Методы измерений

ЛЕКЦИЯ 1

Метрология как деятельность. Основные понятия в области метрологии.

Метрология – область знаний и вид деятельности, связанные с измерениями. Объектами метрологии являются единицы величин, средства измерений, эталоны, методики выполнения измерений.

Измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей в явном или неявном виде и получение значения этой величины. Понятие физической величины можно определить как свойство, для которого могут быть установлены и воспроизведены градации (т.е. единицы данного свойства) определенного размера. Целью измерения и его конечным результатом является нахождение значения физической величины. Значение физической величины – оценка физической величины в принятых для измерения данной величины единицах.

В теории измерений вводятся понятия истинного измеренного и действительного значения физической величины.

Нахождение истинного значения измеряемой физической величины является центральной задачей метрологии. Истинное значение физической величины это то значение, которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Одним из постулатов метрологии является положение о том, что истинное значение физической величины существует, однако определить его путем измерения невозможно. Поэтому под истинным понимается некое детерминированное значение физической величины, отражающее свойство объекта достаточно адекватно.

Поскольку истинное значение величины определить невозможно, в практике измерений оперируют понятием действительного значения. Действительное значение – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному, что для данной задачи может быть использовано вместо него. Под измеренным значением понимается значение величины, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерения.

Измеряемая физическая величина – физическая величина, подлежащая измерению в соответствии с поставленной измерительной задачей.

Влияющая физическая величина – физическая величина, непосредственно не измеряемая средством измерения, но оказывающая влияние на него или на объект измерения таким образом, что это приводит к искажению результата измерений. Так, например, при измерении сопротивления резистора влияющей величиной может быть температура, если сопротивление резистора зависит от температуры.

Физический параметр – физическая величина, характеризующая частную особенность измеряемой величины. Например, при измерении напряжения переменного тока в качестве параметров напряжения могут выступать амплитуда колебаний, мгновенное значение напряжения, среднее квадратическое значение и др.

Постоянная величина – физическая величина, размер которой по условиям измерительной задачи можно считать не изменяющимся за время, превышающее длительность измерения.(Статические измерения)

Переменная величина – физическая величина, изменяющаяся по размеру в процессе измерения. (Динамические измерения, динамическое относится к изменяющейся физической величине)

По способу нахождения искомого значения измеряемой величины различают прямые, косвенные, совместные и совокупные измерения.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно по показаниям средства измерений (измерение тока амперметром, промежутка времени – секундомером и пр.).

Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят расчетом на основании известной зависимости между величиной и величинами, функционально связанными с искомой и определяемыми посредством измерений. Т.е. искомое значение физической величины рассчитывают по формуле, а значения величин, входящих в формулу, получают измерениями (измерение мощности, рассеиваемой на сопротивлении, может быть выполнено расчетом по формуле на основании измерения тока и сопротивления резистора).

Совместные измерения – одновременные измерения двух или нескольких разнородных величин для установления зависимости между ними (ряд одновременных, прямых измерений электрического сопротивления проводника и его температуры для установления зависимости сопротивления от температуры).

Совокупные измерения – производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (нахождение значений массы отдельных гирь набора по известному значению массы одной из гирь: сравнивая массы различных сочетаний гирь, получают систему уравнений, из решения которых находят массу каждой из гирь, входящих в набор).

Значение физической величины может быть найдено посредством однократного ее измерения, либо путем нескольких измерений, следующих друг за другом, с последующей статистической обработкой результатов измерений. В первом случае измерения называют однократными или простыми, во втором – измерениями с многократными наблюдениями или статистическими.

Методы измерений

Под методом измерения понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений, выбранную для решения конкретной измерительной задачи. В понятие метода измерений входит как теоретическое обоснование принципов измерения, так и разработка приемов применения средств измерения.

В зависимости от способа применения меры различают методы непосредственной оценки и методы сравнения.

При измерении методом непосредственной оценки искомое значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерения, которое проградуировано в соответствующих единицах.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например, сравнение массы на рычажных весах). Отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие меры в процедуре измерения, в то время как в методе непосредственной оценки мера в явном виде при измерении не присутствует, а ее размеры перенесены на отсчетное устройство (шкалу) средства измерения заранее, при его градуировке. Обязательным в методе сравнения является наличие сравнивающего устройства.

Метод сравнения с мерой имеет несколько разновидностей: нулевой метод; дифференциальный метод, метод замещения и метод совпадений.

Нулевой метод (или метод полного уравновешивания) – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводят к нулю. Например, измерение массы на равноплечих весах, когда воздействие массы m_x полностью уравновешивается массой гирь m₀ (рис. 1, а).

Рис. 1. Методы сравнения

При дифференциальном методе полное уравновешивание не производится, а разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой. Отсчитывается по шкале прибора рис.1, б. В этом случае значение измеряемой величины m_x = m₀ + Δ m.

Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, взвешивание на пружинных весах. Вначале на чашу весов помещают взвешиваемую массу и отмечают положение указателя весов; затем массу m_x замещают массой гирь m₀, подбирая ее так, чтобы указатель весов установился точно в том же положении, что и в первом случае. Тогда m_x = m_0.

В методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Например, метод совпадений, использующий совпадение основной и нониусной отметок шкал, реализуется в штангенприборах для измерения линейных размеров.