1.2.2. Виды и методы измерений

Измерения как экспериментальные процедуры определения значений измеряемых величин весьма разнообразны, что объясняется множеством измеряемых величин, различным характером их изменения во времени, различными требованиями к точности измерений и т.д.

Измерения в зависимости от способа обработки экспериментальных данных для нахождения результата относят к прямым, косвенным, совместным или совокупным.

Прямое измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных в результате выполнения измерения.

Пример прямого измерения - измерение вольтметром напряжения источника.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенном измерении значение измеряемой величины получают путем решения уравнения X=F (X₁ , X₂ , X₃ , ... , X_n ), где X₁, X₂ , X₃ , ... , X_n- значения величин, полученных прямыми измерениями.

Пример косвенного измерения: сопротивление резистора R находят из уравнения R=U / I, в которое подставляют измеренные значения падения напряжения U на резисторе и тока I через него.

Совместные измерения - одновременные измерения нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. При этом решают систему уравнений

F(X₁ , X₂ , X₃ , ... , X _n , X₁ , X₂ , X₃ , ... , X_m ) = 0;

F(X₁ , X₂ , X₃ , ... , X _n , X₁ , X₂ , X₃ , ... , X_m)=0;

...............................................

F(X₁ , X₂ , X₃ , ... , X _n , X₁ ⁽ⁿ⁾, X₂⁽ⁿ⁾ , X₃⁽ⁿ⁾ , ... , X_m⁽ⁿ⁾)=0,

где X₁ , X₂ , X₃ , ... , X_n - искомые величины;

X₁ , X₂ , X₃ , ... , X_m ; X₁ , X₂ , X₃ , ... , X₁ ⁽ⁿ⁾, X₂⁽ⁿ⁾ , X₃⁽ⁿ⁾ , ... ,

X_m⁽ⁿ⁾ -значения измеренных величин.

Пример совместного измерения: определяют зависимость сопротивления от температуры Rt=Ro(1+At+Bt²); измеряя сопротивление резистора при трех различных температурах, составляют систему из трех уравнений, из которых находят параметры Ro, A и B зависимости.

Совокупные измерения - одновременные измерения нескольких одноименных величин, при котором искомое значение величин находят решением системы уравнений, составленных из результатов прямых измерений различных сочетаний этих величин.

Пример совокупного измерения: измерение сопротивлений резисторов, соединенных треугольником, путем измерений сопротивлений между различными вершинами треугольника; по результатам трех измерений определяют сопротивления резисторов.

В зависимости от объекта исследования, свойств средств измерений, принятой модели объекта и других причин измерения выполняют с однократным либо с многократными наблюдениями. Наблюдение - экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерения, в результате которой получают одно из группы значений величины.

В последнем случае для получения результата измерения требуется статистическая обработка наблюдений. Измерения вероятностных характеристик случайных процессов называют статистическими измерениями.

Измерения разделяют на статические и динамические в зависимости от режима работы применяемых средств измерений. К статическим измерениям относят измерение, при котором средство измерений работает в статическом режиме, т.е. когда выходной сигнал средства, например отклонение указателя, остается неизменным в течении времени использования выходного сигнала. К динамическим измерениям относят измерение, выполняемое средством измерений в динамическом режиме, т.е. когда выходной сигнал средства изменяется во времени так, что для получения результата измерений необходимо учитывать это изменение. Для оценки точности результатов динамических измерений необходимо знание динамических свойств средств измерений.

Определение последовательных значений величины, изменяющейся во времени, производят для нахождения временной зависимости изменений этой величины. В этом случае определяют ряд значений, т. е. производят несколько измерений, причем в каждом из них измеряемой должна быть мгновенная величина - величина, соответствующая определенному моменту времени. Если на заданном интервале времени число измеряемых мгновенных величин конечно, то говорят о дискретных измерениях, а если бесконечно, - то это аналоговые измерения.

В зависимости от точности оценки погрешности измерения бывают с точной оценкой и с приближенной оценкой погрешности. При измерениях с точным оцениванием погрешности учитывают индивидуальные свойства средств измерений и контролируют условия измерений. При измерениях с приближенным оцениванием погрешности учитывают нормативные данные о средствах измерений и приближенно оценивают условия измерений. Последних измерений подавляющее число.

Взаимодействие средств измерений с объектом основано на физических явлениях, совокупность которых составляет принцип измерений, а совокупность приемов использования принципа и средств измерений называют методом измерений.

Как уже указывалось, числовое значение измеряемой величины получается путем ее сравнения с известной величиной, воспроизводимой определенным видом средств измерений - мерой.

В зависимости от способа применения меры известной величины выделяют метод непосредственной оценки и методы сравнения с мерой.

При методе непосредственной оценки значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого преобразования шкала которого заранее была градуирована с помощью многозначной меры, воспроизводящей известные значения измеряемой величины. В приборах прямого преобразования в процессе измерения оператором производится сравнение положения указателя отсчетного устройства и шкалы, по которой производится отсчет. Измерение длины с помощью линейки - пример измерения по методу непосредственной оценки.

Методы сравнения 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 высокой чувствительности нуль - индикатора может быть достигнута высокая точность измерений. Примером применения нулевого метода является измерение сопротивления резистора с помощью четырехплечего моста, в котором падение напряжения на резисторе с неизвестным сопротивлением уравновешивается падением напряжения на резисторе известного сопротивления.

При дифференциальном методе разность измеряемой величины и величины известной, воспроизводимой мерой, измеряется с помощью измерительного прибора. 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 мала.

При методе замещения производится поочередное подключение на вход прибора измеряемой величины и известной величины и по двум показаниям прибора оценивается значение неизвестной величины. Наименьшая погрешность измерения получается в том случае, когда в результате подбора известной величины прибор дает тот же выходной сигнал, что и при неизвестной величине. При этом методе может быть получена высокая точность измерения при высокой точности меры известной величины и высокой чувствительности прибора. Примером этого метода является точное измерение малого напряжения с помощью высокочувствительного гальванометра, к которому сначала подключают источник неизвестного напряжения и определяют отклонение указателя, а затем с помощью регулируемого источника известного напряжения добиваются того же отклонения указателя. При этом известное напряжение равно неизвестному.

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 стробоскопа: наблюдая положение метки на вращающейся детали в моменты вспышек лампы, по частоте вспышек и смещению метки определяют частоту вращения детали.