Измерение физических величин.

Измерение физических величин заключается в сопоставлении какой-либо величины с однородной величиной, принятой за единицу.

Результат измерения выражается числом, показывающим отношение измеряемой величины к единице измерения, что устанавливается основными уравнением измерений:

X = п [х]

где Х - измеряемая величина;

п - числовое значение;

[х]- единица измерения.

Приведенное уравнение позволяет установить необходимые условия осуществления любого единичного измерения, а именно:

- наличие измеряемой ФВ (измерительного сигнала);

-наличие единицы ФВ, реализованной эталоном;

-наличие технического средства, реализующего конкретный метод срав­нения ФВ с единицей.

Все измерения для упорядочения измерительной деятельности можно классифицировать по ряду признаков (см. таблицу).

Прямыеизмерения - измерения, при которых искомое значение вели­чины находят непосредственно из опытных данных (измерение массы на весах, температуры термометром, длины с помощью линейных мер).

Косвенные измерения - измерения, при которых искомое значение на­ходят на основании известной зависимости между этой величиной и величина­ми, полученными прямыми измерениями (определение плотности однородного тела по его массе и геометрическим размерам; удельного электрического со­противления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения).

Совокупные измерения - измерения нескольких однородных величин, при которых искомое значение величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (изме­рения, при которых масса отдельных гирь набора находится по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Совместные измерения - одновременные измерения двух или несколь­ких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними (прово­димые одновременно измерения приращения длины образца в зависимости от измерений его температуры и определение коэффициента линейного расшире­ния).

Однократные измерения – измерения, проводимые один раз.

Многократныеизмерения – измерения одной и той же физической вели­чины, результат которых получают из нескольких следующих друг за другом измерений. Обычно многократными измерениями считаются те, которые про­изводятся свыше трех раз.

Технические измерения - измерения, выполняемые при помощи рабо­чих средств измерений с целью контроля и управления научными эксперимен­тами, контроля параметров изделий и т. д. (измерение давления воздуха в авто­мобильной камере).

Метрологические измерения - ряд измерений при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью нововведения единиц физических вели­чин или передачи их размеров рабочим средствам измерений.

Равноточныеизмерения - ряд измерений какой - либо величины, вы­полненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях.

Неравноточные измерения - ряд измерений какой-либо величины, вы­полненных различными по точности средствами измерений и в разных услови­ях.

Статические измерения - измерения физической величины, принимае­мой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения (измерения размера детали при нормальной температуре).

Динамические измерения - измерения физической величины, размер которой изменяется с течением времени (измерения расстояния до уровня зем­ли со снижающегося самолета).

Абсолютные измерения - измерения, основанные на прямых измерени­ях одной или нескольких основных величин и использовании физических кон­стант.

Относительные измерения - получение отношения величины к одно­именной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по от­ношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Измерения проводят с помощью средств измерений (СИ).

Средства измерений - это технические средства, имеющие нормированные метрологиче­ские характеристики.

По функциональному назначению СИ делят на следующие группы: ме­ра, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные информационные системы, измерительные установки.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения фи­зической величины заданного размера (гиря - мера массы, генератор - мера частоты электрических колебаний).

Меры, в свою очередь, подразделяют на однозначные и многозначные меры.

Однозначная мера - мера, воспроизводящая физическую величину од­ного размера (плоскопараллельная концевая мера длины, нормальный элемент, конденсатор постоянной емкости).

Многозначная мера - мера, воспроизводящая ряд одноименных физиче­ских величин различного размера (линейка с миллиметровыми делениями, кон­денсатор переменной емкости).

Набор мер - специально подобранный комплект мер, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда одноименных величин различного размера (набор гирь, набор плоскопа­раллельных концевых мер длины).

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для вы­работки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосред­ственного восприятия наблюдателем.

Результаты измерений выдаются отсчетными устройствами приборов, которые могут быть шкальными, цифровыми и регистрирующими.

Диапазон измерений

Рисунок 1. Шкала отсчетного устройства

Шкальные отсчетные устройства состоят из шкалы, представляющей со­бой совокупность отметок и чисел, изображающих ряд последовательных зна­чений измеряемой величины, и указателя (стрелки, электронного луча и дру­гих), связанных с подвижной системой прибора.

Отметки шкалы с представленными числовыми значениями называют числовыми отметками шкалы.

Основные характеристики шкалы - длина деле­ния шкалы, выражающая расстояние между осями двух соседних штрихов шкалы, и цена деления шкалы, представляющая значение измеряемой величи­ны, вызывающей перемещение указателя на одно деление.

Принято также выделять понятие диапазона измерений и диапазона по­казаний.

Диапазон измерений представляет собой часть диапазона показаний, для которого нормированы пределы допускаемых погрешностей средств изме­рений. Наименьшее и наибольшее значение диапазона измерений называют со­ответственно нижним и верхним пределами измерений (рис. 1).

Значение величины, определяемое по отсчетному устройству средства измерений и выраженное в принятых единицах этой величины, называют пока­занием средства измерений.

В настоящее время широкое распространение имеют либо механиче­ские, либо световые цифровые отсчетные устройства.

Механические цифровые устройства используются в тех цифровых приборах, у которых измеряемая величина преобразуется в соответствующие углы поворота валов. Световое табло, состоящее, как правило, из системы ин­дикаторных газоразрядных ламп, подсвечивающих те или иные цифры, исполь­зуются в электронных цифровых приборах, у которых измеряемые величины преобразуются в определенную последовательность импульсных сигналов (рис.2).

Рис. 2 Цифровые отсчетные устройства

Регистрирующие отсчетные устройства состоят из пишущего или пе­чатного механизма и ленты. Простейшее пишущее устройство представляет со­бой перо, заполненное чернилами, фиксирующее результат измерения на бу­мажной ленте. В более сложных устройствах запись результата измерений мо­жет проводиться световым или электронным лучом, перемещение которого за­висит от значений измеряемых величин.

Измерение физических величин с помощью средств измерений можно проводить различными методами. Выбор метода зависит от вида измеряемой величины, ее размера, точности результата измерений, быстроты его получе­ния, условий, при которых проводятся измерения и ряда других факторов.

Основными методами являются:

1. Метод непосредственной оценки, в котором значение измеряемой вели­чины определяют непосредственно по отсчетным устройствам измерительного прибора прямого действия (отсчет по часам, барометру-анероиду, термометру).

2. Метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерения массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями).

3. Нулевой метод ― это метод сравнивания с мерой, в котором результи­рующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сводят к нулю (взвешивание на равноплечих весах - безмене, шкальных весах).

4. Контактный и бесконтактные методы ― методы, при которых чувстви­тельный элемент прибора приводится или не приводится в контакт с объектом измерений (измерения диаметра вала измерительной скобой осуществляется контактным методом; температуры в доменной печи - бесконтактным методом).

5. Метод замещения ― разновидность метода сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой (взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашу весов).

Выбор метода, таким образом, зависит от его теоретической проработ­ки, конкретных средств измерений, например, для решения такой измеритель­ной задачи, как определение высоты телебашни, можно использовать один из следующих методов: измерить высоту телебашни, используя тригонометриче­ские функции прямоугольного треугольника, т. е. измеряя горизонтальное рас­стояние до телебашни и вертикальный угол, образованный основанием и вер­шиной телецентра (метод косвенных измерений).