Лекция. Основные виды и методы измерений

Содержание лекции:

- основные сведения об измерениях; основное уравнение измерений; классификация измерений; классификация методов измерений.

Цель лекции:

- изучить определения и понятия измерений, различные виды и методы измерений.

Измерение - процесс получения опытным путем числового соотношения между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.

Число, выражающее отношение измеряемой величины к единице измерения, называется числовым значением измеряемой величины. Причем оно может быть целым или дробным, но является отвлеченным числом.

Значение величины, принятое за единицу измерения, называется размером этой единицы.

Тогда основное уравнение измерений можно записать в следующем виде

, (2.1)

где измеряемая величина;

числовое значение измеряемой величины;

единица измерения.

Значение зависит от размера выбранной единицы измерения . Например, Х=1 м = 100 см = 10 дм.

Результат всякого измерения является именованным числом.

Измерения обычно осуществляются на объектах измерения. Объект измерения (ОИ) – это физическая величина. Физическая величина (ФВ) - одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов и индивидуальным в количественном отношении для каждого. Примеры физических величин: температура, удельный вес, плотность, длина и другие. Размер физической величины – количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина». Размер единицы физической величины, вообще говоря, может быть любым. Однако измерения должны выполняться в общепринятых единицах (лекция №1, Международная система СИ).

Физическую величину, выбранную для измерения, называют измеряемой величиной. Средство измерения (СИ) – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики (рисунок 2.1).

  Х – измеряемая величина; У – сигнал измерительной информации; О – оператор.

Рисунок 2.1 - Схема процесса измерения

Влияющая физическая величина (ВФВ) – физическая величина, не являющаяся измеряемой данным СИ, но оказывающая влияние на результат измерения этим средством (температура окружающей среды, влажность воздуха, электромагнитное поле, вибрации и т. д.)

Результат измерения – это значение физической величины, найденное путем ее измерения.

Различают: а) истинное значение физической величины – значение физической величины, которое реальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. В философском аспекте истинное значение всегда неизвестно. Совершенствование измерений позволяет приближаться к истинному значению физической величины;

б) действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него, определяется опытным путем с помощью образцового средства измерений.

Чтобы составить представление о выполненном или предполагаемом измерении, необходимо знать его основные характеристики (принцип измерения, метод измерения и погрешность (иногда точность) измерения).

Принцип измерения – совокупность физических явлений, на которых основано измерение.

Метод измерения – совокупность приемов использования принципов и средств измерений..

Несовершенство изготовления СИ, неточность их градуировки, действие ВФВ, субъективной ошибки человека и ряд других факторов являются причинами, обуславливающими неизбежное появление погрешности измерения.

Погрешность измерения – отклонение результата измерения от действительного (истинного) значения измеряемой величины

. (2.2)

Точность измерений характеризует степень приближения погрешности измерений к нулю, то есть приближения полученного при измерении значения к истинному значению измеряемой величины.

Количественно точность может быть выражена

. (2.3)

При определении погрешностей и точности вместо истинного значения физической величины реально может быть использовано ее действительное значение.

Классификация измерений приведена в приложении Б (рисунок Б1). По пятому классификационному признаку – по способу получения результата измерения – различают следующие виды измерений.

Прямые измерения - измерения, при которых искомое значение величины находится непосредственно их опытных данных

У = Х, где У – искомое значение, Х – непосредственно полученное из опытных данных. Это измерения при помощи приборов, градуированных в установленных единицах.

Пример: измерение тока амперметром, температура – термометром.

Косвенные измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям

У = f (х₁, х₂,.., х_m),

х_m – определяют в ходе прямых измерений.

Пример - Плотность - по массе и объему тела, сопротивление - по напряжению и току и т. д.

Совокупные (совместные) измерения – измерения, при которых искомые значения разноименных величин определяются путем решения системы уравнений, связывающих значения искомых величин с непосредственно измеренными величинами, т. е. путем решения системы уравнений

F₁ (Y₁, Y₂,..,X₁¹, X₂¹,.., X_m¹) = 0;

F₂ (Y₁, Y₂,..,X₁², X₂²,.., X_m²) = 0;

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

F_m (Y₁, Y₂,..,X₁^m, X₂^m,.., X_m^m) = 0.

Y₁, Y₂, Y₃ – искомые величины,

Х₁, Х₂, Х₃ – непосредственно измерения.

В зависимости от назначения и от предъявляемой к ним точности измерения подразделяются на лабораторные (точные) и технические. Лабораторные (точные) измерения - это такие измерения, которые, как правило, выполняются многократно повторяемыми и с помощью средств измерений повышенной точности.

Технические измерения – это измерения, выполняемые однократно с помощью рабочих (технических) средств измерений, градуированных в соответствующих единицах. При выполнении теплотехнических измерений широко применяются методы измерений, классификация которых представлена в приложении Б (рисунок Б2).

Мера – СИ, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Классификационным признаком является наличие или отсутствие при измерении меры.

Метод непосредственной оценки (МНО) – отсутствие меры – метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Пример - Взвешивание груза на пружинных весах, t⁰ – термометром.

Для повышения точности измерений, в частности линейных, применяют метод отсчета по шкале и нониусу (вспомогательной шкале). Этот метод характеризуется использованием совпадения отметок шкал (основной и вспомогательной).

Метод сравнения с мерой (МСМ) – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

В зависимости от наличия или отсутствия при сравнении разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, различают нулевой и дифференциальный.

Нулевой метод – это МСМ, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля.

Пример - Взвешивание груза на равноплечих весах, когда масса груза определяется массой гирь, уравновешивающих груз.

Дифференциальный метод – это МСМ, в котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной, воспроизводимой мерой. Измеряется разность.

Пример - Взвешивание груза на равноплечих стрелочных весах при неполном противопоставлении воздействия груза и гири на пружину весов, что отмечается стрелкой прибора на шкале:

а) метод противопоставления – МСМ, в котором измеренная величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устраняется соотношение между этими величинами;

б) метод замещения - МСМ, в котором измеренную величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой;

в) метод совпадений – МСМ, в котором разность между измеренной величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Дифференциальный метод возможен только при наличии высокоточной меры, близкой по значению к измеряемой величине.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1,2,5,6,11,13].

Дата добавления: 2014-01-04