Методы и средства измерений.

Свойства физических объектов, по которым можно сравнивать их свойства можно разделить на три группы.

1. Отношение эквивалентности. Отношение по которому можно только сравнивать свойства объектов по принципу ”равно — не равно”
2. Отношение порядка. По этому отношения свойства объектов можно сравнивать по принципу “больше — меньше”.
3. Отношения аддитивности. По этому отношению однородные свойства различных объектов могут суммироваться. На этом принципе и построен процесс измерений.

Все физические величины в зависимости от проявлений свойств объектов в отношении эквивалентности, порядка и аддитивности можно разделить на три группы. К четвёртой нгруппе относятся свойства объектов, которые не имеют количественной оценки. Например, классификация животных или перечень химических элементов в Периодической таблице.

1. Экстенсивные величины. Для них определены операции сложения и вычитания, но в результате этих действий получается качественно та же самая величина. Подобные величины: длина, масса, сила тока и т.д.
2. Вторая группа — интенсивные величины, для которых определены отношения поряка и эквивалентности (теплее — холоднее или одинаково тёплые). Лперации сложения или вычитания для таких величин не имеют физического смысла. Но интервалы относятся к величинам первой группы. Единицу измерения они имеют, но их шкалы не имеют естественного нуля. Например шкала звёздных величин, по которой измеряется блеск звёзд и и др. источников излучения. К ним относится также время и электрический потенциал.
3. Третья группа — величины, для которых определены только отношения порядка и эквивалентности (интенсивные величины). Существование подобных соотношений устанавливается теоретически или экспериментально.ример, медь твёрже резины и т.п. К этой группе относятся например, интенсивность землетрясений, силы ветра и др. величины, для измерения которых используются отвлечённые числа или баллы, характеризующие размер величины в соответствии с выбранным измерительным преобразованием.

Измерительное преобразование — вид преобразования, при котором устанваливается взаимно однозначное соответствие между размерами двух величин. Оно осуществляется техническими устройствами — средствами измерений. Преобразуемая величина является измеряемой — входной, а результат преобразования — результатом измерения или выходной величиной. В результате измерения получают:

Значение физической величины — выражение размера физической величины, в виде некоторого числа принятых для неё единиц.

Измерение физической величины – совокупность операций по применению средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с её единицей и получение значения этой величины.

Измерение физической величины выполняют с помощью технических средств. Основное уравнение измерения Q = q*U, где q – число единиц, а U – величина единицы измерения.

Количественные или качественные проявления любого свойства реальных объектов образуют упорядоченные множества чисел или условных знаков, совокупность которых образует шкалу.

Шкала физической величины — упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.

Условная шкала физической величины — шкала, исходные значения, которой выражены в условных единицах.

Различают 5 основных типов шкал.

1. Шкала наименований (шкала классификаций). Такие шкалы применяют для свойств, проявляющих себя только в отношении эквивалентности. При этом качественным свойствам объектов приписывается наименование или число. Измерительное преобразование для таких шкал не найдено либо не требуется по условиям исследования данного объекта. Например, шкала цветов. Часто такие шкалы применяются для экспертных оценок
2. Шкала порядка (шкала рангов). Применяется для оценивания величин 3-й группы, которые проявляютсвои свойства в отношении эквивалентности и порядка по возрастанию или убыванию. В этих шкалах установлен нуль-пункт, но единицы не вводится, так как не установлена линейность изменения размеров величины относительно выбранного измерительного преобразования. Может быть использована условная шкала с нанесёнными на неё опорными точками, например, шкала твёрдсти минералов (тальк — 1, гипс — 2, …, 7 — кварц, …, 10 — алмаз).Промежуточных значений здесь нет. Шкала условна. Может быть подобрано измерителтное преобразование. Например, шкала твёрдости по Бринелю (вдавливание шарика) или Роквеллу (вдавливание пирамидки). Вдавливание происходит с постоянным усилием, а по размеру отпечатка судят о твёрдости материала. Зависимость в этом случае есть, но она нелинейна.
3. Шкала интервалов (шкала разностей). Эти шкалы применяются для измерений интервалов величин 2-й группы. Она состоит из одинаковых интервалов, следовательно линейна и им еет единицу измерения. Нуль такой шкалы принят по соглашению и является условным. К таким шкалам относят временнЫе шкалы, температурные (Цельсия или Фаренгейта) и др. Шкала звёздных величин также относится к таким шкалам.
4. Шкала отношений. Эти шкалы являются физическими и имеют единицу измерения и естественный нуль пункт шкалы. Размер величины Q описывается уравнением измерения (см. выше). С помощью таких шкал измеряются физические величины первой группы, для которых определены все арифметические операции. Такие шкалы измеряют массу, длину, силу тока, напряжение и др.
5. Абсолютные шкалы. Вводятся для физических величин, для которых справедливы отношения эквивалентности, порядка и аддитивности, но дополнительно имеющих естественное определение единицы измерения, не зависящее от принятой системы единиц. Эта единица — безразмерная. Например, плоский или телесный угол, некоторые относительные величины, как коэффициент усиления (ослабления) и т.п.

Методы измерений

По общим приёмам получения результата измерения

1. Прямые измерения. Результат прямого измерения физической величины получается непосредственно из опытных данных.

2. Косвенные измерения. Результат таких измерений получается на основании измерений величин, полученных прямым путём и связанных некоторой зависимостью. Например, измерение сопротивления участка цепи, по результатам измерения тока и падения напряжения на участке. Определяем сопротивление по закону Ома: R = U/I. Скорость самолёта измеряют по скоростному напору давления воздуха. Прибор, который измеряет его так и называется “трубка ПВД” или “Приёмник воздушного давления”. После преобразования сигнала по давлению на приборную доску или дисплей (на самолётах более поздних поколений) поступают данные уже по скорости полёта.

3. Совокупные измерения Совокупными называются проводимые одновременно измерения несколь­ких одноименных величин, при которых их значения находят решением сис­темы уравнений, получаемых при пря­мых или косвенных измерениях раз­личных сочетаний этих величин. При этом могут измеряться несколько ком­бинаций значений величин.

Например, измеряя сопротивления R_ab R_ac и R_bc между вершинами тре­угольника, в котором соединены со­противления R₁ R₂ и R ₃ (см. рис. ниже) и, решая систему уравнений можно определить искомые значения сопротивлений R₁ R₂ и R ₃ методом со­вокупных измерений:

4. Совместные измерения
Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для установления зависимости между ними. Как видно из приведенных определений, совокупные и совместные измерения весьма близки друг к другу. В обоих случаях искомые значения находят в результате решения системы уравнений, коэффициенты в которых получены путем прямых измерений. Отличие состоит в том, что при сово­купных измерениях одновременно определяют несколько одноименных ве­личин, а при совместных — разноименных.

Наиболее известный пример совместных измерений — определение зави­симости сопротивления резистора от температуры:

где R₂₀ — сопротивление резистора при t = 20° С; α, b — температурные ко­эффициенты.

Для определения величин R₂₀, α, b вначале измеряют сопротивление R_t, рези­стора при, например, трех различных значениях температуры (t₁, t₂, t ₃), а затем со­ставляют систему из трех уравнений, по которой находят параметры R₂₀, а и b:

В зависимости от выражения результатов измерений

5. Абсолютные измерения. Это измерения, результат которых получается непосредственно из измерений физических величин. Обычно такое измерение является также и прямым. Например, обыкновенный отсчёт по шкале какого-нибудь простого измерительного прибора (штангенциркуль, микрометр и т.д.).

6. Относительные измерения. При относительных измерениях полученную величину сравнивают с одноимённой величиной, то есть величиной, имеющей ту

же размерность, но играющей роль исходной. Она заранее известна. Результат измерений при этом получается не в абсолютных единицах, а в относительных величинах. Так измеряют, например, блеск отдалённых источников света, сравнивая их величину с блеском некоторого условного источника, который известен заранее. Как говорят астрономы, они определяют нуль-пункт шкалы звёздных величин, или градуируют шкалу в относительных величинах, сравнивая интенсивность измеряемых источников с данным условным источником. Относительные измерения — измерения соотношения величины к од­ноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Относительные измерения при прочих равных условиях могут быть выполнены бо­лее точно, чем абсолютные, так как в суммарную погрешность не входит погрешность меры величины. Характерные примеры относительных измере­ний: измерение отношения напряжений или мощностей, исследование час­тотных характеристик (коэффициентов передачи) электрических цепей и т. д. При относительных измерениях используют внесистемную безразмерную единицу — децибел (дБ), определяемую при сравнении напряжений или мощностей
Для перевода отношений мощностей и напряжений (токов) в децибелы и обратно применяют таблицы, приведенные в справочниках.

Классификация в отношении технических особенностей

7. Метод непосредственной оценки. В этом методе значение физической величины определяют непосредственно по отсчётному устройству любого прибора. Отсчёт показаний прибора может быть получен для абсолютных, прямых или косвенных измерений. Например, отсчёт размера непосредственно по шкале штангенинструмента или микрометра, или отсчёт скорости движения по шкале спидометра и т.д.

8. Метод сравнения с мерой. В таком методе измеряемую величину сравнивают с некоторой мерой, которая подбирается так, чтобы её величина была равна измеряемой. Таким образом, достигается результат измерений. Наиболее характерный пример – взвешивание на рычажных весах, где в качестве меры используется набор гирь или разновесов.

Разновидности метода сравнения

9. Метод противопоставления. Этот метод является разновидностью предыдущего, но только величина, воспроизводимая мерой, также воздействует на прибор сравнения, что позволяет установить соотношение между этими величинами. Характерный пример – измерение сопротивлений с помощью мостика Уитстона.

10. Дифференциальный метод – измеряемую величину сравнивают с известной величиной. Например, настройка прибора на “0” при наличии комплекта концевых мер при измерении с помощью оптиметра или скобы, когда по отклонению стрелки от нулевой отметки, судят об отклонениях размера от номинального значения и таким образом вычисляют его действительный размер.

11. Нулевой метод. Также разновидность метода сравнения с мерой и дифференциального. Но здесь результирующий эффект воздействия всех величин на прибор доводят до нуля. Здесь также можно привести пример мостика сопротивлений Уитстона, когда сопротивления в нём полностью уравновешены, то есть ток в диагонали моста равен нулю. Нулевой метод – наиболее точный. Разновидности нулевого метода: компенсационный метод и мостовой метод

12. Метод совпадений. При этом методе разность между измеряем ой величиной и величиной воспроизводимой мерой, определяют по совпадениям отметок шкал. При измерении с помощью штангенинструмента по основной шкале воспроизводится мера, а по шкале нониуса определяют разность этой меры и действительного размера детали по совпадениям отметок шкал.

13. Поэлементный метод. Данный метод применяется к нескольким элементам одной детали, например, если нужно измерить не только диаметр вала, но ещё и его огранку или овальность. В данном случае измеряем этот параметр, как отдельный элемент.

14. Комплексный метод – метод, который относится к комплексному измерению нескольких параметров, характеризующих качество детали. В этом случае измеряют несколько параметров, совместно влияющих на качество детали. Например, радиальное биение является суммой овальности и эксцентриситета, торцевое биение – суммой перпендикулярности торцевой поверхности к оси и плоскостности поперечного сечения детали т.д.

По способу преобразования.

Аналоговые (непрерывные) методы. Измерительный прибор производит непрерывное преобразование измеряемой величины, результатом которого является перемещение указателя относительно шкалы. Заключение о численном значении даёт оператор, отмечая положение указателя относительно отметок шкалы прибора. Точность такого измерения определяется геометрическими особенностями указателя шкалы и не превышает 0,05%.

Цифровые (дискретные) методы. В цифровых методах происходит сравнение физической величины с рядом образцовых значений, производящееся в измерительном приборе автоматически. Оператор получает численное значение в цифровой форме. Точность измерения зависит от точности сравнения в приборе, следовательно, ошибки оператора исключаются. Современные цифровые приборы обеспечивают наиболее высокую точность.

Кроме того, измерения бывают однократные и многократные.

Наблюдение при измерениях – единичная экспериментальная операция, итогом которой является результат наблюдения, который имеет случайный характер и представляет собой одно из значений измеряемой величины, подлежащее совместной обработке для получения результата измерений. От числа наблюдений зависит выбор способа обработки экспериментальных данных и оценки погрешностей измерений.

Если измерения проводились в одинаковых условиях, они называются равноточными, если в разных – неравноточными. Например, лабораторные работы студентов

Прецизионные измерения – измерения высшей точности, связанные с созданием эталонов и измерением фундаментальных констант. Технические измерения, контрольно-поверочные это измеренимя, погрешности которых не должны превышать некоторых заранее заданных значений.