2.2. Виды и метолы измерений

Классификация видов измерений приведена на рис. 2.2. Виды измерений определяются физическим характером измеряемой ве­личины, требуемой точностью измерения, необходимой скорос­тью измерения, условиями и режимом измерений и т. д. Из рис. 2.2 следует, что в метрологии существует множество видов измерений и число их постоянно увеличивается. Можно, например, выделить виды измерений в зависимости от их цели: контрольные, диагно­стические и прогностические, лабораторные и технические, эта­лонные и поверочные, абсолютные и относительные и т. д.

Наиболее часто используются прямые измерения, состоящие в том, что искомое значение величины находят из опытных данных путем экспериментального сравнения. Например, длину измеря­ют непосредственно линейкой, температуру -- термометром, силу — динамометром. Уравнение прямого измерения: у = Cx, где С — цена деления СИ.

Если искомое значение величины находят на основании изве­стной зависимости между этой величиной и величинами, най­денными прямыми измерениями, то этот вид измерений называ­ют косвенным. Например, объем параллелепипеда находят путем умножения трех линейных величин (длины, ширины и высоты); электрическое сопротивление — путем деления падения напря­жения на величину силы электрического тока. Уравнение косвен­ного измерения y= f(x₁, x₂,…,x_n), где x, — i-и результат прямого измерения.

Совокупные измерения осуществляются путем одновременного измерения нескольких одноименных величин, при которых иско­мое знавшее находят решением системы уравнений, получаемых в результате прямых измерений различных сочетаний этих вели­чин. При определении взаимоиндуктивности катушки М, напри­мер, используют два метода: сложения и вычитания полей. Если индуктивность одной из них L₁, а другой — L₂, то находят L₀₁= L₁-L₂+2M и L₀₁= L₁-L₂-2M. Откуда M=( L₁-L₂)/4.

Совместными называют производимые одновременно (прямые и косвенные) измерения двух или нескольких неодноименных ве­личин. Целью этих измерений, по существу, является нахождение функциональной связи между величинами. Например, измерение сопротивления R_t, проводника при фиксированной температуре tпо формуле

R_t=R₀(1+αΔt)

где R₀ и α — сопротивление при известной температуре t₀ (обычно 20 °С) и температурный коэффициент — величины постоянные, измеренные косвенными методами; Δt=t-t₀ разность температур; t- заданное значение температуры, измеряемое прямым методом.

Приведенные виды измерений включают способы решения измерительной задачи с теоретическим обоснованием и разра­боткой использования СИ по принятой МВИ. Методика — это технология выполнения измерений с целью наилучшей реализа­ции метода.

Прямые измерения — основа более сложных измерений, и поэтому целесообразно рассмотреть методы прямых измерений. В соответствии с РМГ 29—99 различают:

1. Метод непосредственной оценки, при котором значение ве­личины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, например измерение давления пружин­ным манометром, массы — на весах, силы электрического тока - амперметром.

2. Метод сравнения с мерой, где измеряемую величину сравни­вают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измере­ние массы на рычажных весах с уравновешиванием гирей; изме­рение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнени­ем с ЭДС параллельного элемента.

3. Метод дополнения, если значение измеряемой величины до­полняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее за­данному значению.

4. Дифференциальный метод характеризуется измерением раз­ности между измеряемой величиной и известной величиной, вос­производимой мерой. Метод позволяет получить результат высо­кой точности при использовании относительно грубых средств измерения.

Пример 2.1. Измерить длину x стержня, если известна длина l(l<х) меры. Как показано на рис. 2.3, х = l + а (а — измеряемая величина).

Действительные значения a_д будут отличаться от измеренного а на величину погрешности Δ:

Поскольку l>>α, то << .

Пусть Δ=0,1 мм, l=1000 мм, α=10 мм. Тогда 0,1/1010=0,0001(0,01 %)<<0.1/10=0.01(1%)

5.Нулевой метод аналогичен дифференциальному, но разность между измеряемой величиной и мерой сводится к нулю. При этом нулевой метод имеет то преимущество, что мера может быть во много раз меньше измеряемой величины. Рассмотрим, например, неравноплечие весы (рис. 2.4, а), где P₁l₁ =P₂l₂. В электротехнике — это мосты для измерения индуктивности, емкости, сопротивления.

6. Метод замещения — метод сравнения с мерой, в которой измеряемую величину замещают известной величиной, воспро­изводимой мерой. Например, взвешивание с поочередным поме­щением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

Кроме того, можно выделить нестандартизованные методы:

• метод противопоставления, при котором измеряемая вели­ чина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воз­ действуют на прибор сравнения. Например, измерения массы на равноплечих весах с помещением измеряемой массы и уравнове­шивающих ее гирь на двух чашках весов;

• метод совпадений, где разность между сравниваемыми вели­чинами измеряют, используя совпадение отметок шкал или пе­риодических сигналов.

Например, при измерении длины штангенциркулем наблюда­ют совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса; при измерении частоты вращения стробоскопом — метки на вра­щающемся объекте с момента вспышек известной частоты.

В литературе иногда встречается название измере­ний с однократными наблюдениями — обыкновенные измере­ния, а с многократными — статистические. Кроме того, если весь измеряемый параметр фиксируется непосредственно СИ, то это — абсолютный метод, а если СИ фиксирует лишь отклонение пара­метра от установочного значения, то это относительный (порого­вый) метод измерения.

Другие виды и методы измерений (рис. 2.2) не требуют специальных пояснений и будут рассмотрены ниже.