Виды и методы измерений

Измерение есть совокупность операций, осуществляемых опытным путем с помощью технических средств, хранящих единицу физической величины и заключающихся в сравнении измеряемой величины с ее единицей с целью получения значения искомой величины в форме, наиболее удобной для использования. Измерения классифицируются по следующим основным признакам:

1. По способу получения информации:

Прямые измерения предусматривают определение искомого значения физической величины путем непосредственного сравнения с мерой данной величины. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q – искомое значение измеряемой величины, а X – значение, непосредственно получаемое из опытных данных. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов и др. Прямые измерения широко применяются в машиностроении, а также при контроле технологических процессов (измерение давления, температуры).

Косвенные измерения основаны на определении искомого значения физической величины на основании прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле Q = F(x₁,x₂,…,x_n), где Q – искомое значение косвенно измеряемой величины; F – функциональная зависимость, которая заранее известна, x₁,x₂,…,x_n – значения величин, измеренных прямым способом.

Совокупные измерения осуществляются путем одновременного измерения нескольких одноименных величин, по которым искомые значения величины определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместные– это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных (разноименных) величин для нахождения зависимостей между ними.

2. По характеру измеряемой величины в процессе измерений:

- Статические измерения проводятся при практическом постоянстве измеряемой величины. Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления,

- Динамические измерения характеризуются изменением измеряемой величины в процессе измерений (во времени). Они могут иметь место в ряде технологический процессов, при воздействии внешних факторов.

- Статистические – разновидность динамических измерений, связанных с определением случайных процессов (вибрации, и шумов и т.д.).

3. По количеству измерительной информации, получаемой в процессе измерений:

- Однократные измерения, при которых число измерений равняется числу измеряемых величин.

- Многократные измерения характеризуются тем, что число измерений превышает число измеряемых величин. За результат принимают среднее арифметическое значение из отдельных измерений. Многократные измерения проводят с целью уменьшения влияния случайных составляющих погрешностей измерения.

4. По выражению результата измерений по отношению к основным единицам:

- Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и использовании значений физических констант.

- Относительные измерения – измерение отношения величины к одноименной величине, принимаемой за исходную.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса:

― измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности;

― контрольно–поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения;

― технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений..

Существуют и другие классификации измерений, например по метрологическому назначению (технические и метрологические измерения), по связи с объектом (контактные и бесконтактные), по условиям измерений (равноточные и неравноточные) и другие. На рисунке 3.1 представлена классификация измерений по основным признакам.

Рисунок 3.1 Классификация измерений

Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность.

Принцип измерений – физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.

В настоящее время все измерения в соответствии с физическими законами, используемыми при их проведении, сгруппированы в 13 видов измерений. Им в соответствии с классификацией были присвоены двухразрядные коды видов измерений: геометрические (27), механические (28), расхода, вместимости, уровня (29), давления и вакуума (30), физико–химические (31), температурные и теплофизические (32), времени и частоты (33), электрические и магнитные (34), радиоэлектронные (35), виброакустические (36), оптические (37), параметров ионизирующих излучений (38), биомедицинские (39).

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Как правило, метод измерений обусловлен устройством средств измерений. Средствами измерений являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства. Примерами распространенных методов измерений являются следующие методы:

― метод непосредственной оценки – метод, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений. Например, взвешивание на циферблатных весах или измерение давления пружинным манометром;

― 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. Этот метод может дать очень точные результаты. Так, если разность составляет 0,1 % измеряемой величины и оценивается прибором с точностью до 1 %, то точность измерения искомой величины составит уже 0,001 %. Например, при сравнении одинаковых линейных мер, где разность между ними определяется окулярным микрометром, позволяющим ее оценить до десятых долей микрона;

― нулевой метод измерений – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величины. Например, измерение массы на равноплечных весах при помощи гирь. Принадлежит к числу очень точных методов.

― метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента. Результат измерения при этом методе либо вычисляют как сумму значения используемой для сравнения меры и показания измерительного прибора, либо принимают равным значению меры. Существуют различные модификации этого метода: метод измерения замещением (измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины, например, при взвешивании поочередным помещением массы и гирь на одну и ту же чашку весов) и метод измерений дополнением (значение измеряемой меры дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению).

Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером погрешности.

Погрешность измерений – разность между полученным при измерении и истинным значениями измеряемой величины. Погрешность вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а также недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.