§3. Методы измерений
Метод измерения – совокупность приемов использования принципов и СИ.
Прямые измерения – основа более сложных измерений, поэтому классифицируют их методы по виду хранителя единицы.
Выбор метода определяется видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результатов, скоростью их получения и т.д.
Метод непосредственной оценки – дает значение измеряемой величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Удобен на практике.
Реализован в показывающих приборах (люксметры, вольтметры, амперметры). Хранитель единицы здесь – измерительный прибор прямого действия.
Метод сравнения с мерой – измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (хранителем единицы служит мера). Применяют для более точных измерений.
Разновидности метода Дифференциальный или разностный метод– основан на измерении разности между измеряемой величиной и мерой.
Результаты точные даже с грубыми приборами для измерения разности.
Применяют, когда есть точная мера. Значение ее размера близко к значению измеряемой величины. Изготовить ее легче, чем точный прибор.
Пример. x - измеряемая длина тела,
l - размер точной меры длины.
Н
о
измеряется небольшая разностьa
с погрешностью
не больше .
Тогда x = l+a, результат измерения a или a(1(a)).
a – относительная погрешность измерения a.
Измеряемая длина x = l+a = (l+a)(1( l+a)).
( l+a) – относительная погрешность измерения x
l a, поэтому ( l+a) a – относительная погрешность измерения x значительно меньше относительной погрешности измерения a.
Если l = 500 мм, a =5 мм, a =0,01 (1% – относительная погрешность измерения разности a сравнительно грубым прибором), ( l+a) l = 0,0001 (0,01%).
Высокая точность измерения x грубым прибором. Но нужна точная мера, значение размера l ее должно быть определено с еще меньшей, чем 0,01% точностью.
Нулевой метод –0 разность между измеряемой и известной величинами доводят до нуля (как при взвешивании грузов на рычажных весах). Надо иметь набор гирь, зато не нужна гиря – мера, близкая по массе к взвешиваемому грузу.
Достаточно использовать неравноплечие рычаги (гиря в 1 кг может уравновесить груз 100кг)
Можно перемещать гирю с постоянной массой и фиксировать положение, когда груз уравновешивается.
В оптотехнике световые характеристики источника света определяют сравнением с образцовым. Нулевой указатель – глаз человека. Он же используется в оптической пирометрии – измерении высоких температур расплавленных металлов и пламени.
Дифференциальный и нулевой методы используют меры (гири, магазины сопротивлений и др.) точнее, чем такие же по стоимости приборы.
Метод совпадения – разность измеряют, используя совпадение отметок шкал (штангенциркуля и нониуса), периодических сигналов, как в импульсных лазерных дальномерах, или при интерференционных измерениях (называют ”нониусным”). Увеличивает точность сравнения с мерой.
Метод замещения – когда неизвестная величина замещается известной, воспроизводимой мерой.
Пример: взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы груза и гирь на одну чашку весов. Устраняется погрешность измерения из-за неравенства плеч весов
( l1 l2 ).
При равновесии xl1 = Ml2 (x – измеряемая масса,
M – масса уравновешивающих ее гирь) равенство x = M не соблюдается, т.к. x = (l2 l1) M, а l1 l2 .
Появляется систематическая погрешность. Ее устраняют тарой (T).Измеряемую массуx уравновешивают массой тары и получаютx=(l2 l1)T. Измеряемую массу x снимают и ставят вместо нее гири массой M, пока снова не получают равновесие М= (l2 l )T. Отсюда x= M (этот результат свободен от систематической погрешности).
Погрешность измерения определяется погрешностью меры (гирь, и зоной нечувствительности нуль-индикатора. Очень мала. Но надо иметь многозначную меру (набор гирь).
Метод замещения используется для измерения сопротивления резисторов и др.
Метод противопоставления – измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействует на прибор сравнения. С его помощью устанавливают соотношение между этими величинами.
Пример: взвешивание груза на равноплечих весах, когда измеряемая масса определяется как сумма масс гирь, ее уравновешивающих, и показания по шкале весов.
Метод уменьшает влияние на результаты измерений влияющих величин.