Вопрос 2. Методы измерений

Тема: Виды измерений.

                                         План:

1. Классификация измерений.

2. Методы измерений

Вопрос 1. Классификация  измерений.

Измерения как экспериментальные процедуры очень разнообразны и классифицируются по разным признакам:

1. По способу получения информации - позволяет получить удобное выделение методических погрешностей измерений и предусматривает деление измерений на:

а) прямое измерение - это измерение, при котором искомое    значение  физической величины получают непосредственно, значение находят непосредственно по показаниям средства измерения путем сравнения физической величины с ее мерой. В современных приборах микропроцессорной техники операция вычислений может представлять внутреннюю неотделимую процедуру, а погрешность расчета входит в погрешность измерительного такого прибора, должны быть отнесены к прямым;

б) косвенное измерений – это определение искомого значения физической величины на 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;

в) 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;

г) совместные измерения – это выполняемые одновременно измерения двух или нескольких величин для определения зависимости между ними.

     Различие совместных и совокупных измерений заключается в том, что при совокупных измерениях одновременно определяется несколько одноименных величин, а при совместных – несколько разноименных величин.

2. По отношению к основным единицам – предусматривает деление измерений на абсолютные и относительные.

а) 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 q.

б) относительное измерение - это измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Относительные измерения дают более точные результаты, чем абсолютные, так как не содержат погрешности меры величины.

3. По числу замеров информации – измерения могут быть:

а) однократное измерение – это измерение, выполненное один раз.

б) многократное измерение – это измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких  следующих друг за другом измерений,т.е. состоящих из ряда однократных измерений.

4. По характеристике точности измерений – при этой классификации измерения подразделяются на:

а) равноточные измерения - ряд измерений какой либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

б) неравноточные измерения - ряд измерений какой –либо величины, выполненных различающими по точности средствами измерений (или) в  

5. По характеру динамики измеряемой величины. По динамике измерение может быть:

а) статическое измерение- 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.

б) динамические измерения - 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.

6. По метрологическому назначению - измерения могут быть техническими, они проводятся рабочими средствами измерения, и принимается заданная погрешность, достаточная для решения данной практической задачи.

По метрологическому назначению Средства Измерения  делят на два вида – рабочие средства измерений и эталоны.

Рабочие средства измерений применяют для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающей среды и др.

Производственные средства обладают устойчивостью к воздействию различных факторов производственного процесса: температуры, влажности, вибрации и т.п., что может сказаться на достоверности и точности показаний приборов.

Эталон – это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения, хранения единицы величины с целью передачи её размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталонам, а от них к рабочим средствам измерений. Эталоны классифицируют на:

Первичный эталон – это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений, в современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.

  Вторичные эталоны могут утверждаться либо  Росстандартом  РФ, либо государственными научными метрологическими центрами, что связано с особенностями их использования.

  Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и в свою очередь служат для передачи размера менее точному рабочему эталону (или эталону более низкого разряда и рабочим средствам измерений).

Вопрос 2. Методы измерений

Для получения результата измерения средства измерений применяются в соответствии с определенным методом.

Методы измерения (МИ) – способ получения результата измерений путем использования принципов и средств измерений.

МИ подразделяют на:

- Метод непосредственной оценки – значение измеряемой величины снимается непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

В таком приборе предусмотрено преобразование сигнала измерительной информации в одном направлении без применения обратной связи.

Например, измерение температуры ртутным термометром.

Для измерения методом непосредственной оценки применяют очень много различных приборов: манометры, амперметры, расходометры, барометры и т. д.

Преимущество – быстрота измерений, обуславливающая незаменимость для практического применения. Недостаток – ограниченная точность.

- Метода сравнения с мерой – измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимая мерой.

При этом используют прибор сравнения, т.е. измерительный прибор, предназначенный для непосредственного сравнения измеряемой величины с известной.

Пример: измерение длины линейкой.

Преимущество – большая точность измерения, чем при методе непосредственной оценки. Недостаток – большие затраты времени на подбор мер.

Метод сравнения с мерой имеет разновидности, которые часто рассматриваются как самостоятельные методы измерений: нулевой, дифференциальный и метод совпадений.

- Нулевой метод  (или метод полного уравновешивания) – метод сравнения с мерой, в которой результирующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводятся к нулю.

- Дифференциальный (разностный) метод – этот метод измерения, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей   известное значение,которое незначительно отличается от значения измеряемой величины. При дифференцированном методе полное уравновешивание не производят, а разность между измеряемой величиной, воспроизводимой мерой, отчитывается по шкале приборов.

Преимущество – получение результатов с высокой точностью, даже при применении относительно грубых  средств  для  измерения разности.

- Метод противоставления – измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, единовременно действует на прибор сравнения, с помощью которого устанавливают соотношение между этими величинами.

Например, взвешивание на равноплечных весах, при котором измеряется масса, определяется как сумма массы гирь, ее уравновешивающих, и показаний по шкале весов.

Преимущество – уменьшение воздействия на результаты измерения факторов, влияющих на искажение сигналов измерительной информации. Недостаток – увеличение времени взвешивания.

- Метод совпадений – метод,  при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Например, при измерении штангециркулем используют совпадение отметок основной и нониусной шкал.

 Преимущество – метод позволяет существенно увеличить точность сравнения с мерой. Недостаток – затраты на приобретение более сложных средств измерений, необходимость наличия профессиональных навыков у оператора.

 

 

- Метод замещения –   метод сравнения с мерой, в котором  измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой и измерение производят в два приема, сохраняя все условия неизменными. Например,  в начале на чашу весов, затем на чашу весов помещают гири так, чтобы указатель весов установился точно в том же положении,что и в первом случае.

Преимущества – погрешность измерений мала, так как определяется в основном погрешностью меры и зоной нечувствительности прибора (ноль – индикатор). Недостаток – необходимость применения многоразовых мер.

По условиям измерения  различают:

1.Косвенный метод измерения – этот метод измерения, основанный на том, то чувствительный элемент    прибора   приводится в контакт с объектом измерения.

Например, измерение длины линейкой или измерение температуры термометром.

Косвенные методы широко применяются при химических методах испытания.

Преимущества – возможность измерения величин, для которых отсутствуют методы непосредственной оценки или они не дают достоверных результатов или связаны со значительными затратами. Недостатки – повышенные затраты времени и средств на измерение.

2. Бесконтактный метод измерения – 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 метод - основан на использовании специальных технических средств.

Например, микроскопа, штангенциркуля, профилометра и др.

- Органолептический  метод – основан на использовании органов чувств человека (обоняние, осязание, зрение, слух и вкус).

Часто используются измерения на основе  впечатлений (конкурсы, соревнования).

- Экспертный метод – основан на использовании данных нескольких специалистов. Метод широко применяется в квалиметрии, медицине, спорте и искусстве.

- Эвристические методы – основаны на интуиции. Примером может служить метод попарного сопоставления,когда измеряемые величины сначала сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основании результатов этого сравнения.