1.2.2. Методы измерений

Последовательность операций выполнения измерений, правила и приемы, позволяющие получить результат с требуемой точностью, излагаются в документе, который называется методикой выполнения измерений (МВИ).

Измерения, относящиеся к сфере государственного обеспечения единства измерений, должны выполняться по аттестованным методикам измерений.

Результаты измерений должны быть выражены в единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации.

Сбор сведений об аттестованных методиках измерений ведет Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений.

Приведем определения основных характеристик измерений.

Любое измерение представляет собой физический эксперимент, выполнение которого основано на использовании тех или иных физических явлений.

Совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, называется принципом измерения.

Например, применение эффекта Доплера для измерения скорости движения звезд, вращения небесных тел.

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

Например, проведение измерений с помощью ядерного магнитного резонанса (магнитные измерения); электронная спектроскопия (оптические измерения) и др.

Каждую физическую величину можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями как технического, так и методического характера.

В отношении технических особенностей можно сказать, что существует множество методов измерения, и по мере развития науки и техники число их всё увеличивается.

С методической стороны все методы измерений поддаются систематизации и обобщению по общим характерным признакам.

Различные методы измерений отличаются прежде всего организацией сравнения измеряемой величины с единицей измерения.

С этой точки зрения все методы измерений подразделяются на две группы:

- метод непосредственной оценки и

- методы сравнения.

Метод непосредственной оценки позволяет определить значение величины по отсчетному устройству средства измерения, которое заранее проградуировано в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых она зависит.

На этом методе основаны все показывающие (стрелочные) приборы (вольтметры, амперметры, ваттметры, счётчики энергии, термометры, тахометры и т.д.).

В методе непосредственной оценки мера в явном виде при измерении не присутствует, ее размеры перенесены на отсчётное устройство (шкалу) средства измерения заранее, при его градуировке.

Быстрота процесса измерения методом непосредственной оценки делает его часто незаменимым для практического использования, хотя точность измерений в большинстве случаев невелика.

Метод сравнения с мерой - метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Примеры: измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирь; измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с ЭДС нормального элемента и др.

Отличительная черта методов сравнения - непосредственное участие меры в процедуре измерения.

Обязательным в методе сравнения является наличие сравнивающего устройства.

Различают следующие разновидности метода сравнения.

Дифференциальный метод - метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой.

Пример: измерение массы на равноплечих весах, когда воздействие массы m_x на весы частично уравновешивается массой гирь m₀, а разность масс отсчитывается по шкале весов, градуированной в единицах массы.

В этом случае значение измеряемой величины m_x = m₀ + Δm, где Δm - показания весов.

Этот метод позволяет получить результат измерений с высокой точностью даже в случае применения относительно неточных измерительных приборов, если с большой точностью воспроизводится известная величина.

Пример. Необходимо измерить постоянное напряжение, истинное значение которого равно U_x = 0,99 В.

В распоряжении экспериментатора имеется набор вольтметров (или один многопредельный) с пределами измерения 0,01; 0,1 и 1 В.

Пусть погрешность каждого вольтметра при измерении величины, значение которой равно пределу измерения, составляет 1%.

Предположим, имеется образцовая мера напряжения U = 1 В, погрешность которой пренебрежимо мала.

Очевидно, что производя измерения методом непосредственной оценки, экспериментатор использует вольтметр с пределом измерения 1 В и получает результат измерения с погрешностью 1%.

При дифференциальном методе измерения экспериментатор включает источники измеряемого постоянного напряжения U_x и образцового напряжения U_o последовательно и встречно и измеряет их разность U_o - U_x = 0,01 В вольтметром с пределом измерения 0,01 В.

В этом случае разность U_o - U_x будет измерена с погрешностью 1%, а следовательно, значение напряжения будет определено с погрешностью 0,01%.

Эффект повышения точности результатов измерений, достигаемый при дифференциальном методе, тем значительнее, чем ближе значение меры к истинному значению измеряемой величины.

Когда результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля, дифференциальный метод измерений превращается в нулевой.

Очевидно, что в нулевом методе измерений используемая мера должна быть изменяемой (регулируемой), а прибор сравнения выполняет функции индикатора равенства нулю результирующего воздействия измеряемой величины и меры.

Нулевой метод позволяет получить высокие точности измерений.

Он используется, например, при измерении массы на равноплечих весах, когда воздействие на весы массы m_x полностью уравновешивается массой гирь m₀; при измерениях электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием или постоянного напряжения компенсатором постоянного тока.

Метод замещения - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Пример: взвешивание на пружинных весах. Измерение производят в два приема. Вначале на чашу весов помещают взвешиваемую массу и отмечают положение указателя весов; затем массу m_x замещают массой гирь m₀, подбирая ее так, чтобы указатель весов установился точно в том же положении, что и в первом случае. При этом ясно, что m_x = m₀.

Метод замещения можно рассматривать как разновидность дифференциального или нулевого, отличающуюся тем, что сравнение измеряемой величины с мерой производится разновременно.

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 числа оборотов вала с помощью стробоскопа. Вал периодически освещается вспышками света, и частоту вспышек подбирают так, чтобы метка, нанесенная на вал, казалась наблюдателю неподвижной.

Метод совпадений, использующий совпадения основной и нониусной отметок шкал, реализуется также в штангенприборах, применяемых для измерений линейных размеров.

Различия в методах сравнения измеряемой величины с мерой находят отражение в принципах построения измерительных приборов.

С этой точки зрения различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.

В измерительном приборе прямого действия предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без применения обратной связи.

Пример: структурная схема электронного вольтметра

В

УПТ

ИМ

~ U_x

= U_x

В - выпрямитель

УПТ - усилитель постоянного тока

ИМ - измерительный механизм

Характерная особенность приборов прямого действия - потребление энергии от объекта измерения.

Измерительный прибор сравнения предназначен для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно.

Пример: структурная схема автоматического прибора сравнения:

М

УУ

УС

х

х₀

УС - устройство сравнения

УУ - устройство управления

М - изменяемая (регулируемая) мера с отсчётным устройством

В зависимости от результата сравнения х с х₀ устройство управления УУ воздействует на меру М таким образом, чтобы величина |х - х₀| уменьшалась. Процесс уравновешивания заканчивается, когда х₀ = х.

Значение измеряемой величины отсчитывается по шкале регулируемой меры.

Очевидно, что любой измерительный прибор сравнения должен иметь цепь обратной связи и замкнутую структуру.

В измерительных приборах сравнения в цепи обратной связи всегда формируется физическая величина, однородная с измеряемой, которая подаётся на вход прибора.

Сравнение измеряемой величины с мерой в приборах сравнения может осуществляться либо одновременно (нулевой метод), либо разновременно (метод замещения).