Методы измерений

Методы измерений

В соответствии с РМГ 29 -99 метод измерений –  прием или совокупность приемов  сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с  реализованным принципом измерений. В примечании сказано, что метод  измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.

(По ГОСТ 16263 –70: Метод измерений – совокупность  приемов использования принципов  и средств измерений).

Оба определения  дают слишком много возможностей для произвола, поскольку можно  акцентировать принципы ("интерференционный метод измерения длины", "фотоэлектрический метод угловых измерений"), средства ("струнный метод измерения частоты"), приемы использования средств измерений ("метод полного уравновешивания", "контактный метод"). Кроме того, если для конкретного случая достаточно подробно описать все входящие в определение операции, получим описание измерительной процедуры или методику выполнения измерений (МВИ), а метод измерений придется признать идентичным МВИ. В нормативном документе есть ряд частных понятий, определяющих разновидности метода измерений, но они не покрывают всех разновидностей методов. В частности НД содержит определения следующих терминов:

• Метод непосредственной оценки;
• Метод сравнения с мерой;
• Нулевой метод измерений;
• Дифференциальный метод измерений;
• Метод измерений замещением;
• Метод измерений дополнением;
• Контактный метод измерений;
• Бесконтактный метод измерений.

 

 

Очевидно, что  классификация методов измерений  осуществлялась по разным основаниям, например, в зависимости от наличия  или отсутствия в явном виде мер физической величины (гирь, концевых мер длины или др.). Методы измерений замещением и дополнением свидетельствуют об особенностях МВИ с позиций взаимодействия мер и прибора сравнения, а разделение методов измерений на контактные и бесконтактные связано с особенностями конструкции чувствительных элементов прибора. Поскольку набор приведенных терминов несколько отличается от набора в ГОСТ 16263– 70, а в литературе широко использовались именно включенные в него термины, мы по необходимости будем дополнять перечень терминов и определений РМГ 29 –99.

Анализ метода измерений следует начинать с  выяснения основных признаков: является он методом непосредственной оценки или методом сравнения с мерой. Фактически это единственное принципиальное деление, поскольку значительная часть терминов просто уточняет разновидности метода сравнения с мерой. Различия между двумя методами измерений заключаются в том, что метод непосредственной оценки реализуют с помощью приборов без дополнительного применения мер, а метод сравнения с мерой предусматривает обязательное использование овеществленной меры. Меры в явном виде воспроизводят с выбранной точностью физическую величину определенного (близкого к измеряемой) размера.

Метод непосредственной оценки – метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений

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

При использовании метода непосредственной оценки значение измеряемой физической величины определяют непосредственно по отсчетному устройству прибора прямого действия. Суть метода непосредственной оценки, как любого метода измерения состоит в сравнении измеряемой величины с мерой, принятой за единицу, но в этом случае мера "заложена" в измерительный прибор опосредованно. Прибор осуществляет преобразование входного сигнала измерительной информации, соответствующего всей измеряемой величине, после чего и происходит оценка ее значения.

Формальное  выражение для описания метода непосредственной оценки может быть представлено в  следующей форме:

Q = х,

где Q –  измеряемая величина,  

 х –  показания средства измерения.

Метод сравнения  с мерой характеризуется тем, что прибор используют для сопосталнения измеряемой величины с известной величиной, воспроизводимой мерой. Для реализации этого метода можно использовать приборы с относительно небольшими диапазонами показаний, вплоть до вырожденной шкалы с одной нулевой отметкой. Примерами этого метода являются измерения массы на рычажных весах с уравновешиванием объекта гирями (мерами массы), измерения напряжения постоянного тока прибором-компенсатором путем сравнения с известной ЭДС нормального элемента.

Формально метод сравнения с мерой может быть описан следующим выражением:

Q = х + Хм,

где Q –  измеряемая величина,  

 х –  показания средства измерения.        

 Хм –  величина, воспроизводимая мерой.

Примерами используемых мер являются гири, концевые меры длины или угла, эталонные  резисторы и т.д. В случае, когда используют высокоточные меры, можно уменьшить инструментальную составляющую погрешность не только за счет точности меры, но и за счет существенного (по сравнению с измерением методом непосредственной оценки) уменьшения применяемого диапазона преобразований используемого прибора, что обычно приводит к снижению значения погрешности, вносимой прибором.

Метод сравнения  с мерой реализуется в нескольких разновидностях, среди которых различают:

• дифференциальный и нулевой методы измерений,
• метод совпадений,
• метод измерений замещением и метод противопоставления,
• метод измерений дополнением.

В данном перечислении курсивом выделены термины, включенные в РМГ 29 –99.

Дифференциальный  и нулевой методы отличаются друг от друга в зависимости от степени приближения размера, воспроизводимого мерой, к измеряемой величине.

Дифференциальный  метод измерений (дифференциальный метод) – метод измерений, при  котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей  известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.

Пример –  измерения длины, выполняемые на станковом приборе с измерительной  головкой при настройке по блоку  концевых мер.

Фактически  дифференциальный метод измерений – это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой, что формально соответствуетх ≠ 0 в выражении

Q = х + Хм.

Нулевой метод  измерений (нулевой метод) – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.

Формально это можно представить как  х ≈ 0 в том же выражении Q = х + Хм из чего следует:

Q ≈ Хм .

Пример –  измерения массы взвешиванием на равноплечих рычажных весах с  полным уравновешиванием чашек.

Метод совпадений (по ГОСТ 16263 –70) – метод сравнения  с мерой, в котором значение измеряемой величины оценивают, используя совпадение ее с величиной, воспроизводимой мерой (т.е. с фиксированной отметкой на шкале физической величины).

Для оценки совпадения можно использовать прибор сравнения или органолептику, фиксируя появление определенного физического  эффекта (стробоскопический эффект, совпадение резонансных частот, плавление или застывание индикаторного вещества при достижении определенной температуры и другие физические эффекты).

В зависимости  от одновременности или неодновременности  воздействия на прибор сравнения  измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, различаютметод измерений замещением и метод противопоставления.

Метод измерений  замещением (метод замещения) – метод  сравнения с мерой, в котором  измеряемую величину замещают мерой  с известным значением величины. Пример — взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов (метод Борда).

Следует отметить, что РМГ 29 –99 представляет слишком  узкую трактовку метода замещения. В другой интерпретации рассматривают  альтернативную пару: методы замещения  и противопоставления. В таком случае метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором известную величину, воспроизводимую мерой, после настройки прибора замещают измеряемой величиной, то есть эти величины воздействуют на приборпоследовательно. Метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливают соотношение между этими величинами.

Кроме этих терминов в РМГ 29 –99 приведен термин метод измерений дополнением (метод дополнения) – метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению. Метод дополнения может быть реализован как при замещении, так и при противопоставлении измеряемой величины и меры.

Для анализа  МВИ использование классификации  методов измерений имеет существенное практическое значение, поскольку они  прямо связаны с поиском источников погрешностей и оценкой их характера. Так метод непосредственной оценки может характеризоваться прогрессирующей составляющей погрешности, которая увеличивается с увеличением измеряемой величины. У всех разновидностей методов сравнения с мерой обязательно присутствуют не только погрешности приборов, но и погрешности мер, причем механизмы их проявления несколько различаются в соответствии с разновидностью метода.

Контактный  метод измерений (контактный метод) – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения. Примеры: измерение диаметра вала индикаторной скобой, измерение температуры тела термометром.

Бесконтактный метод измерений (бесконтактный  метод) – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения. Примерами могут быть измерение температуры в доменной печи пирометром и измерение расстояния до объекта радиолокатором.

Если под  контактом подразумевать только механический контакт чувствительного элемента средства измерений с объектом измерения, то деление методов измерений на контактные и бесконтактные имеет определенный смысл. Это существенно для анализа погрешностей, которые возникают из-за взаимодействия прибора с объектом измерений. При механическом контакте необходимо учитывать взаимодействия объекта и средства измерений (деформации из-за их недостаточной жесткости, контактные деформации, колебание переходных сопротивлений и др.). При отсутствии механического контакта следует учитывать особенности "бесконтактного съема" измерительной информации– оптические искажения в воздухе, ослабление сигнала на расстоянии и т.д.

Для оценки метода измерений предлагается ответить на следующие вопросы:

- применяется ли мера для воспроизведения физической величины в явном виде?

- измеряются  ли значения отклонений физической  величины от известного значения  меры?

Отрицательный ответ на первый вопрос означает, что  мы имеем дело с методом непосредственной оценки. Положительный ответ на этот вопрос позволяет утверждать, что применяется метод сравнения с мерой. Если при этом значение разности измеряемой величины и меры доводится до нуля, реализуется нулевой метод измерений (иногда называемый методом полного уравновешивания), а если разность этих значений алгебраически суммируется со значением меры– дифференциальный метод.

Если в  ходе измерения мера и измеряемый объект последовательно воздействуют на вход средства измерений (СИ), "замещая" друг друга, реализуется метод замещения. Например, измерительная головка на стойке настраивается по плоскопараллельной концевой мере длины, после чего мера убирается и замещается контролируемой деталью.

Некоторые приборы (весы, измерительные мосты  и др.) обеспечивают возможность  одновременного воздействия на них меры и измеряемой физической величины. С помощью таких приборов реализуется метод противопоставления.