Измерение физических величин

Виды измерений

Измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств [10].

Классифицировать измерения можно следующим образом:

• • по видам измеряемых физических величин: линейные, оптические, электрические и др.;
• • характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения: статические и динамические;
• • количеству измерений одной и той же величины: однократные и многократные;
• • способу получения результатов: прямые и косвенные;
• • степени однородности: совокупные и совместные;
• • условиям измерений: равноточные и неравноточные;
• • характеру результата: абсолютные и относительные;
• • точности: технические и метрологические;
• • степени воздействия на объект: контактные и бесконтактные;
• • методу измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой и т. д.

Статические измерения — измерения, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени, например, измерение габаритных размеров объекта.

Под динамическими измерениями понимают измерения, в процессе которых измеряемая величина является непостоянной во времени, например, измерение амплитуды колебаний работающего технологического оборудования.

Однократные измерения — измерения, выполненные один раз.

Многократные измерения выполняют одними и теми же приборами при повторении эксперимента при одних и тех же условиях.

При прямых измерениях искомое значение величины определяют непосредственно по устройству отображения измерительной информации применяемого средства измерений.

Прямое измерение можно условно выразить формулой.

где X — значение, непосредственно получаемое из опыта; Y — искомое значение измеряемой величины.

Примером прямых измерений могут стать измерение массы весами, температуры — термометром и т. д.

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

При косвенных измерениях числовое значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле.

где Х_п — значение, полученное прямым измерением (непосредственно из эксперимента); Y- искомое значение физической величины.

К косвенным измерениям можно отнести нахождение площади геометрической фигуры, например прямоугольника, по ранее проведенным прямым измерениям его сторон.

При совокупных измерениях осуществляется многократное измерение одной величины или измерение нескольких одноименных величин. Примером может стать нахождение значения массы отдельных гирь набора по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

Совместные измерения подразумевают измерение нескольких неодноименных величин для нахождения функциональной зависимости между ними, например зависимости габаритных размеров объекта от температуры.

Примером косвенного измерения является измерение сопротивления R по результатам измерений тока / и напряжения U

Равноточными измерениями называют измерения физической величины, выполненные одинаковыми приборами в одних и тех же условиях.

Измерения, выполненные различными приборами и (или) при разных условиях, будут неравноточными.

При измерениях для отображения результатов используются разные оценочные шкалы, градуированные либо в единицах измеряемой физической величины, либо в различных относительных единицах, включая и безразмерные. В соответствии с этим принято различать абсолютные и относительные измерения.

Примерами абсолютных измерений являются: определение длины в метрах, массы в килограммах. Примером относительных измерений является измерение относительной влажности воздуха [11]:

где р — абсолютная влажность, под которой понимается величина, численно равная массе водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха (т. е. плотность водяного пара в воздухе при данных условиях); р₀ — плотность насыщенного пара при данной температуре (максимально возможное количество водяного пара при данной температуре в 1 м³ воздуха).

Технические измерения — это измерения, выполняемые обычными (не эталонными) техническими средствами измерений. Их выполняют с заранее установленной точностью, при которой погрешность измерений не должна превышать заранее установленного значения.

Метрологические измерения — это измерения, выполняемые с использованием эталонов. Их выполняют с максимально достижимой точностью, добиваясь минимальной погрешности измерения.

Метод непосредственной оценки — метод, при котором значение измеряемой физической величины определяется непосредственно по отсчетному устройству прибора прямого действия.

При методе сравнения с мерой прибор сравнивает измеряемую величину с аналогичной известной величиной, воспроизводимой мерой. Примерами используемых мер являются гири, концевые меры длины или угла и т. д. Данный метод реализуется как:

• • дифференциальный метод;
• • нулевой метод;
• • метод совпадений;
• • метод замещения;
• • метод противопоставления.

Дифференциальный метод измерений — метод, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой.

Примером дифференциального метода является поверка мер длины сравнением с эталонными мерами на компараторе (приборе, предназначенном для сравнения мер) [12]. При этом производится неполное уравновешивание измеряемой величины X величиной Х_м, воспроизводимой мерой, и определение их разности АХ Результатом измерений станет выражение

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

Примером нулевого метода является взвешивание массы на весах с помощью набора гирь.

Метод совпадений — метод, в котором значение измеряемой величины оценивают, используя совпадение ее с величиной, воспроизводимой мерой (т. е. с фиксированной отметкой на шкале физической величины).

Примером данного метода является измерение длины при помощи штангенциркуля с нониусом.

В зависимости от одновременности или неодновременности воздействия на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, различают методы замещения и противопоставления.

Метод замещения — метод, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, т. е. эти величины воздействуют на прибор последовательно.

Метод противопоставления — метод, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.