Методы и способы измерений
Прямое (непосредственное) измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных, например, по показаниям СИ (измерения при помощи измерительной линейки, штангенциркуля, микрометра и др.)
Уравнение прямого измерения с отсчетом по шкале:
где Аи пр. – значение измеренной (искомой) величины А в принятых единицах измерения (результат измерения), С – цена деления шкалы или единичного показания цифрового отсчетного устройства, у – отсчет (количество делений шкалы или количество единичных показаний).
Шкала может состоять из двух подшкал. Например, основная шкала на стебле (гильзе) гладкого микрометра. В этом случае результат измерения определяют по сумме показаний подшкал: по нижней определяют количество целых миллиметров, по верхней – 0,5 мм. Если СИ имеет еще и нониус, то отсчет получают суммированием показаний всех шкал.
Например, у гладкого микрометра шкала нониуса нанесена на скосе барабана. По ней отсчитывают дополнительно десятые и сотые доли миллиметра.
Косвенное (непрямое) измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят расчетом на основе известной зависимости между искомой величиной и величинами, полученными прямыми измерениями. Такие измерения выполняют, когда искомую величину невозможно непосредственно измерить вообще или когда нет подходящего СИ для прямого измерения. Например, такие измерения выполняют: при измерении штангенрейсмасом двух размеров, чтобы определить третий размер; при измерении вала Ø5 м (измеряют рулеткой длину окружности и вычисляют диаметр вала по формуле d = L/π); при измерении угла по двум катетам или по катету и гипотенузе и т.д.
Аи кос. – измеренная (искомая) величина А в принятых единицах (результат измерения), a1,a2,…,an – результаты прямых измерений (a1 = С1 * у1, a2 = С2 * у2, aп = Сп * уп).
Совокупное измерение – измерение, при котором одновременно измеряют несколько однородных (одноименных) величин, а значение искомой величины находят решением системы уравнений, составленных по результатам прямых измерений различных сочетаний этих величин. Количество уравнений должно быть не менее количества сочетаемых величин. Например, нужно определить величины А, В и С, но нет средства, которым можно было их измерить прямым измерением, а есть возможность определить суммы любых двух из этих величин.
Тогда, измеряя сочетания величин, получим уравнения:
A + B = a, A + C = b, B + C = c,
Где a, b, c – результаты измерений соответствующих пар. Искомые однородные величины A, B, C определяются решением этих уравнений (т.е. получается система из трех уравнений с тремя неизвестными). Такая задача возникает, например, при калибровке магазина (набора) мер, когда значения мер определяют по известному значению одной из них и прямым сопоставлением размеров различных сочетаний мер.
Рассмотрим решение подобной задачи в общем виде:
Дано: a = A + B, b = A + C, c = B + C.
Нужно определить: A, B, C.
A = a – B, b = a – B + C, c = B + C, B = c – C,
b = a – c + C + C, b – a + c =2C, отсюда:
C = (b – a + c)/2, B = c — (b – a + c)/2 = (2c – b + a — c)/2 = c – b + a/2,
A = a — (c b + a)/2 = (2a – c + b — а)/2 = (a – c + b)/2.
Совместное измерение – измерение, при котором по результатам одновременных прямых или косвенных измерений неоднородных (разноименных) величин определяют зависимости между ними. Например, при одновременном измерении приращения длины образца и температуры для определения коэффициента линейного расширения (K=∆l / l * ∆t).
По выражению результата измерения: абсолютные и относительные.
Абсолютное измерение – прямое измерение, приводящее к значению измеренной величины, выраженному в ее единицах (или основанное на использовании физических констант). Например, когда искомая величина определяется непосредственно по показаниям СИ (измерение микрометром, штангенциркулем и др.).
Относительное измерение — измерение, при котором определяют отношение искомой величины к однородной величине, играющей роль единицы, или определяют отношение к однородной величине принятой за исходную. Например, когда определяют искомый размер или искомое отклонение по отношению к установочной мере или образцу, по которым СИ устанавливают на нуль или на размер. В этом случае искомый размер определяют алгебраическим сложением (суммированием) размера установочной меры (номинального ее размера или размера по справке к свидетельству о калибре) и показания СИ. Этот метод, как правило, оказывается более точным и, при измерении больших партий объектов, — более производительным. Например, при измерении индикаторным нутромером, установленным на размер с помощью концевых мер длины.
При единичных измерениях он малопроизводителен, т.к. каждый раз требует настройки СИ на нуль или на размер.
По числу измерений и роду измерений: однократное измерение – измерение, выполняемое один раз в одном месте.
Многократные измерения – измерения, выполняемые несколько раз в одном месте (т.е. несколько однократных измерений).
По характеристике точности измерения подразделяют на равноточные и неравноточные. Равноточные измерения – ряд измерений величины, выполненных одинаковыми по точности, но разными СИ в одинаковых условиях (перед обработкой ряда измерений, следует убедиться, что измерения являются равноточными). Неравноточные измерения – ряд измерений величины, выполненных разными по точности СИ и (или) в разных условиях.
Статические измерения – измерения, при неизменных условиях в течение времени измерения.
Динамические измерения, когда измеряют величину, которая в процессе измерения изменяет свой размер. Например, при измерении нагревающейся или остывающей детали (например, для определения коэффициента линейного расширения).
Прямые измерения могут осуществляться способами непосредственной оценки и сравнения с мерой.
Способ непосредственной оценки – измерение, при котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерения (по шкале, по цифровому табло).
Способ сравнения с мерой — измерение, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной воспроизводимой мерой (например, сравнение с блоком концевых мер длины).
Способ сравнения с мерой, в свою очередь, подразделяют на нулевой, разностный, совпадений, замещения и противопоставления.
Нулевой способ (компенсационный)- измерение, при котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сводится к нулю (выравнивается). Например, при взвешивании на весах, при измерении электрического сопротивления уравновешенным мостом. Этот способ более точен, чем метод непосредственной оценки.
Разностный способ (дифференциальный) — измерение, при котором измеряют разность между значениями измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. После чего измеряемая величина находится путем алгебраического сложения. Например, при измерении размера отверстия при помощи индикаторного нутромера, установленного на размер блока концевых мер. Этот способ часто применяют при поверке (калибровке) СИ. Например, измерение путем сравнения с эталонной мерой на компараторе (приборе сравнения) при поверке рабочих плоскопараллельных концевых мер длины.
Способ совпадений (нониусный) — измерение, при котором измеряют разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют по совпадению отметок шкал или периодических сигналов. Например, по совпадению отметок шкал основной и нониуса при измерении штангенциркулем или по совпадению показания часов с радиосигналом точного времени.
Способ замещения — измерение, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, при взвешивании с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашу весов. Скажем, есть гиря 1 кг. Нужно взвесить 2 кг. Взвешивают 1 кг продукта, затем на одну чашу весов кладут гирю и вывеску продукта, а на вторую чашу взвешиваемый продукт.
Способ противопоставления — измерение, при котором измеряемая величина и величина воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами. Например, измерение массы на равноплечих весах с помещением измеряемой массы и уравновешивающих ее гирь на двух чашах весов. Скажем, есть гири 1 кг и две по 3 кг. Нужно взвесить 5 кг. На одну чашу кладут гири 3+3 кг, на на другую гирю 1 кг и взвешиваемую массу.
Необходимо помнить, что при разных методах измерения одной величины точность измерения будет разной. Например, высоту телебашни можно измерять: рулеткой (метод сравнения с мерой), высотометром вертолета (метод непосредственной оценки), измеряя горизонтальное расстояние до башни и вертикальный угол, образованный основанием и вершиной башни (метод косвенного измерения).
В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различают инструментальный, экспертный, эвристический и органилептический методы измерений.
Инструментальны метод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических.
Экспертный метод оценки основан на использовании данных нескольких специалистов.
Эвристические методы оценки основаны на интуиции: способ попарного сравнения.
Органилептические методы оценки основаны на использовании органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, слуха и вкуса).
Источник
Метод и методика измерений
Решение любой измерительной задачи связано с реализацией того или иного принципа измерений.
Принцип измерений— физическое явление или эффект, положенный в основу измерений тем или иным средством измерений.
Примерами принципов измерений являются:
• применение эффекта Джозефсона для измерений электрического напряжения;
• применение эффекта Доплера для измерения скорости;
• использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием;
• зависимость сопротивления платины от температуры, реализованная в платиновых термометрах сопротивления;
• зависимость термоЭДС от разности температур, реализованная в термоэлектрических термометрах.
Однако выбором принципа измерений не исчерпывается определение метода измерений. Это гораздо более общее понятие, описывающее способ решения поставленной задачи. Оно определяется следующим образом.
Метод измерений— прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей или шкалой в соответствии с реализованным принципом измерений.
Методы измерений весьма разнообразны. Их можно классифицировать по различным признакам.
Первый из них используемый физический принцип. По нему методы измерений разделяют на оптические, механические, акустические, электрические, магнитные и так далее.
В качестве второго признака классификации используют режим изменения во времени измерительного сигнала. В соответствии с ним все методы измерений разделяют на статические и динамические.
Третий признак — способ взаимодействия СИ и объекта измерений. По этому признаку методы измерений разделяют на контактные (измерительный элемент СИ находится в контакте с объектом измерений) и бесконтактные (чувствительный элемент СИ не находится в контакте с объектом измерений).
Четвертый признак — применяемый в СИ вид измерительных сигналов. В соответствии с ним методы разделяют на аналоговые и цифровые.
Приведенную классификацию можно развивать и далее. Однако более общей является метрологическая классификация методов измерений, под которой понимается классификация по способу сравнения измеряемой величины с единицей. По этому признаку все методы измерений разделяют на два метода:
• метод непосредственной оценки (измеренное значение наблюдают непосредственно по шкале устройства СИ, например, по часам, амперметру);
• метод сравнения с мерой ( значение измеренное сравнивают с величиной, производимой мерой, как пример, измерение на весах рычажных массы).
Метод сравнения с мерой имеет ряд разновидностей: дифференциальный метод, метод замещения, метод дополнения и метод совпадений.
Дифференциальный метод— метод измерений, при котором измеряется разность между измеряемой величиной и однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины. Примером дифференциального метода является поверка мер длины сличением с эталонными мерами на компараторе (приборе, предназначенном для сравнения мер). При этом методе производится неполное уравновешивание измеряемой величины Х величиной Хм, воспроизводимой мерой, и определение их разности ∆Х. Следовательно, результат измерений равен X= ХМ + ∆Х. Дифференциальный метод позволяет существенно повысить точность измерений. Например, если ∆Х = 0,01Х и относительная погрешность измерения ∆Х составляет 1 %, то относительная погрешность результата измерений X равна 0,01 % (если не учитывать погрешность меры).
Частным случаем дифференциального метода является нулевой метод измерений — метод измерений, где в результате эффект действия измеряемой величины и меры на компаратор доводят до нуля. Здесь значение измеряемой величины равняется значению, которое воспроизводит мера.
Примерами нулевого метода являются: взвешивание массы на весах с помощью набора гирь; измерение электрического напряжения уравновешенным мостом. Дифференциальный метод обеспечивает снижение погрешности измерений.
Для борьбы с систематическими погрешностями полезен метод замещения. Метод замещения — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают величиной, воспроизводимой мерой. Поскольку эти измерения делают одним прибором в одинаковых условиях, систематическая погрешность измерений может быть в значительной степени скомпенсирована. Например, существенная составляющая погрешности измерений массы на весах рычажных — погрешность от неравноплечести весов — может быть исключена из результата измерений, если измерения проводить по методу Борда, взвешиванием с помещением по очереди измеряемой массы и гирь на одну чашку весов.
В некоторых измерительных задачах удобно применение других разновидностей метода сравнения с мерой: метода дополнения и метода совпадений.
Метод дополнения — метод сравнения с мерой, при котором измеряемая величина дополняется мерой так, чтобы на СИ сравнения действовала их сумма, которая будет равна заранее известному значению.
Например, иногда может быть более точным измерение массы, при котором уравновешивают гирю, значение которой известно с высокой точностью, измеряемой массой и набором более легких гирь, помещенными на другую чашку весов.
Метод совпадений — метод измерений, при котором определяют разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.
Примером этого метода является измерение длины при помощи штангенциркуля с нониусом. Метод совпадений часто применяется при измерениях параметров периодических процессов.
Очевидно, что выбор метода измерений зависит от его теоретической обоснованности, наличия необходимых СИ, их вида (мера, измерительный прибор и др.) и конструктивных особенностей.
Например, чтобы решить такую простейшую измерительную задачу, как измерение высоты заводской трубы, можно выбрать один из следующих методов:
• поднявшись с рулеткой на трубу, произвести измерение (метод сравнения с мерой);
• поднять вертолет с высотомером до уровня трубы и измерить высоту подъема (метод непосредственной оценки);
• вычислить высоту трубы как катет прямоугольного треугольника на основании результатов измерений расстояния до трубы и угла этого треугольника (косвенные измерения).
Если метод измерений предвидит выработку главных правил применения СИ, то методика выполнения измерений — по сути, алгоритм проведения измерений с задачей самого лучшего исполнения выбранного метода измерений.
Методикой выполнения измерений (МВИ) называют регламентированную сумму действий и правил, исполнение которых при измерении обеспечивает получение необходимых результатов измерений в соответствии с избранным методом. МВИ включает требования к выбору СИ, регламентацию процедуры подготовки СИ к выполнению работы, требования к условиям измерений, регламентацию процедуры. Проведения измерений и исследования результатов измерений, в том числе оценку их точности. МВИ аналитических измерений включает также требования к отбору пробы, ее хранению и транспортировке в измерительную лабораторию, подготовке пробы к измерениям. Унификация МВИ имеет огромный вес в реализации единства измерений. Поэтому МВИ повторяющихся измерений обычно регламентируется каким-либо нормативным документом.
Источник
