Принцип работы способ измерения

Принцип и метод измерения. Общие методы измерений. Какие существуют измерительные приборы

Сложно переоценить значимость измерений в жизни современного человека. По мере развития технологий вопрос необходимости в них и вовсе не стоит, но зато на первый план выходят принципы и методы, позволяющие повышать точность замеров. Расширяется и сам спектр областей, в которых задействуются системы и способы измерения. При этом развиваются не только технические и технологические подходы к выполнению данных операций, но и концепции их применения. На сегодняшний день метод измерения представляет собой совокупность техник или приемов, которые позволяют реализовать тот или иной принцип определения искомой величины.

Принципы методов измерений

В основе любого метода измерения лежит определенный физический закон, который, в свою очередь, базируется на том или ином природном явлении. В метрологии физические явления нередко определяются как эффекты, обуславливающие закономерность. Для измерения разных величин применяются конкретные законы. Например, измерение тока производится по эффекту Джозефсона. Это явление, в соответствии с которым сверхпроводящий ток проходит через прослойку диэлектриков, разделяющих сверхпроводники. Для определения характеристик поглощенной энергии применяется уже другой эффект – Пельтье, а для вычисления скорости – закон изменения частоты излучения, открытый Доплером. В более простом примере определения массы объекта используется сила тяжести, которая проявляет себя в процессе взвешивания.

Классификации методов измерения

Обычно применяют два признака разделения методов измерения – по характеру изменения величин в зависимости от времени и по способу получения данных. В первом случае выделяются статистические и динамические методики. Статистические способы измерения характеризуются тем, что получаемый результат не меняется в зависимости от того, в какой момент они применяются. Это могут быть, например, основные методы измерений массы и размеров объекта. Динамические приемы, напротив, изначально допускают возможность колебаний в показателях. К таким методам можно отнести те способы, которые позволяют отслеживать характеристики давления, газа или температуры. Изменения обычно происходят под действием окружающих сред. Существуют и другие классификации методов, обусловленные разницей в точности измерений и условиями проведения операции. Но они, как правило, носят второстепенный характер. Теперь же стоит рассмотреть наиболее популярные методики измерения.

Метод сравнения с мерой

В данном случае измерение происходит за счет сравнения искомой величины со значениями, воспроизводимыми мерой. В качестве примера этого способа можно привести расчет массы с применением весов рычажного типа. Пользователь изначально работает с инструментом, в котором заложены определенные величины с мерами. В частности, используя систему уравновешивания гирями, он может с определенной долей точности зафиксировать и вес объекта. Классический прибор для измерения давления также в некоторых модификациях предполагает определение значения путем сравнения с показаниями в среде, в которой уже действуют изначально известные величины. Другой пример касается измерения напряжения тока. В этом случае, к примеру, характеристики работы компенсатора будут сравниваться с известной электродвижущей силой нормального элемента.

Метод измерений дополнением

Тоже довольно распространенная методика, которая находит применение в самых разных областях. Способ замера величины дополнением также предусматривает наличие искомого значения и определенной меры, которая известна заранее. Только,в отличие от предыдущего способа, непосредственно измерение производится при сравнении не с рассчитываемым значением, а в условиях его же дополнения аналогичной величиной. Как правило, методы и средства измерений по такому принципу чаще используют в работе с физическими показателями характеристик объекта. В некотором смысле с данной методикой схож прием определения величин через замещение. Только в этом случае фактор коррекции обеспечивается не значением, которое аналогично искомой величине, а показаниями эталонного объекта.

Органолептический метод измерения

Это довольно необычное направление метрологии, которое основывается на применении человеческих органов чувств. При этом существуют две категории органолептических измерений. Например, поэлементный способ позволяет оценивать конкретного параметра объекта, не давая полной картины его характеристик и возможных эксплуатационных качеств. Вторая категория представляет комплексный подход, при котором метод измерения с помощью органов чувств дает более полное представление уже о разных параметрах объекта. Важно понимать, что комплексный анализ часто бывает полезен не столько как способ учета целой группы характеристик, сколько как инструмент оценки общей пригодности объекта в плане возможного использования по определенному назначению. Что касается практического применения органолептических способов, то с их помощью можно оценить, например, овальность или качество огранки цилиндрических деталей. В комплексном измерении этим методом можно получить представление о радиальном биении вала, которое как раз обнаружится после анализа той же овальности и характеристик внешней поверхности элемента.

Контактные и бесконтактные методы измерений

Принципы контактного и бесконтактного измерения имеют существенное различие. В случае с контактными приборами производится фиксация величины в непосредственной близости к объекту. Но, поскольку это не всегда возможно по причине наличия агрессивных сред и затрудненного доступа к месту замера, получил распространение и бесконтактный принцип расчета значений. Контактный метод измерения используется в определении таких величин, как масса, сила тока, габаритные параметры и т. д. Однако при измерении экстремально высокой температуры он не всегда возможен.

Бесконтактное измерение может выполняться специальными моделями пирометров и тепловизоров. В процессе работы они не находятся непосредственно в целевой среде замера, а взаимодействуют с ее излучением. В силу целого ряда причин методы измерения температуры по бесконтактному принципу не отличаются высокой точностью. Поэтому их задействуют лишь там, где нужно иметь представление о характеристиках определенных зон или участков.

Приборы измерения

Спектр средств измерения весьма обширен, даже если говорить о конкретной области отдельно. Например, для замера одной лишь температуры используют термометры, пирометры, те же тепловизоры и многофункциональные станции с функциями гигрометра и барометра. Для учета показаний влажности и температуры в комплексе последнее время используются логгеры, оснащенные чувствительными зондами. При оценке атмосферных условий зачастую используется и манометр – это прибор для измерения давления, который может дополняться и датчиками контроля газовых сред. Широкая группа аппаратов представлена и в сегменте средств измерения характеристик электрических цепей. Здесь можно выделить такие приборы, как вольтметр и амперметр. Опять же, как и в случае с метеостанциями, средства для учета параметров электрического поля могут быть универсальными – то есть учитывающими несколько параметров одновременно.

Контрольно-измерительные приборы и автоматика

В традиционном понимании измерительный прибор – это инструмент, который дает информацию о той или иной величине, характерной для определенного объекта в данный момент. В ходе выполнения операции пользователь регистрирует показания и в дальнейшем на их основе принимает соответствующие решения. Но все чаще эти же приборы интегрируются в комплекс оборудования с автоматикой, которое на основе тех же зафиксированных показаний самостоятельно принимает решения, например, по коррекции рабочих параметров. В частности, контрольно-измерительные приборы и автоматика оборудования успешно совмещаются в комплексах газопроводных магистралей, в отопительных и вентиляционных системах и т. д. Например, учет давления в трубопроводе даст сигнал автоматической системе о повышении или повышении объемов подачи рабочей среды – воды или того же газа.

Измерения и погрешности

Практически любой измерительный процесс в определенной степени предполагает допущение отклонения в предоставляемых результатах относительно действительных значений. Погрешность может составлять и 0,001%, и 10%, и более. При этом выделяют случайные и систематические отклонения. Случайная погрешность результата измерения характеризуется тем, что она не подчиняется определенной закономерности. И напротив, систематические отклонения от действительных величин отличаются тем, что они сохраняют свои значения даже при многочисленных повторных измерениях.

Заключение

Производители измерительных приборов и узкоспециализированного метрологического оборудования стремятся разрабатывать все более функциональные и в то же время доступные в использовании модели. И это касается не только профессиональной аппаратуры, но и бытовых средств. Например, измерение тока можно осуществлять в домашних условиях с помощью мультиметра, фиксирующего несколько параметров одновременно. Это же можно сказать о приборах, работающих с показаниями давления, влажности и температуры, которые наделяются широким функционалом и современной эргономикой. Правда, если стоит задача регистрации конкретной величины, то эксперты все же рекомендуют обращаться к специальным устройствам, работающим только с целевым параметром. У них, как правило, выше точность замера, которая зачастую имеет решающее значение при оценке рабочих качеств аппаратуры.

Источник

Методы измерений

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей или шкалой в соответствии с реализованным принципом измерений.

По общим приемам получения результатов измерений методы различают на:

• прямой метод измерений – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения не требуют методики проведения измерений и проводятся по эксплуатационной документации на применяемое средство измерений;
• косвенный метод измерений – измерение, результат которого определяют на основании прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью. Косвенные измерения применяются в случаях, когда невозможно выполнить прямые измерения, например при определении плотности твердого тела, вычисляемой по результатам измерений объема и массы.

По условиям измерения:

• контактный метод измерений – основан на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения (измерение температуры тела термометром);
• бесконтактный метод измерений – основан на том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измерения (измерение расстояния до объекта радиолокатором, измерение температуры в доменной печи пирометром).

Исходя из способа сравнения измеряемой величины с ее единицей, различают:

• метод непосредственной оценки – метод при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству показывающего СИ (термометр, вольтметр и пр.). Мера, отражающая единицу измерения, в измерении не участвует. Ее роль играет в СИ шкала, проградуированная при его производстве с помощью достаточно точных СИ.
• метод сравнения с мерой – метод при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями). Существует три разновидности этого метода:
  • нулевой метод – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля, например, измерения электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием;
  • метод замещения – основан на сравнении с мерой, при котором измеряемую величину замещают измвестной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными, например взвешивание c поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов;
  • метод совпадений – метод сравнения с мерой, в котором разность между значениями искомой и воспроизводимой мерой величин измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов, например при измерении с использованием штангенциркуляс нониусом наблюдают совпадение меток на шкалах штангенциркуля и нониуса;
• 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.
• 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.

Поскольку погрешность определяется не только метрологическими характеристиками средств измерений, но и погрешностью отбора и приготовления проб, условиями проведения измерений, ошибкой оператора и другими причинами, это определение означает, что методики выполнения измерений могут разрабатываться и быть аттестованными только применительно к конкретным условиям проведения измерения с использованием конкретных средств.

Данное утверждение не означает, что для каждой измерительной или испытательной лаборатории должны разрабатываться собственные методики. Но если лаборатория использует тип средства измерения, приведенный в аттестованной методике, влияющие факторы (температура и влажность окружающего воздуха и измеряемой среды, напряжение и частота электрической сети, вибрация, внешнее магнитное поле и др.) находятся в определенном данной методикой диапазоне, а оператор соответствует установленной в ней квалификации, то физические величины будут измеряться в этой лаборатории с известной погрешностью.

Источник

Метрология, стандартизация и сертификация

Лекция 2. Виды и методы измерений

1. Основные понятия и определения. Виды измерений.

2. Методы измерений.

3. Понятие о точности измерений.

4. Основы обеспечения единства измерений

1. Основные понятия и определения. Виды измерений

Измерение — совокупность операций по применению системы измерений для получения значения измеряемой физической величины.

Измерения могут быть классифицированы по метрологическому назначению на три категории:

Ненормированные – измерения при ненормированных метрологических характеристиках.

Технические – измерения при помощи рабочих средств измерений.

Метрологические – измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений.

Ненормированные измерения наиболее простые. В них не нормируются точность и достоверность результата. Поэтому область их применения ограничена. Они не могут быть применены в области, на которую распространяется требование единства измерений. Каждый из нас выполнял ненормированные измерения длины, массы, времени, температуры не задумываясь о точности и достоверности результата. Как правило, результаты ненормированных измерений применяются индивидуально, т.е. используются субъектом в собственных целях.

Технические измерения удовлетворяют требованиям единства измерений, т.е. результат бывает получен с известной погрешностью и вероятностью, записывается в установленных единицах физических величин, с определённым количеством значащих цифр. Выполняются при помощи средств измерений с назначенным классом точности, прошедших поверку или калибровку в метрологической службе. В зависимости от того, предназначены измерения для внутрипроизводственных целей или их результаты будут доступны для всеобщего применения, необходимо выполнение калибровки или поверки средств измерений. Средство измерений, прошедшее калибровку или поверку, называют рабочим средством измерений. Примером технических измерений является большинство производственных измерений, измерение квартирными счётчиками потреблённой электроэнергии, измерения при взвешивании в торговых центрах, финансовые измерения в банковских терминалах. Средство измерений, применяемое для калибровки других средств измерений, называют образцовым средством измерений. Образцовое средство измерений имеет повышенный класс точности и хранится отдельно, для технических измерений не применяется.

Метрологические измерения не просто удовлетворяют требованиям единства измерений, а являются одним из средств обеспечения единства измерений. Выполняются с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера образцовым и рабочим средствам измерений. Метрологические измерения выполняет метрологическая служба в стандартных условиях, сертифицированным персоналом.

В дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» рассматриваются технические измерения.

Можно выделить следующие виды измерений.

1) По характеру зависимости измеряемой величины от времени методы измерений подразделяются на:

• статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;
• динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

2) По способу получения результатов измерений (виду уравнений измерений) методы измерений разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

При прямом измерении искомое значение величины находят непо­средственно из опытных данных (например, измерение диаметра штан­генциркулем).

При косвенном измерении искомое значение величины определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

Совместными называют измерения двух или нескольких не одноимённых величин, производимые одновременно с целью нахождения функциональной зависимости между величинами (например, зависимости длины тела от температуры).

Совокупные – это такие измерения, в которых значения измеряемых величин находят по данным повторных измерений одной или нескольких одноименных величин (при различных сочетаниях мер или этих величин) путем решения системы уравнений.

3) По условиям, определяющим точность результата измерения, мето­ды делятся на три класса.

Измерении максимально возможной точности (например, эталонные измерения), достижимой при существующем уровне техники.

Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторое заданное значение.

Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерения.

4) По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютное измерение основано на прямых измерениях величины и (или) использования значений физических констант.

При относительных измерениях величину сравнивают с одноименной, играющей роль единицы или принятой за исходную (например, измерение диаметра вращающейся детали по числу оборотов соприкасающегося с ней аттестованного ролика).

5) В зависимости от совокупности измеряемых параметров изделия различают поэлементный и комплексный методы измерения.

Поэлементный метод характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности (например, эксцентриситета, овальности, огранки цилиндрического вала).

Комплексный метод характеризуется измерением суммарного пока­зателя качества (а не физической величины), на который оказывают влияние отдельные его составляющие (например, измерение радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.).

Источник