2.3. Методи вимірювань

Метод вимірювання являє собою прийом або сукупність прийомів порівняння вимірюваної величини з її одиницею у відповідності з реалізованим принципом вимірювань. Під принципом вимірювань розуміють фізичні ефекти (явища), покладені в основу вимірювань, наприклад вимірювання температури з використанням термоелектричного ефекту. Метод вимірювань зазвичай визначається будовою засобів вимірювань.

Існує безліч методів вимірювань, і з розвитком науки і техніки їх кількість збільшується. Кожну фізичну величину можна виміряти, як правило, кількома методами. Для їх систематизації необхідно виділити загальні характерні ознаки. Одним з таких ознак є наявність або відсутність при вимірюванні міри. Залежно від цього розрізняють два методи вимірювань: метод безпосередньої оцінки і метод порівняння з мірою (рис. 2.3). Мірою називають засіб вимірювань, призначений для відтворення і (або) зберігання фізичної величини одного або декількох заданих розмірів, значення яких виражені у встановлених одиницях і відомі з необхідною точністю.

Рис. 2.3. Класифікація методів вимірювань

Найбільш поширений метод безпосередньої оцінки. Його суть полягає в тому, що значення вимірюваної величини визначають безпосередньо за відліковим пристроєм вимірювального приладу, наприклад вимірювання напруги вольтметром, зважування вантажу на пружинних вагах (рис. 2.4). При цьому масу вантажу визначають на основі вимірювального перетворення за значенням деформаціїпружини.

Рис. 2.4. Схема вимірювання методом безпосередньої оцінки

Вимірювання за допомогою методу безпосередньої оцінки, як правило, прості і не вимагають високої кваліфікації оператора, оскільки не потрібно створювати спеціальні вимірювальні установки і виконувати складні обчислення. Однак точність вимірювань найчастіше виявляється невисокою через дію впливаючих величин і необхідності градуювання шкал приладів. Найбільш чисельною групою приладів, що слугують для вимірювання методом безпосередньої оцінки, є показуючі (у т.ч. стрілочні прилади). До них відносять манометри, динамометри, барометри, амперметри, вольтметри, ватметри, витратоміри, рідинні термометри та багато інших. Вимірювання за допомогою інтегруючого приладу-лічильника або самописного приладу також відносять до методу безпосередньої оцінки.

При проведенні точніших вимірювань перевагу віддають методу порівняння з мірою, при якому вимірювану величину знаходять порівнянням з величиною, що відтворюється мірою. Відмінною особливістю цього методу є безпосередня участь міри в процесі вимірювання. Методи порівняння залежно від наявності або відсутності при порівнянні різниці між вимірюваною величиною і величиною, що відтворюється мірою, поділяють на нульовий і диференційний. В обох з цих методів розрізняють методи зіставлення, заміщення і збігу.

Нульовий метод вимірювань – це метод порівняння з мірою, в якому результуючий ефект впливу вимірюваної величини і міри на прилад порівняння доводять до нуля. В цьому випадку значення вимірюваної величини приймається рівним значенню міри. Збіг значень вимірюваної величини і міри відмічають за допомогою нульового покажчика (нуль-індикатора). Приклади нульового методу вимірювання: зважування на рівноплечих вагах; вимірювання опору, індуктивності та ємності за допомогою компенсаційного моста; вимірювання температури оптичними пірометрами із застосуванням еталонної лампи розжарювання (відповідно ваги, гальванометр і око людини – це нульові покажчики).

Диференціальний метод вимірювань (його також називають різницевим) – це метод порівняння з мірою, при якому вимірювана величина порівнюється з мірою, і при цьому вимірюється різниця між цими двома величинами. Міра повинна мати значення близьке до значення вимірюваної величини. Приклад диференціального методу: вимірювання довжини деталі за різницею між вимірюваною довжиною і кінцевою мірою довжини (в області лінійних і кутових вимірювань цей метод називають відносним); вимірювання опору, індуктивності і ємності за допомогою некомпенсованого моста; зважування на нерівноплечних вагах. Застосування нульового покажчика в даному методі не потрібно.

Метод зіставлення полягає в тому, що вимірювана величина і величина, відтворена мірою, одночасно впливають на прилад порівняння, за допомогою якого встановлюється співвідношення між цими величинами. Прикладом нульового методу зіставлення є зважування вантажу на рівноплечих вагах (рис. 2.5а), коли вимірювана маса вантажудорівнює масі гир, що її врівноважують. Стан рівноваги визначають за положенням покажчика нуль-індикатора (він повинен знаходитися на нульовій позначці). При зважуванні вантажу із використанням диференціального методу зіставлення маса вантажуврівноважується масою гирі і силою пружної деформації пружини (рис. 2.5б), значення якої відраховують за шкалою приладу. Масу вантажу визначають як суму маси гирі і показів, відрахованих за шкалою.

а)

б)

Рис. 2.5. Схема вимірювання методом порівняння з мірою:

а – нульовий, б – диференційний

До різновидів методу порівняння з мірою відноситься і метод заміщення, широко застосовуваний в практиці точних метрологічних досліджень. Суть методу в тому, що вимірювану величину заміщують мірою з відомим значенням величини, тобто вимірювана величина і міра послідовно впливають на вимірювальний прилад. У нульовому методі проводять повне заміщення вимірюваної величини мірою, і результат вимірювання приймається рівним значенню міри. У диференціальному методі не вдається провести повне заміщення і для отримання значення вимірюваної величини до значення міри слід додати величину, на яку змінилося показання приладу.

Внаслідок того, що вимірювана величина і міра включаються одна за одною в одну і ту ж частину вимірювального кола приладу, точність вимірювань значно підвищується в порівнянні з вимірами, проведеними за допомогою інших різновидів методу порівняння, де асиметрія кіл, в які включаються порівнювані величини, призводить до виникнення систематичних похибок. Метод заміщення часто застосовується при електричних вимірюваннях за допомогою мостів змінного струму.

Метод збігу являє собою різновид методу порівняння з мірою, в якому різниця між вимірюваною величиною і величиною, що відтворюється мірою, вимірюють, використовуючи збіг відміток шкал або періодичних сигналів. За принципом методу збігу побудований ноніус, що входить до складу низки вимірювальних приладів (наприклад, штангенциркуля).

Крім розглянутих методів вимірювань розрізняють також контактні і безконтактні залежно від наявності (або відсутності) безпосереднього контакту між чутливим елементом засобу вимірювання та об’єктом вимірювання. Приклади контактного методу – вимірювання діаметра вала штангенциркулем, вимірювання температури тіла термометром. Приклади безконтактного методу – вимірювання температури в доменній печі пірометром, вимірювання відстані до об’єкта радіолокатором.