Измерения физических величин

Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств, определяемых далее в § 1.1.4 как средства измерений. Получаемая при этом информация называется измерительной. По способу ее получения измерения подразделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные, по характеру проведения выделяют абсолютные и относительные, а по характеру поведения самой измеряемой величины различают статические и динамические.

Прямое измерение — это измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения часто встречаются в практике электрорадиоизмерений. В качестве примеров можно привести измерение тока с помощью амперметра, измерение напряжения с помощью вольтметра и т. д. Математически прямые измерения можно охарактеризовать элементарной формулой:

Q=X , (1.1)

где:

Q — искомое (называемое также истинным) значение измеряемой величины;

X — значение величины, найденное путем ее измерения и называемое результатом измерения.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины вычисляют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, получаемыми из прямых измерений. Косвенные измерения можно охарактеризовать формулой:

Q=ƒ(X1,X2,…,Xm), (1.2)

где:

Х1, X2, ..., Xn — результаты прямых измерений величин, связанных известной функциональной зависимостью f с искомым значением измеряемой величины Q.

Косвенные измерения также характерны для практики электро-радиоизмерений. В качестве примеров можно назвать измерение мощности постоянного тока при помощи амперметра и вольтметра, определение резонансной частоты колебательного контура по результатам прямых измерений емкости и индуктивности контура и т. д.

Совокупные и совместные измерения характеризуются тем, что одновременно производятся измерения нескольких одноименных (при совокупных измерениях) или разноименных (в случае совместных измерений) величин и путем решения системы уравнений, связывающих их, определяются искомые значения измеряемых величин. В качестве примера рассмотрим определение коэффициентов в известной из физики формуле, связывающей сопротивление резистора с его температурой:

Rt=R20[1+α(t-20)+β(t-20)2],

где:

R20 — сопротивление резистора при t=20°C;

α и β — температурные коэффициенты.

Для определения R20, α и β производятся измерения Rt при трех различных значениях температуры (t1, t2 и t3), а затем решается система из трех уравнений:

Rt1=R20[1+α(t1-20)+β(t1-20)2],

Rt2=R20[1+α(t2-20)+β(t2-20)2],

Rt3=R20[1+α(t3-20)+β(t3-20)2],

Как следует из приведенных определений, совместные измерения основываются на известных уравнениях, отражающих существующие связи между измеряемыми величинами, а совокупные — на уравнениях, отражающих произвольное комбинирование величин. Следовательно, совместные измерения можно интерпретировать как обобщение косвенных, а совокупные — как обобщение прямых измерений. Поэтому весь последующий материал курса ограничивается рассмотрением прямых и косвенных измерений.

В практике электро-радиоизмерений наиболее часто встречаются абсолютные измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких величин с использованием значений физических констант. Результат абсолютного измерения непосредственно выражается в единицах измеряемой величины. Однако нередки и относительные измерения — измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Характерными примерами относительных измерений являются измерение отношения напряжений и мощностей, исследование различных частотных характеристик и т. д. При относительных измерениях широко используется внесистемная безразмерная единица — децибел (дБ), определяемая при сравнении напряжений как

1дБ=20lgU2/U1 при U2/U1=101/20=1,122,

а при сравнении мощностей

1дБ=10lgP2/P1 при P2/P1=101/10=1,259.

Если измеряемая величина остается в процессе измерения постоянной, такие измерения называют статическими. Если же она изменяется, измерения будут динамическими. Динамические измерения в свою очередь могут быть непрерывными (применяемые технические средства позволяют непрерывно следить за значениями измеряемой величины) и дискретными (значения измеряемой величины фиксируются только в отдельные моменты времени).

Электро-радиоизмерения, как и измерения других физических величин, базируются на определенных принципах. Под принципом измерений понимается совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Совокупность приемов использования принципов и средств измерений определяется как метод измерений, являющийся основной характеристикой конкретных измерении. Различают два метода измерений.

Метод непосредственной оценки — метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. В более поздней нормативной документации и технической литературе метод непосредственной оценки принято называть методом прямого преобразования. Этим термином мы и будем пользоваться в дальнейшем.

Метод сравнения — метод измерений, при котором измеряемую величину сравнивают величиной, значение которой известно. Метод сравнения реализуется в измерительной практике в виде следующих модификаций:

нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия обеих величин на измерительный прибор доводится до нуля (этот метод часто также называют компенсационным);

· дифференциальный метод, при котором образуют и измеряют разность измеряемой и известной величин;

· метод замещения, при котором измеряемую величину замещают в процессе измерений известной величиной;

· метод совпадений, при котором образуют разность измеряемой и известной величин и оценивают ее по совпадениям или биениям.

Рассмотрение метода измерений как основной характеристики конкретных измерений позволяет ввести еще один важный классификационный признак самих измерений. В зависимости от метода и свойств применяемых средств измерений все рассмотренные выше виды измерений могут выполняться либо с однократными, либо с многократными наблюдениями. Наблюдением при измерении (измерительным наблюдением) называется единичная экспериментальная операция, результат которой — результат наблюдения всегда имеет случайный характер и представляет собой одно из значений измеряемой величины, подлежащих совместной обработке для получения результата измерения. От числа, наблюдений зависит способ обработки экспериментальных данных и оценки погрешностей измерений.

Наконец, в технической литературе и нормативной документации часто встречается термин алгоритм измерения, под которым следует понимать точное предписание о порядке выполнения операций, обеспечивающих измерение искомого значения физической величины.