Измерения и преобразования величин

1. Виды измерений

Основным объектом метрологии являются - измерения.

Измерения различают по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений, по количеству измерительной информации, по отношению к основным единицам.

По способу получения информации измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения - это непосредственное сравнение физической величины с ее мерой.

Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значение величины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной зависимостью. Так, если измерить силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, то по известной функциональной взаимосвязи всех трех названных величин можно рассчитать мощность электрической цепи.

Совокупные измерения сопряжены с решение системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин. Решение системы уравнений дает возможность вычислить искомую величину.

Совместные измерения - это измерения двух или более неоднородных физических величин для определения зависимости между ними.

Совокупные и совместные измерения часто применяют в измерениях различных параметров и характеристик в области электротехники.

По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений бывают статистические, динамические и статистические измерения.

Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т.д.

Статистические измерения имеют место тогда, когда измеряемая величина практически постоянна.

Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения.

Статистические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки.

По количеству измерительной информации различают однократные и многократные измерения.

Однократные измерения - это одно измерение одной величины, т.е. число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. Обычно минимальное число измерений в данном случае больше трех. Преимущество многократных измерений - в значительном снижении влияний случайных факторов на погрешность измерения.

По отношению к основным единицам измерения делят на абсолютные и относительные.

Абсолютными измерениями называют такие, при которых используются прямое измерение одной (иногда нескольких) основной величины и физическая константа.

Относительные измерения базируются на установлении отношения измеряемой величины к однородной, применяемой в качестве единицы. Естественно, что искомое значение зависит от используемой единицы измерений.

С измерениями связаны такие понятия, как «шкала измерений», «принцип измерений», «метод измерений».

Шкала измерений - это упорядоченная совокупность значений физической величины, которая служит основой для ее измерения (пример: температурные шкалы).

Шкала наименований - это качественная, а не количественная шкала, она не содержит нуля и единиц измерений (пример: атлас цветов или шкала цветов).

Шкала порядка характеризует значение измеряемой величины в баллах (шкала землетрясений, силы ветра, твердости физических тел и т.п.).

Шкала интервалов (разностей) имеет условные нулевые значения, а интервалы устанавливаются по согласованию. Такими шкалами являются шкала времени, шкала длины.

Шкала отношений имеет естественное нулевое значение, а единица измерений устанавливается по согласованию. Например, шкала массы (веса) начинаясь от нуля, может быть градуирована по-разному в зависимости от требуемой.

Виды методов измерений

Конкретные методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводятся измерения, и рядом других признаков.

Каждую физическую величину можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями как технического, так и методического характера. В отношении технических особенностей можно сказать, что существует множество методов измерения, и по мере развития науки и техники, число их все увеличивается. С методической стороны все методы измерений поддаются систематизации и обобщению по общим характерным признакам. Рассмотрение и изучение этих признаков помогает не только правильному выбору метода и его сопоставлению с другими, но и существенно облегчает разработку новых методов измерения.

Для прямых измерений можно выделить несколько основных методов: метод непосредственной оценки, дифференциальный метод, нулевой метод и метод совпадений.

При косвенных измерентиях широко применяется преобразование измеряемой величины в процессе измерений.

2.Преобразование измеряемой величины в процессе измерений

Если мы проанализируем известные нам процессы измерений, то обнаружим, что в подавляющем большинстве случаев мы получаем числовое значение измеряемой величины, только после того, как тем или иным способом видоизменим ее. Рассмотрим в качестве примера измерение массы тела, которую мы измеряем с помощью обыкновенных равноплечих весов. Под действием земного притяжения создаются силы. Масса тела вместе с этими силами давит на одну чашку, а масса гирь - на другую. Подбирая гири, мы добиваемся равновесия, т.е. равенство этих сил. Это дает нам право сказать, что масса взвешиваемого тела равна массе гирь, принимая, что сила земного притяжения на расстоянии между чашками остается одной и той же. Как видим, для измерения массы нам пришлось преобразовать массы тела и гирь в силы, а для срванения сил между собой преобразовать их действие в механическое перемещение рычагов весов.

Другой пример - измерение давления газа при помощи трубчатого манометра. Металлическая трубка манометра, изогнутая по дуге, одним концом соединяется с резервуаром, в котором необходимо измерить давление газа. Другой конец трубки запаян. Под действием давления газа трубка разгибается и тем больше, чем больше давление. Свободный конец трубки перемещается в пространстве. Так осуществляется первая ступень преобразования. Перемещение конца трубки при помощи системы рычагов и зубчаток преобразуется во вращение оси (вторая ступень преобразования). На оси находится стрелка, конец которой перемещется по дуге над шкалой с делениями. Эта третья ступень преобразования, позволяющая получить числовое значение измеряемого давления.

Приведенные примеры показывают, что даже простые измерения проводятся путем преобразования измеряемой величины.

Необходимо отметить, что преобразования измеряемых величин всегда таят в себе опасность внесения погрешностей. Например, при взвешивании, описанном выше, мы не учли закона Архимеда, в соответствии с которым вес тела, находящегося в какой - либо среде, уменьшается на вес вытесненного телом объема среды, если плотность материала гирь отличается от плотности вещества взвешиваемого тела. Другими словами, объем вытесненного воздуха различен, при взвешивании влияние этого явления может исказить результат. Правда это влияние оказывается очень небольшим и учитывать его приходится только при точных взвешиваниях, в частности, при взвешивании драгоценных металлов.

Основным выводом из сказанного является то, что в подавляющем большинстве случаев измерения связаны с преобразованием измеряемой величины.

3.Метод непосредственной оценки

Метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины непосредственно без каких - либо дополнительных действий со стороны лица, проводящего измерение, и без вычислений, кроме умноженияего показаний на постоянную измерительного прибора или цену деления.

Быстрота процесса измерения методом непосредственной оценки делает его часто незаменимым для практического использования, хотя точность измерения бывает обычно ограниченной.

Наиболее многочисленной группой средств измерений, служащих для измерений методом непосредственной оценки, являются показывающие приборы и вот числе так называемые стрелочные приборы. Показывающие измерительные приборы нередко в течение длительного времени непосредственно контактируют с измеряемой величиной. Указатель их непрерывно следует за изменением этой величины, что имеет большое значение при осуществлении технологических процессов, наблюдении за явлениями природы и т.п.

К показывающим измерительным приборам непосредственной оценки относятся манометры, динамометры, барометры, амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры, расходомеры, тягомеры, напоромеры, жидкостные термометры и многие другие.

Измерение при помощи интегрирующего измерительного прибора - счетчика также является методом непосредственной оценки.

В ряде случаев средство измерений приводится в контакт с измеряемой величиной только в тот момент, когда возникает необходимость узнать значение этой величины. К такой разновидности метода непосредственной оценки относятся, например, взвешивание грузов на циферблатных весах, измерение длины при помощи линейки с делениями или рулетки, измерение электрических величин при помощи переносных приборов и т.п.

4.Разностный или дифференциальный метод

Этот метод характеризуется измерением разности между измеряемой величиной и величиной, значение которой неизвестно. Разностный метод позволяет получит результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств для измерения разности. Однако осуществление метода возможно только при условии воспроизведения с большой точностью известной величины, значение которой близко к значению измеряемой. Это во многих случаях оказывается легче, чем изготовить средство измерений высокой точности.