Лекция №4
Решение любой измерительной задачи связано с реализацией того или иного принципа измерений.
Принцип измерений – физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений.
Пр: 1) Интерференция и дифракция света в тонких пленках при измерении плоскостности с использованием лекальных стекол;
2) Эффе́кт До́плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Эффект назван в честь австрийского физика К. Доплера.
3) применение эффекта Джозефсона для измерений электрического напряжения;
4) использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием;
5) зависимость сопротивления платины от температуры, реализованная в платиновых термометрах сопротивления;
6) 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. Или по-другому
Метод измерения – это способ экспериментального определения значения физической величины, т. е. совокупность используемых при измерениях физических явлений и средств измерений.
Методы измерений весьма разнообразны. Их можно классифицировать по различным признакам.
Однако наиболее 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 иметод сравнения с мерой.
I) Метод непосредственной оценки заключается в определении значения величины непосредственно по отсчетному устройству средства измерения прямого действия.
Примеры: измерение интервала времени по часам, силы тока- амперметром, линейных размеров - цифровым штангенциркулем, микрометром или линейкой измерительной, взвешивание на цифровых весах.
«+» - самый простой и распространенный метод
«-» -иногда недостаточно точный, так как сложно изготовить СИ с большим диапазоном и высокой точностью на всем диапазоне.
II) Метод сравнения с мерой.
В любом варианте этого метода искомая величина определяется сравнением с величиной, воспроизводимой мерой.
Метод сравнения с мерой имеет ряд разновидностей: дифференциальный (или разностный) метод, нулевой метод, метод замещения, метод дополнения и метод совпадений.
1. Дифференциальный метод (разностный) — метод измерений, при котором определяется разность между измеряемой величиной и однородной величиной воспроизводимой мерой, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины.
Примеры:
Измерение скобой рычажной, нутромером индикаторным, оптиметром и т.п.
Другим 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).
Достоинством является большой диапазон измерений при сравнительно малой шкале средства измерений, так как диапазон зависит от величины набора мер.
Это первый точный метод, который стали применять люди еще в древности.
Примеры: скобы рычажные, скобы индикаторные, нутромеры индикаторные.
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.
б) Нулевой метод – метод, при котором результирующее воздействие меры и измеряемой величины доводят до нуля, что фиксируется высокочувствительным прибором – нуль-индикатором. Шкалы может и не быть, только положение нуля.
Пример: измерение сопротивления резистора с помощью четырехплечевого моста, в котором падение напряжения на резисторе с неизвестным сопротивлением уравновешивается падением напряжения на резисторе известного сопротивления.
Весы могут быть и неравноплечими и при известном соотношении плеч на таких весах можно измерять большие объекты небольшими мерами.
Если весы считаются равноплечими, а в действительности это не так, тогда возникает систематическая погрешность измерений.
Для борьбы с такими систематическими погрешностями нулевого метода можно воспользоваться методом замещения.
в) 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 и ту же чашку весов.
Измерение проводится в 2 этапа:
Сначала объект измерений уравновешивают неким замещающим грузом, а на втором этапе вместо объекта измерений ставят набор мер, которым уже уравновешивают замещающий груз. 
Соотношение плеч в этом методе не важно.
Достоинством является то, что погрешность измерения связанная с весами (т.е. методическая погрешность) практически равна нулю.
. В некоторых измерительных задачах удобно применение других разновидностей метода сравнения с мерой: метода дополнения и метода совпадений.
Г) метод дополнения
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.
Д) метод совпадений
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.
Пример:
измерение частоты вращения детали с помощью мигающей лампы стробоскопа: наблюдая положение метки на вращающейся детали в моменты вспышек лампы, по известной частоте вспышек и смещению метки определяют частоту вращения детали.
все нониусные штангенинструменты, универсальные угломеры, измерительные микроскопы.
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;
• поднять вертолет с высотомером до уровня трубы и измерить высоту подъема;
• вычислить высоту трубы как катет прямоугольного треугольника на основании результатов измерений расстояния до трубы и угла этого треугольника (косвенные измерения).
Если метод измерений предполагает выработку главных правил применения СИ, то методика выполнения измерений – это, по сути, алгоритм проведения измерений с целью наилучшей реализацией 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.
· Метод измерений - это способ решения измерительной задачи, прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее мерой в соответствии с реализованным принципом измерений.
Методика измерений – технология выполнения измерения с целью наилучшей реализации метода.
Метод и методика зависят от измерительной задачи, которую необходимо решить, от требуемой скорости получения результата, от его точности, от особенностей объекта измерений, от наличия и стоимости средств измерения.