1.2 Классификация измерений:

Принцип измерений – совокупность физических явлений, лежащих в основе взаимодействия средств измерения с объектами измерения.

Пример: напряжение электрического тока можно измерить с использованием различных физических явлений: электростатического взаимодействия заряженных проводников; взаимодействии проводника с магнитным полем и т.п.

Методы измерения – совокупность приёмов использования принципов и средств измерения.

Основные методы измерения:

1. Метод непосредственной оценки

Измеряемая величина преобразуется в выходную величину, значение которой отображается на шкале СИ. Шкала размечена в единицах измеряемой величины. Таким образом, результат измерения непосредственно определяется по шкале СИ.

В состав СИ не входит мера для воспроизведения измеряемой величины.

Преимущество метода – отсутствие дополнительных действий со стороны оператора или схем управления.

Недостаток метода – сравнительно невысокая точность измерения из-за отсутствия в составе СИ высокоточных мер.

2. Метод сравнение с мерой (группа методов)

Измеряемая величина X периодически или постоянно сравнивается с мерой, которая воспроизводит измеряемую величину в размере aX₀. Погрешность измерения главным образом зависит от погрешности воспроизведения измеряемой величины мерой.

2а) Нулевой метод

В ходе измерения ручным или автоматическим способом регулируется мера для подбора такой воспроизводимой величины aX₀, которая совпадет с измеряемой величиной X, т.е. до нулевого показания нуль-индикатора (рисунок 1.2). Результатом измерения является величина aX₀, значение которой считывается по шкале меры.

Нуль-индикатор – СИ с высокой чувствительностью и очень низкой погрешностью измерения в узком диапазоне вблизи 0. Такое устройство значительно проще и дешевле, чем СИ непосредственной оценки той же точности, но с широким диапазоном измерения.

Недостаток – продолжительное время измерения, затрачиваемое для подбора заранее неизвестной величины, которую необходимо воспроизвести с помощью меры.

2б) Дифференциальный (разностный) метод

Применяется мера с меньшим диапазоном воспроизводимых значений и, следовательно, дешевле. Средство измерения имеет высокую чувствительность и рассчитано на измерение с высокой точностью небольших значений разности Δ (рисунок 1.3).

В ходе измерения подбором величины, воспроизводимой мерой, добиваются показаний средства измерения в пределах его диапазона. Результат измерения определяется как по состоянию меры, так и по показанию средства измерения с учетом знака разности Δ: X=aX₀. Время измерения сокращается за счет отсутствия необходимости сводить разность Δ до нуля.

2в) Метод замещения

Измерение состоит их двух операций. Сначала на вход СИ подается измеряемая величина. Показания СИ фиксируются, но не являются окончательным результатом измерения. Затем на вход СИ подается величина, воспроизводимая мерой. Регулировкой меры добиваются показаний СИ, зафиксированных в предыдущем измерении (рисунок 1.4). Окончательный результат измерения считывается по состоянию меры. Отсутствует устройство формирования разности между измеряемой величиной и величины, воспроизводимой мерой, но время измерения увеличивается. Точность измерения зависит главным образом от точности меры.

2г) Метод совпадения (метод нониуса)

Применяется для измерения величин, меньших цены деления СИ с помощью двух мер: – основной с ценой деления x₀₁ и дополнительной, с ценой деления x₀₂, x₀₁  x₀₂

Измеряемую величину x устанавливают между нулевыми отметками мер и находят число N_x, равное номеру совпавших делений мер (рисунок 1.5).

При этом N_x1x₀₁=x+N_x2x₀₂, откуда x = N_x2(x₀₁ – x₀₂). Для измерения значения x меньше в n раз цены деления x₀₁ необходимо, чтобы цена деления дополнительной меры

x₀₂= x₀₁(1 – 1/n).

Примеры применения: штангенциркуль; измерение временных интервалов двух близких частот (биений).

Виды измерений – способ реализации методов измерения. ГОСТ 16.268-70 устанавливает следующие виды измерений:

1. Прямое – искомая величина находится непосредственным измерением самой величины, соответствующим специализированным средством измерения.

2. Косвенное – измеряемая величина находится расчетным путём по известной зависимости между искомой величиной и другими величинами, которые измеряются прямым способом. Применяется в случае, если нет возможности провести прямое измерение или прямое измерение дает недостаточную точность. Например, значение электрического сопротивления находится по закону Ома на основании показаний амперметра и вольтметра.

3. Совокупное – измерение нескольких одноимённых величин, значения которых находятся решением системы уравнений, получаемых в результате прямых измерений различных сочетаний этих величин. Например, имеется вольтметр электростатической системы с диапазоном измерений 12 – 15 В и совокупность гальванических элементов, у каждого из которых ЭДС может находиться в пределах Е = 4,0 .. 4,5 В. Очевидно, что с помощью прямых измерений указанным вольтметром определить ЭДС каждого элемента невозможно. Но, измерив суммарные ЭДС различных сочетаний этих элементов, можно получить систему уравнений, решение которой дает значение ЭДС каждого элемента.

4. Совместное – одновременно проводимые прямые или косвенные измерения двух или более неодноименных величин с целью нахождения функциональных зависимостей между ними. Пример: определение зависимости сопротивления терморезистора от температуры известного вида R=R₀(1+AT+BT), но с неизвестными коэффициентами A и B. Неодноименные величины – температура T⁰ и сопротивление R измеряются одновременно: T⁰ – прямым измерением, R – косвенным. При этом проводится 3 измерения сопротивления при различных температурах и составляется система уравнений:

Решениями полученной системы являются значения коэффициентов R₀, A, B.