4.3. Метод измерений

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений в процессе сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с выбранным принципом измерений. Различают два метода измерений: метод непосред­ственной оценки и метод сравнения с мерой.

4.3.1. В методах непосредственной оценки (или методах сопоставления) значение измеряемой величины считывается непосредственно по шкале измерительного устрой­ства.

Метод непосредственной оценки дает значение измеряемой ве­личины непо­сред­ственно, без каких-либо дополнительных действий со стороны лица, производящего измерение, и без вычислений, кроме умножения его показаний на постоянную прибора или цену де­ления.

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

Для измерительных приборов, основанных на методе непосредственной оценки, характерны такие особенности, как простота в использовании и относительная дешевизна конструкции. По-видимому, это наиболее многочисленная группа средств измерений, ис­пользуемых на практике. К приборам непосредственной оценки относятся пружинные весы, манометры, ди­намометры, барометры, амперметры, вольтметры, ваттметры, фазо­метры, расходомеры, тягомеры, жидкостные термометры и многие другие. Измерение при помощи интегрирующего прибора - счетчика так­же относится к ме­тоду непосред­ственной оценки.

4.3.2. Методы сравнения с мерой (метод уравновешивания с мерой) — методы, при ко­торых произво­дится сравнение измеряемой величины и величины, воспроизводи­мой мерой. Сравнение может быть непосредствен­ным или опосредствованным через дру­гие величины, однозначно связанные с первыми. Отличительной чертой методов сравне­ния, является непосредственное участие в процессе измерения меры известной величины, од­но­родной с измеряемой. Группа методов сравнения с мерой включает в себя следу­ющие методы: нулевой, дифференциальный, замещения и совпадения.

При нулевом методе измерения разность измеряемой величины и известной вели­чины или разность эффектов, производимых измеряемой и известной величинами, сво­дит­ся в процессе измерения к нулю, что фиксируется высокочувствительным прибо­ром - нуль-индикатором. При высокой точности мер, воспроизводящих известную вели­чину, и достаточной чувствительности нуль-индикатора может быть достигнута высокая точ­ность измерений.

В истории развития техники точных измерений нулевой метод является одним из первых. 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).

Пример нулевого мето­да измерения - взвешивание грузов на рычажных ве­сах. В этом устройстве вращательный момент, обусловленный силой веса измеряемой массы уравновешивается вращающим моментом, порожденным образцовыми гирями. Точность измерения определяется точностью гирь и чувствительностью устройства сравнения этих моментов (весов).

Другой пример применения нулевого метода – изме­рение сопротивления резистора с помощью четырехплечего моста. В электрических измерениях широко применяются мосты для измерения сопротивления, индуктивности и ем­кости. На рис. 4.1 по­казана схема моста для измерения со­противления R_х. Схема со­стоит из трех резисторов с извест­ными сопротивлениями R₁, R₂, R₃, измеряемого сопротив­ления R_x, нулевого инди­ка­тора‑гальванометра PA и источ­ника тока GB. Из­меняя сопро­тивление резисторов R1…R3, добиваются, чтобы указатель галь­ванометра не смещался с нулевой отметки. Это может быть только тогда, когда между точками 2—4 нет разности потенциалов или, дру­гими словами, падение напряжения между точками 1‑2 равно падению напря­жения между точками 1‑4. Как следствие, падения напряжения между точками 2‑3 и 4‑3 также равны между собой. На основании этих равенств получают формулу

или .

Важно, что результат измерения не зависит от напряжения питания моста.

При дифференциальном методе создают разность измеряемой величины и вели­чины известной, воспроизводимой мерой. Затем с помощью измерительного прибора измеряется не искомая величина, а эта раз­ность. Неизве­стная величина опре­деляется по известной величине и измеренной разно­сти. В этом слу­чае уравновешивание изме­ряемой величины известной вели­чиной про­изводится не полностью и в этом заключает­ся отличие дифференциального метода от нулевого. Диффе­ренциальный ме­тод также может обеспе­чить высокую точность изме­рения, если известная величина воспроизво­дится с высокой точностью и раз­ность меж­ду ней и неизвестной величиной относитель­но мала.

В качестве примера рассмотрим измерение напряжения U_х постоянного тока с помощью дискретного делителя напря­жения и вольтметра V (рис. 4.2). Неизвестное напряжение определяется по формуле

Ux = Uo + Uх,

где Uo — известное точное на­пряжение,

U — измеренная разность напряже­ ний.

При методе замещения измерение производится в два єтапа. Сначала на вход прибора подают собственно измеряемую величину и измеряют ее. Результат измерения запоминается. На втором этапе вход прибора подключают к регулируемой точной мере и изменяют выходную величину меры до тех пор, пока показание прибора совпадет с тем, что было получено на первом этапе. Результат измерения считают равным значению величины на выходе меры. При этом методе может быть получена высокая точность измерения при высокой точности меры известной величины и высокой чувствительности прибора. Большая точность измерительного прибора здесь не обязательна.

При методе совпадения измеряют разность между измеря­емой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периоди­ческих сигналов. Примером этого метода является измерение частоты вращения детали с помощью мигающей лампы стро6оскопа. Наблюдая положение метки на вращающейся детали в моменты вспышек лампы, по частоте вспышек и смещению метки определяют частоту вращения-детали. К этому методу относится также измерение частоты неизвест­ного синусоидального сигнала на экране осциллографа по фигурам Лиссажу.

Применяют и другие классификационные признаки измерений. Так, по характеру изменения измеряемой величины во времени измерения делятся на статические, кото­рые производятся при практически постоянной измеряемой величине, и динамические, когда измеряемая величина в процессе измерения существенно изменяется.

По количеству измерительной информации измерения делят на однократные и многократные. В первом случае число измерений равно числу измеряемых величин. Во втором случае число измерений превышает число измеряемых величин. Многократные измерения проводят с целью снижения влияния случайных составляющих погрешностей измерения.

По отношению к основным единицам измерения делятся на абсолютные и относительные. При абсолютных измерениях результат основывается на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании физических констант. Например, измерение энергии по формуле Е=mc² является абсолютным (масса – основная единица системы SI, скорость света с – физическая постоянная. При относи­тельных измерениях производится измерение отношения величины к однородной вели­чине, играющей роль единицы. Например, измерение длины некоторой детали является относительным, так как размер этой детали соотносится с размером единицы длины -метра.

По точности результата измерения делятся на такие классы: эталонные – измерения наибольшей достижимой точности – используются для воспроизведения единиц физических величин или для измерения физических констант; контрольно-проверочные – измерения с нормированной погрешностью – используются для поверки других средств измерений; технические измерения - наиболее широко используемый класс измерений. Технические измерения делятся на лабораторные и производственные. Лабораторные измерения производятся при проведении разного рода исследований, а производственные – для управления качеством изготовления изделий.