Основные характеристики измерений

Как отмечалось выше, измерение — это процесс экспериментального получения одного или нескольких значений величины, которые могут быть обоснованно ей приписаны. Значение измеряемой величины зависит от условий измерений, выбранного метода, типа средства измерений и пр.

Основные характеристики измерений включают принципы измерений, методы измерений и точность измерений.

Принцип измерений — физическое явление (эффект), положенное в основу измерений тем или иным типом средств измерений.

В качестве принципов измерений применяется большое количество физических эффектов, открытых учеными при проведении исследований. Например, применение эффекта Доплера для измерения скорости; применение эффекта Холла для измерения индукции магнитного поля; использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием.

Примеры применения разных принципов измерения — пьезоэлектрический эффект, термоэлектрический эффект и фотоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении ЭДС на поверхности (гранях) некоторых кристаллов (кварц, турмалин, искусственные пьезоэлектрические материалы) под действием внешних сил. Наибольшее применение для измерений нашли кварц и пьезокерамика (например, титанат бария), обладающие достаточно высокой механической прочностью и стабильностью температуры (кварц до температуры 200 °C; пьезокерамика — до 115°С).

Пьезоэлектрический эффект обратим: ЭДС, приложенная к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает механическое напряжение на его поверхности. Измерительные преобразователи на пьезоэлектрическом эффекте являются автогенерирующими для динамических измерений.

Термоэлектрический эффект применяется для измерений температуры, при этом используются два основных способа реализации этого эффекта.

В первом случае используется свойство изменения электрического сопротивления металлов и полупроводников при изменении температуры. Из металлов часто применяются медь (для обычных измерений) и платина (для высокоточных измерений). Соответствующий измерительный преобразователь называется терморезистором. Чувствительные элементы полупроводникового преобразователя — термистора — изготавливают из окислов различных металлов. С увеличением температуры сопротивление термистора уменьшается, в то время как у терморезистора — возрастает. Зависимость сопротивления термисторов при изменении температуры нелинейна, у медных терморезисторов — линейна, у платиновых аппроксимируется квадратным трехчленом.

Платиновые терморезисторы позволяют измерять температуру в пределах от -200°С до +1000°С.

Для целей измерения применяют внешний и внутренний фотоэлектрический эффекты. Внешний фотоэффект возникает в вакуумированном баллоне, имеющем анод и фотокатод. При освещении фотокатода под действием фотонов света эмитируются электроны. При наличии между анодом и фотокатодом электрического напряжения эмитируемые фотокатодом электроны образуют электрический ток, называемый фототоком.

Таким образом происходит преобразование световой энергии в электрическую.

Метод измерения — это совокупность используемых приемов (способов) сравнения измеряемой величины с ее единицей (или шкалой) в соответствии с выбранным принципом измерения.

Методы измерения делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения с мерой. Методы сравнения с мерой подразделяются на методы противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения и совпадения.

Метод непосредственной оценки заключается в определении значения физической величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например, измерение напряжения вольтметром. Этот метод является наиболее распространенным, но его точность зависит от точности измерительного прибора.

Метод сравнения с мерой использует сравнение измеряемой величины с величиной, воспроизводимой мерой. Точность измерения может быть выше, чем точность непосредственной оценки.

Метод противопоставления основан на одновременном воздействии измеряемой и воспроизводимой величины на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между величинами. Например, измерение веса с помощью рычажных весов и набора гирь.

В случае дифференциального метода на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. При этом уравновешивание измеряемой величины известной производится не полностью. Например, измерение напряжения постоянного тока с помощью дискретного делителя напряжения, источника образцового напряжения и вольтметра.

При использовании нулевого метода результирующий эффект воздействия обеих величин па прибор сравнения доводят до нуля, что фиксируется высокочувствительным прибором — нуль-индикатором. Например, измерение сопротивления резистора с помощью четырехплечевого моста, в котором падение напряжения на резисторе с неизвестным сопротивлением уравновешивается падением напряжения на резисторе известного сопротивления.

Метод замещения основан на поочередном подключении на вход прибора измеряемой величины и известной величины, и по двум показаниям прибора оценивается значение измеряемой величины, а затем подбором известной величины добиваются, чтобы оба показания совпали.

При этом методе может быть достигнута высокая точность измерений при высокой точности меры известной величины и высокой чувствительности прибора. Например, точное измерение малого напряжения при помощи высокочувствительного гальванометра, к которому сначала подключают источник неизвестного напряжения и определяют отклонение указателя, а затем с помощью регулируемого источника известного напряжения добиваются того же отклонения указателя. При этом известное напряжение равно неизвестному.

Методом совпадения определяют разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Например, измерение частоты вращения детали с помощью мигающей лампы стробоскопа: наблюдая положение метки на вращающейся детали в моменты вспышек лампы, по известной частоте вспышек и смещению метки определяют частоту вращения детали.

Проверку соблюдения обязательных требований и правил осуществляют в порядке государственного контроля (надзора) за соблюдением обязательных требований.

Точность измерений определяется близостью к нулю погрешности измерений, т. е. близостью результатов измерений к истинному значению величины.

Истинное значение измеряемой величины — значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в количественном и качественном отношениях соответствующее свойство объекта.

Действительным значением измеряемой величины называют найденное экспериментальным путем значение, настолько близкое к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Вследствие особенностей наших органов чувств (зрения и слуха) и несовершенства измерительных приборов, которыми мы пользуемся, нельзя определить истинное значение измеряемой величины.

Можно только указать, что оно находится между некоторыми двумя значениями, одно из которых взято с недостатком, а другое — с избытком. Чем ближе к друг другу эти значения, чем меньше их разность, тем, следовательно, точнее произведено измерение.

Погрешность измерений можно количественно выразить в единицах измеряемой величины или в отношении погрешности к результату измерений, но точность измерений непосредственно из результатов измерений определить нельзя. Поэтому обычно говорят о высокой (средней, низкой) точности измерений в качественном отношении.

Именно поэтому удобнее количественно оценивать точность измерений с помощью погрешности.

Таким образом, задача экспериментатора не только определить ту или иную искомую величину, но и указать, какова точность определения этой величины, или, другими словами, каково значение допущенной погрешности.