС от разности температур, реализованная в термоэлектрических термометрах.

Метод измерения — это прием, или совокупность приемов, используемые для сравнения измеряемой ФВ с ее единицей, в соответствии с реализованным принципом измерения. Метод измерения должен по возможности иметь минимальную погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей или переводу их в разряд случайных.

Существует множество методов измерений, и по мере развития науки и техники их число увеличивается. Каждую физическую величину можно измерить, как правило, несколькими методами. Для их систематизации необходимо выделить общие характерные признаки. Одним из таких признаков является наличие или отсутствие при измерении меры. В зависимости от этого различают два метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой (рис. 1.2). Мерой называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Рис. 1.2. Классификация методов измерений

Наиболее распространен метод непосредственной оценки. Его сущность состоит в том, что значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например – измерение длины линейкой, напряжения вольтметром, тока амперметром (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Измерения при помощи метода непосредственной оценки: а) - измерение длины линейкой; б) - измерение тока амперметром.

Измерения с помощью этого метода проводятся очень быстро, просто и не требуют высокой квалификации оператора, поскольку не нужно создавать специальные измерительные установки и выполнять какие-либо сложные вычисления. Однако точность измерений чаще всего оказывается невысокой из-за погрешностей, связанных с необходимостью градуировки шкал приборов и воздействием влияющих величин (непостоянство температуры, нестабильность источников питания и пр.) .

Метод сравнения с мерой – в этом случае измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Точность измерения может быть выше, чем точность непосредственной оценки. Различают следующие разновидности метода сравнения с мерой: Дифференциальный метод, при котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. При этом уравновешивание измеряемой величины известной производится не полностью.

Пример: определение массы объекта по набору гирь и отклонению стрелки , измерение напряжения постоянного тока с помощью, источника образцового напряжения создающего напряжение Е₀ и вольтметра.

а) б)

– измеряется разность между измеряется разность между и

Х_и и Х₀ - она равна ΔЕ она равна .

Искомое значение Е_х = Е₀ + ΔЕ; Масса груза = +

Рис. 1.4. Дифференциальный метод измерения: а) - измерение напряжения постоянного тока с помощью, источника образцового напряжения Е₀ и вольтметра; б) измерение массы объекта по набору гирь и отклонению стрелки .

Нулевой метод является разновидностью дифференциального метода. Его отличие состоит в том, что подбором размера воспроизводимой мерой величины или путем ее принудительного изменения эффект воздействия сравниваемых величин на прибор сравнения доводят до нуля. Это контролируется специальным измерительным прибором высокой точности – нуль-индикатором. В этом случае компенсация воздействий влияющих величин оказывается более полной, а значение измеряемой величины принимается равным значению меры. Высокая чувствительность нуль-индикаторов, а также выполнение меры с высокой точностью позволяет получить малую погрешность измерения что результирующий эффект сравнения двух величин доводится до нуля. Это контролируется специальным измерительным прибором высокой точности – нуль-индикатором. В этом случае компенсация воздействий влияющих величин оказывается более полной, а значение измеряемой величины принимается равным значению меры.. Высокая чувствительность нуль-индикаторов, а также выполнение меры с высокой точностью позволяет получить малую погрешность измерения.

Пример нулевого метода (рис 1.5) – взвешивание на весах, когда на одном плече находится взвешиваемый груз, а на другом – набор эталонных грузов, измерение сопротивления резистора с помощью моста, в котором падение напряжения на резисторе с неизвестным сопротивлением уравновешивается падением напряжения на резисторе известного сопротивления (мере). Мостовая схема оказывается полностью уравновешенной (гальванометр G показывает нуль), когда выполняется следующее условие:

Таким образом, при полном уравновешивании искомая величина равна: =

а) б)

Рис. 1.5.Нулевой метод измерения: а) - измерение массы объекта по набору гирь ; б) - измерение сопротивления резистора с помощью моста.

Метод замещения, при котором производится поочередное подключение на вход прибора измеряемой величины и меры. Сущность метода в том, что измеряемая величина замещается в измерительной установке некоторой известной величиной, воспроизводимой мерой. Замещение может быть полным или неполным, в зависимости от чего говорят о методе полного или неполного замещения. При полном замещении показания не изменяются и результат измерения принимается равным значению меры. При неполном замещении для получения значения измеряемой величины к значению меры следует прибавить величину, на которую изменилось показание прибора. Поскольку оба измерения производятся одним и тем же прибором, в одинаковых внешних условиях то погрешность результата измерения уменьшается в значительной мере. Так как погрешность прибора неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора. Преимущество метода замещения - в последовательном во времени сравнении измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Благодаря тому, что обе эти величины включаются одна за другой в одну и ту же часть измерительной цепи прибора, точностные возможности измерений значительно повышаются по сравнению с измерениями, проводящимися с помощью других разновидностей метода сравнения, где несимметрия цепей, в которые включаются сравниваемые величины, приводит к возникновению систематических погрешностей.

–

а) б)

Рис. 1.6. Примеры использования метода замещения

Примеры метода замещения:

– измерение э.д.с. источника Е_х (рис.1.6,а). Поочередно подключаются измеряемый источник Е_х и эталонный Е₀ (регулируемая мера), тогда при одинаковых показаниях прибора

Е_х = Е_0.

– измерение большого электрического активного сопротивления путем поочередного измерения силы тока протекающего через контролируемый и образцовый резисторы(рис. 1.6,б). Измерение в этом случае распадается на два этапа, и результат определяется по двум измерениям: с участием измеряемого сопротивления резистора Rx на первом этапе и меры Rн – на втором.

При разных положениях переключателя В по показанию амперметра А получены значения токов:

. и Измеряемая величина определяется из соотношения:

Питание цепи при измерениях должно осуществляться от одного и того же источника постоянного тока. Выходное сопротивление источника тока и измерительного прибора – амперметра должно быть очень мало по сравнению с измеряемыми сопротивлениями.

Метод совпадений, представляет собой разновидность метода сравнения с мерой. При проведении измерений методом совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. По принципу метода совпадений построен нониус, входящий в состав ряда измерительных приборов. Так, например, шкала нониуса штангенциркуля (рис.1.7,а) имеет десять делений через 0.9 мм. Когда нулевая отметка шкалы нониуса оказывается между отметками основной шкалы штангенциркуля, это означает, что к целому числу миллиметров необходимо добавить число десятых долей миллиметра, равное порядковому номеру совпадающей отметки нониуса.

а) б)

Рис. 1.7. Использование метода совпадений при измерении линейных размеров.

Метод противопоставления заключается в том, что измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.

Примером нулевого метода противопоставления является взвешивание груза Х на равноплечих весах (рис. 1.8.), когда измеряемая масса груза Х равна массе гирь, ее уравновешивающих. Состояние равновесия определяют по положению указателя нуль-индикатора (он должен находиться на нулевой отметке). При взвешивании груза в случае дифференциального метода противопоставления масса груза Х уравновешивается массой гири и силой упругой деформации пружины значение которой отсчитывают по шкале прибора. Массу груза определяют как сумму массы гири и показаний, отсчитанных по шкале.

Рис. 1.8. Схема измерения методом противопоставления.