§ 27.6. Методы измерений. Понятия и классификация.

Метод измерений – совокупность приемов, обеспечивающих сравнение измеряемой физической величины с её единицей (мерой).

Методы измерений основаны на физических принципах взаимодействия объекта измерения и средств измерения для получения измерительной информации с допустимой погрешностью.

Методы измерений различают:

1. по физическому принципу измерения (механические, пневматические, акустические, оптические, электрические и т.п.);

2. по виду измерительных сигналов в средствах измерения (аналоговые (соответствующая функция непрерывна) и цифровые (функция квантуется));

3. по способу сопоставления измеряемой физической величины и меры, различают метод непосредственной оценки и методы сравнения.

Наиболее распространен метод непосредственной оценки, в нем о физической величине судят по показаниям одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, которые заранее проградуированы в единицах измеряемой величины.

В методах сравнения измеряемая величина сопоставляется с мерой, которая находится вне средств измерения.

Различают дифференциальный метод, где об измеряемой величине судят по её разности с каким-либо эталоном.

Рассмотрим U-образный жидкостный манометр, измеряемой величиной является давление P_x (рис. 88).

Давление P_x находится по формуле:

P_x=P_H+ρgh. (27.6)

Если P_x>P_H, то соответствующая жидкость выдавливается в трубку, соединенную с мерой (эталоном).

В дифференциальных методах мы предполагаем, что эталон, с которым сравнивается измеряемая величина, находится более точно, чем сама величина - P_x, поэтому ошибка будет заложена в измерении ρgh, а точнее, т. к. довольно точно известны плотность и ускорение свободного падения, то вся погрешность располагается в измерении высоты - h, и чем, больше эта высота, тем меньше погрешность.

Разность между P_x и P_H должна быть как можно меньше, следовательно, высоту h нужно увеличить, например при измерении давления в камере сгорания ракетного двигателя это достигается с помощью уменьшения плотности - ρ - вместо воды используется масло, или наклона плеча пьезометр, если погрешность измерения высоты составляет примерно 1 мм при наличии трубки высотой в 1,5 м, то погрешность будет 1мм/1500. В настоящее время давление окружающей среды - P_H измеряется с высокой точностью, поэтому дифференциальный метод позволяет значительно более точно измерить давление P_x , чем прямым образом, т. е. с использованием манометра.

Разновидностью дифференциального вида является нулевой метод, когда средство измерения при нагружении его измеряемой величиной возвращается в исходное положение.

В рассматриваемом примере величина ρgh→0, т. к. h=0. Гистерезис отсутствует, левое плечо столба уходит в правое, из - за поверхностного натяжения жидкость остается на стенках и, естественно, что показания прибора искажаются, если уравновесить давление P_x, т. е. давление P_H заменить переменным давлением, которое можно достаточно точно измерить, то столбики вернутся в исходное положение, и параметры диссипации энергии будут отсутствовать.

Нулевой метод более точный, т. к. погрешность сосредоточена преимущественно в эталоне, т. е. какова погрешность эталона, такова и погрешность данного метода.

В методе замещения об измеряемой величине судят по изменению измерительного сигнала при замене объекта измерения эталоном.

Рассмотрим нагруженный динамометр, который проградуирован в единицах массы (рис. 89).

Вместо измеряемой величины нагружаем средство измерения эталоном.

Об измеряемой величине судим по соотношению:

X / X_э,

чем ближе эталон к измеряемой величине, тем точнее будет измерение.

В методе совпадений разность между измеряемой величиной и воспроизводимой мерой определяется с помощью совпадения каких – либо периодических сигналов, например отметок шкалы (штангенциркуль).