Важным моментом в организации эксперимента является выбор средств измерений. Средства измерений должны отвечать следующим требованиям:
– соответствовать теме, цели и задачам НИР;
– обеспечивать высокую производительность труда с минимальными затратами времени;
– обеспечивать требуемое качество работ, т.е. заданную степень точности при минимальном количестве измерений;
– соответствовать требованиям эргономики, техники безопасности.
Желательно максимально использовать стандартные средства измерений, которые обязательно должны пройти метрологическую поверку.
Общая характеристика измерений. Измерение – это процесс нахождения какой-либо физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств и её сравнения с известной величиной, принятой за единицу (эталон). Теорией и практикой измерений занимается специальная наука – метрология.
Различают измерения по видам измеряемых величин (статические и динамические), способу нахождения величины (прямые, когда величину устанавливают непосредственно из опыта, и косвенные, когда интересующая величина определяется по функциональной зависимости от других величин, устанавливаемых прямыми измерениями). Различают также измерения по классам точности (особо точные, высокоточные, технические). Особо точные – это эталонные измерения с максимально возможной точностью, применяются, например, в экспериментальной физике. Высокоточные измерения имеют погрешность, не превышающую заданную точность, и используются для наиболее ответственных экспериментов и в качестве контрольно-поверочных измерений. Технические измерения используются наиболее широко при экспериментальных исследованиях, их погрешность определяется особенностями средств измерений. Кроме того, различают абсолютные и относительные измерения. Абсолютные – это прямые измерения в единицах измеряемой величины (W – абсолютная влажность грунта в процентах). Относительные – измерения посредством отношения измеряемой величины к одноименной величине, принимаемую для сравнения (относительная влажность грунта W / Wт, где Wт – абсолютная влажность грунта на границе текучести).
Средства измерений. Средства измерений – это совокупность технических средств, которые дают необходимую информацию при выполнении эксперимента и имеют нормированные метрологические свойства.
В зависимости от принципа работы средства измерений подразделяются на пневматические, механические, электрические и т.д. Измерительные средства делят на образцовые и технические. Образцовые средства являются эталонами и предназначены для поверки технических средств. Образцовые средства не обязательно должны быть точнее, они должны иметь большую стабильность и надежность.
К средствам измерений относят меры, измерительный инструмент, измерительные приборы, преобразователи и установки. Мерой называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Они могут быть однозначными и многозначными. Измерительным инструментом – называют обычно приспособления, предназначенные для измерения геометрических параметров. Измерительным прибором называют средство измерения, вырабатывающее сигналы информации в форме, удобной для восприятия экспериментатором. В приборах измеряемая величина преобразуется в показание или сигнал.
Приборы классифицируют по различным признакам. По способу отсчета значения измеряемой величины, их делят на показывающие и регистрирующие. Наибольшее распространение получили показывающие приборы, отчетные устройства которых состоят из шкалы и указателя. Однако они менее точны, чем цифровые приборы, которые фиксируют измеряемую величину в виде цифр. Регистрирующие приборы могут быть самопишущими и печатными. В первом случае измеряемая величина выдается в виде графика, а печатные приборы выдают информацию в виде цифр на специальной ленте. Кроме того, приборы классифицируют по точности измерений, стабильности показаний, чувствительности, пределам измерений и т.д.
Измерительный преобразователь – средство измерения, генерирующее сигнал в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но без непосредственного восприятия наблюдателем.
Совокупность функционально связанных приборов, преобразователей и других вспомогательных устройств, обеспечивающая выработку измерительной информации, удобной для наблюдения, называется измерительной установкой. Измерительные установки могут вырабатывать сигналы для автоматической обработки результатов измерений с помощью ЭВМ.
Выходной сигнал измерительных средств фиксируется отчетными устройствами, которые могут быть цифровыми, регистрирующими и шкальными. Число, отсчитываемое по отсчетному устройству при измерениях, называются отсчетом, а переход от отсчета к показаниям прибора осуществляется с помощью постоянной прибора, цены деления шкалы или градуированной кривой. Когда постоянная прибора равна единице измеряемой величины, показания прибора и отсчет численно совпадают.
Шкала является важной частью отсчетного устройства и представляет собой совокупность отметок, соответствующих ряду последовательных значений величин. Шкалы могут быть равномерными и неравномерными. Равномерные шкалы имеют постоянные интервалы и постоянную цену деления, неравномерные шкалы имеют неодинаковые интервалы, а иногда и непостоянную цену деления. Цена деления – это разность значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам. Разность между значениями измеряемой величины, соответствующую началу и концу шкалы, называют диапазоном показаний прибора.
Погрешности измерений. Результаты измерений не могут быть получены абсолютно точно. Это обусловлено несовершенством метода и средств измерений, непостоянными условиями выполнения эксперимента и т.д. Результаты измерений оценивают различными показателями: погрешность, точность и достоверность измерений.
Погрешность измерений – это отклонение результата измерения от истинного значения величины. Степень приближения измерения к действительному значению величины называют точностью измерений, она характеризует их качество. Степень доверия к результатам измерения, т.е. вероятность отклонений измерения от действительной величины, характеризуется достоверностью измерений.
В практических расчетах используют абсолютную и относительную погрешность. Абсолютной погрешностью Δ называют разность между измеренным х и истинным Х значениями измеряемой величины:
Δ = х – Х. (5.1)