Методы измерений

Взаимодействие СИ с объектом при измерении основано на физических явлениях, совокупность которых составляет принцип измерений, а совокупность приемов использования принципов и СИ называется методом измерений.

Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенные в основу измерений. Например, применение пьезоэлектрического эффекта при измерении Э.Д.С. (электрического напряжения); эффект Холла при измерении сопротивления; эффект Доплера при измерении скорости; эффект Джозефсона для измерения электрического напряжения.

Метод измерений это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Например, измерение постоянного тока методом непосредственной оценки может быть выполнено на основе механического взаимодействия магнитного поля и измеряемого тока; определение напряженности поля производится на основе использования явления электромагнитной индукции, путем оценки значения э.д.с., которая индуцируется в антенне под действием измеряемого поля. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений и определяет способы решения измерительной задачи по принятой методике выполнения измерений (МВИ). Под методикой понимают технологию выполнения измерений (совокупность операций) с целью наилучшей реализации метода.

Для прямых измерений, где физический принцип, как правило, однозначно определяется принципом действия используемого СИ, совокупность методических приёмов (содержание метода) носит метрологический характер. Такие общие приёмы, называемые методами прямых измерений, позволяют в ряде случаев исключать или компенсировать наиболее существенные систематические погрешности измерений.

По способу сравнения измеряемой величины с её единицей методы прямых измерений подразделяют на метод непосредственной оценки («шкальный») и метод сравнения с мерой (рис.2).

Рисунок 2

Метод сравнения с мерой имеет ряд разновидностей, отличающихся приёмами и способами сравнения.

При измерениях методом непосредственной оценки значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерений, шкала которого заранее была проградуирована в единицах измеряемой величины.

К достоинствам метода непосредственной оценки можно отнести быстроту получения результата измерений и возможность непосредственного наблюдения за изменениями измеряемой величины, а к недостаткам то, что точностные возможности ограничены погрешностями градуировки СИ.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие в процессе измерения меры известной величины, однородной с измеряемой. Сравнение может быть непосредственным или опосредствованным через другие величины, однозначно связанные с первыми.

Группа методов сравнения с мерой включает: нулевой, дифференциальный, замещения и совпадений.

Нулевой метод измерений - метод сравнения с мерой, в котором результирующей эффект воздействия измеряемой величины и (встречного воздействия) меры на прибор сравнения доводят до нуля.

При нулевом методе измерений 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. Нулевой метод широко используют при измерении массы на равноплечих весах (рис.3,а); при измерении сопротивления, индуктивности и емкости мостовыми схемами или тока и напряжения компенсационными устройствами.

Дифференциальный метод - метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.

Дифференциальный метод измерений на примере, приведенном на рис.3,б, состоит в том, что измеряемая величина m_Х сравнивается с известной величиной m₀, воспроизводимой мерой, и полученная разность  m отсчитывается по шкале весов, градуированной в единицах массы. Таким образом, в отличие от нулевого метода в этом случае измеряемая величина уравновешивается не полностью. Значение измеряемой величины m_Х определяется по известной величине m₀ и измеренной разности m. Следовательно, m_Х = m₀ +  m, где  m – показания весов.

Рисунок 3, а	Рисунок 3, б	Рисунок 3, в

Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.

Например, взвешивание на пружинных весах (рис.3,в). Измерение производят в два приема. Вначале на чашу весов помещают взвешиваемую массу и отмечают положение указателя весов; затем массу т_x замещают массой гирь т_o, подбирая ее так, чтобы указатель весов установился точно в том же положении, что и в первом случае. При этом ясно, что т_x = т_o . Метод замещения применяется при прецизионных измерениях сопротивления, индуктивности и емкости, при измерении напряженности поля и в ряде других случаев.

Метод совпадений - метод сравнения с мерой, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют по совпадению отметок шкал или периодических сигналов. Метод совпадений основывается на использовании совпадения отметок шкал, либо частоты сигналов, либо разности хода и т. д. По принципу данного метода построены такие измерительные приборы, как простая линейка, нониус штангенциркуля, резонансные частотомеры, различные интерферометры, а также приборы, использующие стробоскопический эффект. Например, шкала нониуса имеет десять делений по 0,9 мм, в то время как основная шкала штангенциркуля имеет обычную цену деления в 1 мм. Если начальная отметка шкалы нониуса не совпадает точно с какой-либо отметкой шкалы штангенциркуля, то это означает, что измеряемая длина имеет значение; не выражаемое целым числом. Долю миллиметра находят по совпадению какого-нибудь другого деления нониуса с отметкой основной шкалы. Таким образом, использование дополнительной шкалы (нониуса) позволяет тем же методом совпадения увеличить точность простой миллиметровой измерительной линейки на порядок (в десять раз).

В целом, достоинством группы методов сравнения с мерой является высокая точность измерений, а недостатком - сложность. Выбор того или иного метода измерений определяется назначением их результатов, требованиям к их быстроте и точности.