2.6 Методы измерений

Метод измерения - это совокупность процессов использования принципов и средств измерений.

Принцип измерений — это совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта; измерение расхо­да газа по перепаду давления в сужающем устройстве.

Все методы измерений делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Использование метода непосредственной оценки позволяет определить значение величины непосредственно по отсчетному устройству показывающего средства измерений.

Быстрота процесса измерения методом непосредственной оцен­ки делает его часто незаменимым для практического использова­ния, хотя точность измерения бывает обычно ограниченной.

Наиболее многочисленными средствами измерений, служащи­ми для измерения методом непосредственной оценки, являются по­казывающие приборы, и в том числе так называемые стрелочные приборы. Показывающие измерительные приборы нередко в течение длительного времени непосредственно контактируют с изме­ряемой величиной. Указатель их непрерывно следует за изменени­ем этой величины, что имеет большое значение при осуществлении технологических процессов, наблюдении за явлениями приро­ды и т. д.

К показывающим измерительным приборам непосредственной оценки относятся манометры, динамометры, барометры, ампер­метры, вольтметры, ваттметры, фазометры, расходомеры, тяго­меры, жидкостные термометры и многие другие.

В ряде случаев средство измерений приводится в контакт с измеряемой величиной только в тот момент, когда возникает необходимость узнать значение этой величины. К такой разновид­ности метода непосредственной оценки относятся, например, взве­шивание грузов на циферблатных весах, измерение длины при помощи линейки с делениями или рулетки, измерение электриче­ских величин при помощи переносных приборов и т. п.

Измерение при помощи самопишущих измерительных прибо­ров — это также метод непосредственной оценки.

Метод сравнения с мерой предусматривает сопоставление измеряемой величины с величиной, воспроизводимой мерой. Методы сравнения обычно реализуются различными путями.

1 Дифференциальный метод — это метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, воспроизводимое мерой. Метод позволяет получить результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых СИ. Проиллюстрируем сказанное на примере измерения длины как наиболее наглядном. На рис. 1 рядом с телом, длину х которого требуется измерить, помещена мера длины. Размер меры изве­стен с достаточной точностью. Измерив небольшую разность меж­ду длинами этих двух предметов а, мы сможем узнать длину х = l + a. Предположим, что погрешность измерения размера а не превышает α, тогда результат измерения можно будет изобра­зить выражением а±α или а (1 ± α/а), где α/а — относительная погрешность измерения а.

Рисунок 1- Схема измерения длины дифференциальным методом

Определим относительную погрешность измерения величины х:

х = l + a ± α = (l + a) (1 ± α) / (l + α)), где α / (1 + а) — относительная погрешность измерения х.

Так как l значительно больше а, то относительная погрешность измерения х значительно меньше относительной погрешности из­мерения а

.

Пусть l = 500 мм; а = 5 мм; α/а = 0,01 (1 %), тогда α / (l + a) = 0,0001 (или 0,01 %).

Таким образом, для достижения такой высокой точности мы можем воспользоваться сравнительно грубым прибором. Правда, при этом измерении мы применили весьма точную меру, значе­ние l которой определено с еще меньшей (чем 0,01 %) погреш­ностью. И все-таки преимущества этого метода несомненны, так как изготовить точную меру и сравнительно грубый прибор для измерения небольших величин легче, чем средство измерений вы­сокой точности для измерения всей величины в целом.

2 Нулевой метод. В общем виде нулевой метод заключается в следующем. Из­меряемую величину сравнивают с величиной, значение которой известно. Последнюю выбирают таким образом, чтобы разность между измеряемой и известной величинами равнялась нулю. Сов­падение значений этих величин отмечают при помощи нулевого указателя (нуль-индикатора).

В истории развития техники точных измерений нулевой метод является одним из первых. Взвешивание грузов на рычажных ве­сах — это характерный пример нулевого метода измерения.

3 Метод совпадений. Этот метод характеризуется использованием совпадения отме­ток шкал или периодических сигналов. Приложим линейку с мил­лиметровыми делениями к линейке с дюймовыми делениями и совместим их нулевые отметки. При этом обнаружим, что точно совпадают отметки, соответствующие 127 мм и 5 дюймам; 254 мм и 10 дюймам и т. д. Отсюда можно определить, что 1 дюйм = 25,4 мм.

Метод совпадений — это метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводи­мой мерой, измеряют по совпадению отметок шкал или периоди­ческих сигналов. По принципу метода совпадения построен нониус штангенциркуля и ряда других приборов. Шкала нониуса штан­генциркуля имеет десять делений по 0,9 мм. Когда нулевая отмет­ка шкалы нониуса окажется между отметками основной шкалы штангенциркуля, это будет означать, что к целому числу милли­метров следует прибавить некоторое число х десятых долей мил­лиметра (х ∙ 0,1). Для определения числа х находим отметку шка­лы (рис. 2). Пусть такой отметкой будет п-я шкалы нониуса. Так как измеряемая дробная часть миллиметра 0,1х равна разно­сти между целым числом миллиметров по основной шкале штан­генциркуля (п мм) и расстоянием по шкале нониуса от нулевой до совпадающей отметки, равного п ∙ 0,9 мм, можно написать 0,1 х: = п – п ∙ 0,9 = 0,1 п, т. е. х = п.

Рисунок 2 - Шкала нониуса

Следовательно, порядковый номер совпадающей отметки но­ниуса непосредственно дает число десятых долей миллиметра. На рис. 7 п = 7 и 0,1х = 0,7 мм.