Лекция 2. Виды и методы измерений

Измерения, как экспериментальные процедуры определения значений измеряемых величин, весьма разнообразны, что объясняется большим разнообразием физической природы измеряемых величин, различным характером их изменений во времени, различными требованиями к точности измерений и т. д.

Поэтому существуют различные виды и методы измерений.

В зависимости от способа сравнения измеряемой величины и с мерой и обработки экспериментальных данных для нахождения результата различают следующие виды измерений: прямые, косвенные и совместные (совокупные).

Прямые измерения – это измерения, при которых результат измерения получают непосредственно из опытных данных, не проводя их дополнительной логической и вычислительной обработки.

Примерами прямых измерений могут служить измерения электрической мощности с помощью ваттметра или электрического сопротивления резистора с помощью омметра. Результат измерения при этом считывается непосредственно со шкалы измерительного прибора.

Косвенные измерения – это измерение, при котором результат измерения находят на основании известной зависимости между измеряемой величиной и другими физическими величинами, которые и подвергаются прямым измерениям, после чего с использованием данной зависимости вычисляется результат измерения.

Примерами косвенных измерений являются измерения электрической мощности и сопротивления методом амперметра и вольтметра. Измерив прямым методом, т. е. с помощью амперметра и вольтметра соответственно ток, протекающий через какую-то нагрузку и падение напряжения на этой нагрузке (при том же токе) легко вычислить по известным соотношениям P = U Iи R =U / I , где: P - электрическая мощность, R - электрическое сопротивление, U - падение напряжения на нагрузке, I - сила тока, протекающего через эту нагрузку, электрическую мощность, выделяющуюся на данной нагрузке и ее электрическое сопротивление.

Совместные (или совокупные) измерения – это измерения, при которых результат получается на основании совокупности прямых измерений нескольких разнородных величин для нахождения зависимости между ними путем решения полученной системы уравнений.

Примером совместных измерений может служить измерение коэффициентов температурной зависимости электрического сопротивления проводника. В достаточно широком интервале температур эта зависимость выражается уравнением

R_T = R₂₀ [1 + A (T – 20)+ B (T- 20)²] , (2.1)

где: R_T - электрическое сопротивление проводника, измеренное при какой-то произвольной температуре T;

R₂₀ - электрическое сопротивление того же проводника, измеренное при температуре T = 20^о С;

А и В-постоянные коэффициенты, значения которых и требуется определить в результате совместных измерений.

Чтобы иметь возможность вычислить, пользуясь данным уравнением, эти коэффициенты необходимо, как минимум, измерить это сопротивление при трех различных температурах: R₂₀ - при температуре T = 20^oC, R_T1 – при температуре Т₁ иR_T2 – при температуре Т₂ . Имея результаты этих измерений можно составить два уравнения вида (1.2) для температур Т₁ иТ₂(температуры также должны быть измерены) и решить полученную систему из двух уравнения относительно неизвестных коэффициентов А и В.

В зависимости от характера и способа участия меры в процессе измерения различают метод непосредственной оценки и метод сравнения.

Метод непосредственной оценки заключается в том, что вся измеряемая величина оценивается непосредственно по показаниям заранее градуированного измерительного прибора, а мера прямого участия в данном эксперименте не принимает.

Здесь имеет место лишь косвенное участие меры, т.к. с помощью меры проводилась градуировка шкалы данного прибора.

Метод сравнения характеризуется тем, что в процессе измерения непосредственное участие принимает регулируемая (многозначная) или нерегулируемая мера, с которой сравнивается измеряемая величина.

По методике осуществления процесса сравнения различают три основных разновидности метода сравнения:

Нулевой метод, который характеризуется тем, что измеряемая величина сравнивается с регулируемой мерой и в процессе сравнения производится регулирование меры до тех пор, пока она полностью не сравняется с измеряемой величиной.

Для реализации нулевого метода, очевидно, необходимо иметь индикатор равенства меры и измеряемой величины, в качестве которого обычно используется высокочувствительный прибор непосредственной оценки, на который подается сигнал, пропорциональный разности между мерой и измеряемой величиной. Регулирование меры продолжают до тех пор, пока не добьются нулевых показаний этого индикатора. Отсчет измеряемой величины производят по показаниям регулируемой меры в момент равенства меры и измеряемой величины. Точность измерений при нулевом методе определяется точностью меры и чувствительностью индикатора. При этом высокой точности от индикатора не требуется, т. к. по нему не производится отсчет измеряемой величины, а определяется лишь наличие или отсутствие разности между измеряемой величиной и мерой. Это позволяет достичь высокой точности измерений, которая ограничивается, главным образом, лишь погрешностью меры.

Дифференциальный (разностный) метод, при котором по показаниям измерительного прибора непосредственной оценки оценивается не вся измеряемая величина, а разность между этой величиной и нерегулируемой мерой.

Результат измерения при этом получают путем алгебраического сложения величины используемой меры и показаний прибора непосредственной оценки, который измеряет разность между измеряемой величиной и мерой. Поскольку эта разность может иметь и положительный, и отрицательный знак, то прибор непосредственной оценки должен реагировать на знак этой разности (при положительном знаке показания прибора складываются с величиной меры, при отрицательном – вычитаются).

Достоинство дифференциального метода состоит в том, что при малых величинах разности (т. е. когда измеряемая величина колеблется в небольших пределах около своего номинального значения) можно существенно повысить точность измерений, даже применяя для измерения этой разности измерительный прибор невысокой точности. Это объясняется тем, что этот прибор оценивает не всю измеряемую величину, а лишь ее малую долю, определяемую отклонением от номинального значения (последнему соответствует величина постоянной меры). А потому, даже если это отклонение будет измеряться с низкой точностью, это мало скажется на погрешности результата измерения, которая будет определяться, главным образом,0 погрешностью меры. Например, если отклонения измеряемой величины от номинального значения не превышают 5%, то, применяя для измерения этих отклонений прибор с предельно допустимой погрешностью в 1%, мы получим погрешность результата, обусловленную погрешностью этого прибора, не превышающую 0,05% (т.е. 1% от 5%).

Метод замещения заключается в том, что к измерительному прибору поочередно подключается измеряемая величина и регулируемая мера, и процесс сравнения заключается в том, что путем регулировки меры добиваются того же показания прибора, которое было при подключении к нему измеряемой величины.

При использовании этого метода производится не одновременное, как в предыдущих методах, а разновременное сравнение с мерой. Этот метод принадлежит к весьма точным, поскольку при замене измеряемой величины мерой никаких изменений в состоянии и действии измерительной установки не происходит, вследствие чего неточность в ее показаниях, обусловленная внутренними и внешними факторами, не оказывает влияния на результат измерения.

В зависимости от характера изменения измеряемой величины в процессе измерения различают статические и динамические измерения.

Статическими называют измерения, при которых измеряемая величина в процессе измерения остается неизменной.

Динамическими называют измерения, при которых измеряемая величина изменяется в процессе измерения.