Виды и методы измерений

В иды измерений определяются физическим характером ФВ, требуемой точностью и необходимой скоростью измерений, условиями и режимом измерений. Наиболее широко применяется классификация видов получения результатов измерений, которая приведена на рис. 3.

Рис. 3. Классификация видов измерений

Прямые измерения – искомую величину находят непосредственно из опытных данных (длину – линейкой, время – секундомером, ток – амперметром и т.д.).

Косвенные измерения – искомую величину определяют вычислениями по результатам прямых измерений величин, связанных с искомой величиной известной зависимостью, например для определения объёма цилиндрического резервуара необходимо измерить радиус дна и высоту и обратиться к формуле , где V – объем цилиндра, r – радиус основания цилиндра, h – высота цилиндра.

Совокупные измерения – искомые значения нескольких одноименных величин x и y находят путём прямых одновременных измерений различных сочетаний этих величин.

Совместные измерения, когда одновременно производится измерения разнородных величин для установления зависимости между ними.

Методы измерений

Под методом измерений понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений, выбранную для решения конкретной измерительной задачи. В понятие метода измерений входят как теоретическое обоснование принципов измерения, так и разработка приемов применения средств измерения. На рис. 1.4 приведена классификация методов измерения.

Рис.4. Классификация методов измерений

М етод непосредственной оценки используется, например, при измерении электрического тока в цепи при помощи амперметра показанного на рис. 5. Измерения с помощью этого метода проводятся очень быстро, просто и не требуют высокой квалификации оператора, поскольку не нужно создавать специальные измерительные установки и выполнять какие-либо сложные вычисления. Однако точность измерений чаще всего оказывается невысокой из-за погрешностей, связанных с необходимостью градуировки шкал приборов и воздействием влияющих величин (непостоянство температуры, нестабильность источников питания и пр.).

Рис.5. Метод непосредственной оценки

При проведении наиболее точных измерений предпочтение отдается различным модификациям метода сравнения с мерой, при котором измеряемую величину находят сравнением с величиной, воспроизводимой мерой. Результат измерения либо вычисляют как сумму значения используемой для сравнения меры и показания измерительного прибора, либо принимают равным значению меры.

Дифференциальный (разностный) метод – метод, в котором на измерительный прибор воздействует разность ΔX между измеряемой величиной X и известной величиной X₀, воспроизводимый мерой. Для данного метода характерно наличие одного источника энергии и однозначной меры. Точность возрастает с уменьшением разности между сравниваемыми величинами. Метод применяется при измерении параметров цепей (сопротивления R, индуктивности L, емкости C и т.д.). На рис.6 показаны весы, где измерение массы m_x производится мерой m₀ дифференциальным методом.

Э тот метод может быть использован, конечно, только в тех случаях, когда просто и точно реализуется операция вычитания величин (длины, перемещения, электрические напряжения). Дифференциальный метод неприменим при измерении таких величин, как температура или твердость тел.

Нулевой метод – частный случай дифференциального метода, при котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой, на прибор сравнения доводят до нуля, как показано на рис. 1.7. В этом случае компенсация воздействий влияющих величин оказывается более полной, а значение измеряемой величины принимается равным значению меры.

Например, точное взвешивание драгоценных металлов, камней в каратах и т.д.

Р ассмотрим разновидность нулевого метода, которую иногда называют (методом противопоставления, методом чередования), где неизвестная величина и известная величина одновременно участвуют в каждом измерении, меняясь местами от первого измерения к второму. Метод противопоставления показан на рис. 8.

Достоинством метода является уменьшение постоянных систематических погрешностей при сравнении измеряемой величины с известной величиной примерно равного значения, воспроизводимой соответствующей образцовой мерой. Особенностью метода является то, что измерения проводятся дважды и проводятся так, чтобы в обоих случаях причина постоянной систематической погрешности оказывала разные, но известные по закономерности воздействия на результаты наблюдений.

М етод замещений обеспечивает наиболее полную компенсацию постоянной систематической погрешности. Суть данного метода состоит в такой замене измеряемой величины известной величиной А, получаемой с помощью регулируемой меры, чтобы показание измерительного прибора сохранилось неизменным. Значение измеряемой величины считывают в этом случае по указателю меры. При использовании данного метода погрешность неточного измерительного прибора устраняют, а погрешность измерения определяют только погрешностью самой меры и погрешностью отсчета измеряемой величины по указателю меры. На рис. 1.9 показаны пружинные весы для измерения массы m_x методом замещения.

П реимущество метода замещения – в последовательном во времени сравнении измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Благодаря тому, что обе эти величины включаются одна за другой в одну и ту же часть измерительной цепи прибора, точностные возможности измерений значительно повышаются по сравнению с измерениями, проводящимися с помощью других разновидностей метода сравнения, где несимметрия цепей, в которые включаются сравниваемые величины, приводит к возникновению систематических погрешностей. Способ замещения применяется при электрических измерениях с помощью мостов переменного тока, условие равновесия которых определяется не только значениями величин, воспроизводимых элементами плеч моста, но также и влиянием паразитных токов, емкостей, индуктивностей и рядом других факторов. Эти причины вызывают появление погрешностей, которые могут быть исключены, если проводить измерения методом замещения. Для этого вначале мост уравновешивается с включенной в его цепь измеряемой величиной, которая затем замещается известной величиной, и мост уравновешивается вновь. Если при этом никаких изменений ни в мосте, ни во внешних условиях не происходит, то указанные выше погрешности исключаются почти полностью.

Метод совпадений – метод, при котором измеряют разность между искомой величиной и образцовой мерой, используя совпадение отметок, например, для измерения размеров с помощью штангенциркуля, у которого имеется нониус. Шкала нониуса штангенциркуля имеет десять делений через 0.9 мм. Когда нулевая отметка шкалы нониуса оказывается между отметками основной шкалы штангенциркуля, это означает, что к целому числу миллиметров необходимо добавить число десятых долей миллиметра, равное порядковому номеру совпадающей отметки нониуса.

Другими примерами, где применяется принцип совпадения, являются измерение периода, частоты, поверки часов по шестому сигналу, измерение числа оборотов с помощью стробоскопа и т. д.