Тема 2.2. Основы технических измерений

1. Виды и методы измерений

Одним из объектов метрологии являются измерения.

Измерение – совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины.

Измерение представляет собой 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.

В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути, сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).

С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет.

Объект измерения – тело (физическая система, процесс, явление и т.д.), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми физическими величинами.

Целью измерения является получение значения измеряемой физической величины в форме, наиболее удобной для пользования.

Задача, заключающаяся в определении значения физической величины путем ее измерения с требуемой точностью в данных условиях измерений, называется измерительной задачей.

Измерения классифицируют по нескольким критериям.

1. По числу измерений в ряду измерений различают:

- однократное измерение – измерение, выполненное один раз. Во многих случаях на практике выполняются именно однократные измерения. Например, измерение конкретного момента времени по часам обычно производится один раз;

- многократное измерение – измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений.

2. По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения выделяют:

- 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. 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;

- статистическое измерение – определение характеристик случайных процессов, например, уровня шумов, звуковых сигналов.

3. По способу получения результатов измерений их классифицируют на:

- прямые измерения, в которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Примеры прямых измерений: измерение длины детали микрометром; измерение силы тока амперметром; измерение массы на весах;

- косвенные измерения, в которых значение физической величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и другими величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения выполняют, когда прямые измерения данной физической величины по каким-либо причинам затруднены или даже невозможны, а также когда косвенные измерения дают более точный результат, чем прямые. Примером косвенных измерений являются: нахождение объема тела путем прямых измерений его геометрических размеров; определение угла с помощью синусной линейки;

- совместные измерения, проводимые одновременно измерения двух или более величин для установления зависимости между ними. Например: нахождение зависимости длины тела от температуры или электрического сопротивления проводника от давления;

- совокупные измерения, в которых значение измеряемых величин находят решением системы уравнений, составленной по данным повторных измерений нескольких одноименных величин при различных сочетаниях этих величин.

Для определения значений искомых величин число уравнений должно быть не меньше числа величин. Пример – значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

4. По характеру точности измерения делят на:

- равноточные измерения – 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.

5. По способу выражения результата измерение может быть:

- абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Примером абсолютного измерения может служить измерение диаметра или длины валика штангенциркулем или микрометром, а также измерение температуры термометром;

- относительное измерение – 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.

6. По условиям, определяющим точность результата измерений, измерения делят на три класса:

- измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. К ним относятся в первую очередь измерения, проводимые с помощью эталонов, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин. К названному классу относят измерения физических констант, прежде всего универсальных (например, значения ускорения свободного падения);

• контрольно-поверочные измерения – измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторое заранее заданное контрольное значение. К ним относятся измерения, осуществляемые органами государственного надзора за состоянием, применением средств измерений, а также проводимые измерительными лабораториями производственных предприятий;

• технические измерения – измерения, в которых погрешность результата определяется характеристикой средств измерений. Технические измерения выполняются в процессе производства на предприятиях, на щитах распределительных устройств электростанций и др.

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

В зависимости от способа сравнения измеряемой величины с её единицей различают метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки – метод измерения, при котором значение физической величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, прямого действия. Например, измерение длины с помощью линейки.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Может быть нескольких его разновидностей:

• метод противопоставлений, при котором измеряемая физическая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения;

• дифференциальный метод, при котором измеряемую величину сравнивают с её мерой и разность между ними определяют с помощью измерительного прибора. (Пример: измерения, выполняемые при поверке мер длины сравнением с эталонной мерой на компараторе);

• нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. (Примеры: измерение электрического сопротивления по схеме моста с полным его уравновешиванием; взвешивание на весах, когда на одном плече находится взвешиваемый груз, а на другом – набор эталонных грузов);

• метод совпадений, при котором разность между измеряемой физической величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Например, при измерении штангенциркулем используют совпадение отметок основной и нониусной шкал;

• метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеренную величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод замещения применяется при взвешивании с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашу весов.

При измерении линейных величин различают контактный и бесконтактный методы измерений.

Контактный метод измерений – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения. (Примеры: измерение диаметра вала измерительной скобой или контроль проходным и непроходным калибрами; измерение температуры тела термометром.)

Бесконтактный метод измерений – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения. (Пример – измерение расстояния до объекта радиолокатором.)

Методика выполнения измерений – установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом. Обычно методика измерений регламентируется каким-либо нормативным документом.