§1.3. Виды и методы измерений

определения «Измерение» и «Метод измерения», виды и методы измерений, области их применений

Измерением называется нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Основная цель измерения — количественная оценка значения физической величины в принятых для нее единицах.

Возможность применения результатов измерений для правильного и эффективного решения любой измерительной задачи определяется следующими тремя условиями:

- результаты измерений выражаются в узаконенных (установленных законодательством России) единицах;

- значения показателей точности результатов измерений известны с необходимой заданной достоверностью;

- значения показателей точности обеспечивают оптимальное в соответствии с выбранными критериями решение задачи, для которой эти результаты предназначены (результаты измерений получены с требуемой точностью).

Если результаты измерений удовлетворяют первым двум условиям, то о них известно все, что необходимо знать для принятия обоснованного решения о возможности их использования. Такие результаты можно сопоставлять, они могут использоваться в различных сочетаниях, различными людьми, организациями. В этом случае говорят, что обеспечено единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности результатов не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

Третье из перечисленных выше условий определяет требование к точности применяемых методов и средств измерений. Недостаточная точность измерений приводит к увеличению ошибок контроля, к экономическим потерям. Завышенная точность измерений требует затрат на приобретение более дорогих средств измерений. Поэтому это требование является не только метрологическим, но и экономическим требованием, т.к. связано с затратами и потерями при проведении измерений (затраты и потери - экономические критерии).

Измерения в зависимости от способа получения числового значения измеряемой величины делятся на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Прямые измерения - измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение длины линейкой, температуры термометром и т.п.

Косвенные измерения - измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Например, площадь прямоугольника определяют по результатам измерения его сторон (s=l·d) , плотность твердого тела определяют по результатам измерений его массы и объема (р= m/v) и т.п.

Наибольшее распространение в практической деятельности получили прямые измерения, т.к. они просты и могут быть быстро выполнены. Косвенные измерения применяют тогда, когда нет возможности получить значение величины непосредственно из опытных данных (например, определение твердости твердого тела) или когда приборы для измерения величин, входящих в формулу, точнее, чем для измерения искомой величины

Совокупными называют измерения нескольких одноименных величин, производимые одновременно, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, нахождение сопротивлений отдельных резисторов набора по известному сопротивлению одного из них и по результатам прямых измерений сопротивлений различных сочетаний резисторов.

Совместными измерениями называются производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. Например, сопротивление резистора при температуре С и его температурные коэффициенты находят по данным прямых измерений сопротивления при различных температурах t:

.

По способу выражения результатов различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютным называют измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и использовании значений физических констант. Например, измерение силы тока в Амперах (мА, мкА,…).

Относительным называют измерение отношения физической величины к одноименной, играющей роль единицы, либо принимаемой за исходную. Например, измерение коэффициента передачи четырехполюсника на разных частотах по отношению к максимальному значению этого коэффициента на некоторой частоте.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения делятся на статические (измеряемая величина остается постоянной) и динамические (величина меняется в течение времени).

Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, измерения напряжения на основе электростатического взаимодействия заряженных проводников.

Метод измерения – совокупность приемов использования принципов и средств измерения. Различают два основных метода измерений: непосредственной оценки и сравнения с мерой (рис.1.1).

1. Метод непосредственной оценки — метод измерений, при котором значение физической величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Этот метод является наиболее распространенным, но по точности зависит от точности измерительного прибора.

2. Метод сравнения с мерой — метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение напряжения постоянного тока путем сравнения с Э.Д.С. нормального элемента.

Существует несколько разновидностей метода сравнения:

а) дифференциальный метод, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величин, воспроизводимых мерой. Например, измерение электрического сопротивления мостом с неполным его уравновешиванием.

б) нулевой (частный случай дифференциального), в котором результирующий эффект воздействия на приборе сравнения доводят до нуля. Например, измерение электрического сопротивления мостом с полным уравновешиванием.

Р ис.1.1. Методы измерений

в) метод замещения, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод чаще всего применяют при измерении параметров цепей на высоких частотах. Например, измерение вносимого электрической цепью ослабления сигнала путем поочередного включения в измерительную установку исследуемой цепи и регулируемого рабочего аттенюатора.

г) метод совпадений, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Метод применяют при измерении частоты.

д) метод противопоставлений, в котором устанавливается соотношение между измеряемой и известной величинами. Метод применяется при измерении Э.Д.С., напряжения, тока.