2015-10-13
5233
Для проведения измерительного эксперимента необходимы особые технические средства – средства измерений. Результатом измерения является оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.
Измерение физической величины (measurement) – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающая нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.
Несмотря на то, что измерения непрерывно развиваются и становятся все более сложными, метрологическая сущность остается неизменный и сводится к основному уравнению измерения:
Q = X[Q]
где Q – измеряемая величина;
X – числовое значение измеряемой величины в принятой единице измерения;
[Q] – выбранная для измерения единица.
В зависимости от того, на какие интервалы разбита шкала, один и тот же размер представляется по-разному. Допустим, измеряется длина отрезка прямой в 10 см с помощью линейки, имеющей деления в сантиметрах и миллиметрах.
Для первого случая Q 1= 10 см при X 1 = 10 и [Q 1 ] = 1 см.
Для второго случая Q 2 = 100 ммпри X 2= 100 и [Q 2 ] = 1 мм.
При этом Q 1 = Q 2, так как 10 см = 100 мм.
Применение различных единиц в процессе измерения приводит только к изменению численного значения результата измерения.
Цель измерения – получение определенной физической величины в форме наиболее удобной для пользования. Любое измерение заключается в сравнении данной величины с некоторым ее значение, принятым за единицу сравнения. Такой подход выработан практикой измерений, исчисляемой сотнями лет. Еще великий математик Л.Эйлер утверждал: «Невозможно определить или измерить одну величину иначе как, приняв в качестве известной другую величину этого же рода и указав соотношение в котором они находятся».
Измерения как экспериментальные процедуры весьма разнообразны и классифицируются по разным признакам (рис.5).
¨ По способу получения информации. Эта классификация позволяет получить удобное выделение методических погрешностей измерений и предусматривает деление измерений на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямое измерение – это измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно, значение находится непосредственно по показаниям средства измерения при сравнении физической величины с ее мерой. В современных приборах микропроцессорной техники операция вычислений может представлять внутреннюю неотделимую процедуру, а погрешность расчета входит в погрешность измерительного прибора. В таком случае измерения, проведенные с помощью такого прибора, должны быть отнесены к прямым.
Косвенное измерение – это определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, фундаментально связанных с искомой величиной. Фактически речь идет не об измерительной операции, а о выполнении ручной или автоматической вычислительной операции после получения результатов прямых измерений.
Совокупные измерения – это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерении этих величин в различных сочетаниях.
Совместные измерения – это проводимые одновременно измерения двух или нескольких величин для определения зависимости между ними.
Отличие совместных и совокупных измерений заключается в том, что при совокупных измерениях одновременно определяется несколько одноименных величин, а при совместных – несколько разноименных величин.
¨ По отношению с основным единицам. Эта классификация предусматривает деление измерений на абсолютные и относительные.
Абсолютное измерение – это измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значения физической константы. Например измерение силы основано на измерении физической константы g.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5. Классификация видов измерений по различным признакам
Относительное измерение – это измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Хотя при этом может существовать зависимость результата от выбранной единицы измерения, относительные измерения дают более точные результаты, чем абсолютные, так как не содержат погрешности меры величины.
¨ По количеству замеров информации.
Однократное измерение – это измерение, выполненное один раз.
Многократное измерение – это измерение физической величины одного того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, то есть состоящих из ряда однократных измерений.
¨ По характеристике точности измерения.
Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.
Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимся по точности средствам измерений (или) в разных условиях.
¨ По характеру динамики измеряемой величины.
Статическое измерение (static measurement) – это измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.
Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов (звуковых сигналов, уровня шума и т. д.), а также с определением закономерностей общественной деятельности человека.
Динамические измерения (dynamic measurement) – это измерение изменяющейся по размеру физической величины.
Такая градация измерений связана с решением об учете или пренебрежении скорости изменения измеряемой величины и необходимости вычисления динамической погрешности.
¨ По метрологическому назначению.
Технические измерения проводятся рабочими средствами измерения и принимается наперед заданная погрешность, достаточная для решения данной практической задачи.
Метрологические измерения выполняются при помощи эталонов с целью воспроизведения единиц физических величин для передач их размера рабочим средствам измерения.
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.
Принцип измерения – это физическое явление (физический эф-фект), положенное в основу измерений. К наиболее распространенным физическим эффектам, используемым при измерении, относятся: пьезо-электрический, термоэлектрический, фотоэлектрический.
Метод измерения (method of measurement) – это прием или сово-купность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Ме-тоды измерений классифицируют по нескольким признакам: по общим приемам получения результатов измерений, по условиям измерения и по способу сравнения измеряемой величины с ее единицей. Искомое значение физической величины находится посредством сопоставления ее с мерой, материализирующей единицу этой величины. Выделяют следующие методы измерений (рис. 6).
По способу получения значений измеряемых величин различают два основных метода: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.
Метод непосредственной оценки – метод, в которомискомое значение физической величины определяют непосредственно по отчетному 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 с мерой 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 отчетное устройство (шкалу) средства измерения заранее, при его градуировке. Обязательным в методе сравнения с мерой является наличие сравнивающего устройства. Метод сравнения с мерой имеет несколько разновидностей:
- нулевой метод (или метод полного уравновешивания) – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводятся к нулю (рис 7, а). Измерение массы на равноплечных весах, когда воздействие на весы массы mx полностью уравновешивается массой гирь mo;
| |||
 |
| По способу получения значений | По условиям измерения | По виду применяемых измерительных средств | |||||||
| Метод непосредственной оценки | 
| Контактный метод | 
| Инструментальный метод | |||||
| Бесконтактный метод | Экспертный метод | ||||||||
| Метод сравнения с мерой | |||||||||
|
| Органолептический метод | |||||||
|  
| ||||||||
|
| Эвристический метод |
|
|
|
в
|
г |
Рис. 7. Метод сравнения с мерой: а - нулевой метод; б - дифференциальный метод; в - метод замещения; г – метод совпадений
- дифференциальный метод измерения – это метод измерения, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины. При дифференциальном методеполное уравновешивание не производят, а разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, отсчитывается по шкале приборов (рис. 7, б). Измерение массы на равноплечных весах, когда воздействие массы mx на весы частично уравновешивается массой гирь mo, а разность масс отсчитывается по шкале весов, градуированной в единицах массы. В этом случае значение измеряемой величины
mх = mo+ Δ mх,
где Δ mх - показания весов;
- метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой (рис.7, в) и измерение производят в два приема. Вначале на чашу весов помещают взвешиваемую массу и отмечают положение указателя весов, затем на чашу весов помещают гири так, чтобы указатель весов установился точно в том же положении, что и в первом случае;
- метод совпадений – метод, при которомразность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Например, при измерении штангециркулем используют совпадение отметок основной и нониусной шкал (рис. 7, г).
По условиям измерения различают контактный и бесконтактный метод. Контактный метод – это метод измерения, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения, например измерение длины линейкой или измерение температуры термометром. У бесконтактного метода чувствительный элемент прибора не контактирует с измеряемым объектом, например измерение скорости или расстояния локатором.
В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различают инструментальный, экспертный, органолептический и эвристический методы измерений.
Инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, например микроскопа, штангенциркуля, профилометра и др.
Экспертный метод оценки основан на использовании данных нескольких специалистов. Широко применяется в квалиметрии, медицине, спорте, искусстве.
Органолептический метод оценки основан на использовании органов чувств человека (обоняние, осязание, зрение, слух и вкус). Часто используются измерения на основе впечатлений (конкурсы, соревнования).
Эвристические методы основаны на интуиции. Например метод попарного соспоставления, когда измеряемые величинысначала сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основании результатов этого сравнения.
