Методология и классификационные признаки процессов измерений

Признаки и классификации процессов измерений

Рассмотренные выше теоретические основы процессов измерений определяют процессный подход в методологии измерений. При этом необходимо выделить как большое количество значений физических величин, так и характер измерения их во времени, а также требования к количеству получаемых результатов. Для решения этих вопросов требуются классификации видов измерений по определенным признакам. Обобщенная классификация методов измерений может быть представлена схемой на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Схема обобщенной классификации методов измерений

Методы измерений могут быть классифицированы по следующим признакам:

• • по выражению результата измерений - они подразделяются на абсолютные и относительные измерения;
• • по способу получения результата измерений- на прямые, косвенные, совместные и совокупные измерения;
• • по характеристикам точности - число измерений подразделяется на равноточные и неравноточные, однократные и многократные измерения;
• • по отношению к измеряемой величине 0 - статические и динамические измерения.

По выражению результата измерений они подразделяются:

• • абсолютное измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или использовании значений физических констант. Измерение силы F, например, основано на измерении основной величины - массы (т) и физической постоянной - g (в точке измерения массы) в соответствии с уравнением земного тяготения F = mg;
• • относительное измерение - измерение отношения величины к одноименной величине, принимаемой за исходную (базовую).
• • По способу получения результата измерения подразделяются:
• • прямые измерения - при которых используемые значения физической величины получают непосредственно в результате выполнения измерительного процесса, (например, измерение длины микрометром, силы тока - амперметром, электрического сопротивления - омметром);
• • косвенные измерения - это определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. При косвенном измерении значение искомой величины у связано с измеряемыми некоторой известной функциональной зависимостью:

где - значения величин, полученных с помощью прямых измерений.

Значение сопротивления резистора R, например, определяют из уравнения R = U : I, в которое подставляют значения напряжения U на резисторе и тока I, проходящего через него.

Совместные измерения - проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними или комплексной оценки процесса.

Например, для нахождения зависимости сопротивления резистора от температуры, определяемой выражением , измеряют сопротивление резистора при трех различных температурах, составляют систему из трех уравнений и находят значения параметров Rq, А, В.

Совокупные измерения - проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. По сути, совокупные измерения - это одновременно проводимый комплекс измерений. При этом решают следующую систему уравнений:

гдеу| - искомые величины; Ху - значения измеренных величин.

Выполняют, например, прямые измерения сопротивлений резисторов, соединенных треугольником, а затем по результатам этих измерений рассчитывают значения сопротивлений самих резисторов.

По характеристикам точности и числу измерений выделяют:

• • равноточные измерения - это проводимый ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой погрешностью;
• • неравноточные измерения - это ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности методами и средствами измерений и (или) в разных условиях.

К этой же группе относятся и однократные измерения - измерение, выполненное один раз. На практике, как правило, выполняются именно однократные измерения, при которых в ряде случаев принципиально невозможно увеличить число измерений одной и той же величины, например, измерений параметров, характеризующих запуск ракетоносителей космических кораблей. В других случаях однократные измерения производят в установленных процессах.

Многократные измерения - это измерения физической вел ичины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений. Однако перед началом обработки необходимо убедиться, что все измерения этого ряда являются равноточными, тогда можно использовать их определение статических характеристик процесса.

По отношению к состоянию измеряемой величины различают статические измерения. Это измерение физической величины, принимаемое в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменное на протяжении времени измерения (например, измерение сопротивления резистора при нормальной температуре).

Выделяют также динамические измерения - измерения, изменяющиеся по размеру физической величины. При этом может идти речь и об измерении значения физической величины, и об измерении изменения этой величины во времени. Вследствие изменения размера физической величины ее измерение проводят с точной фиксацией момента времени. В этом случае говорят об измерении мгновенного значения измеряемой величины (например, измерение значения амплитуды переменного напряжения электрического тока).

В практике метрологического обеспечения часто используют понятие технического и метрологического измерения.

Под техническим измерением подразумевают измерения с помощью технических устройств рабочих средств измерения. Технические измерения выполняются в целях контроля и управления научными экспериментами, технологическими процессами, движением транспорта и т.д. (например, измерение ряда физических величин, характеризующих некоторый технологический процесс).

Под метрологическими измерениями подразумевают измерения, выполняемые при помощи эталонов и образцовых средств измерений в целях воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерений (например, выполнение процедуры поверки рабочих средств измерений).

Если в качестве критерия классификации измерительных процессов используется измеряемая физическая величина, то принято использовать понятие вида измерения. Под видом измерений понимается часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. Например, в области электрических и магнитных измерений могут быть выделены такие виды измерений, как измерения электрического сопротивления, электрического напряжения, магнитной индукции и т.д.

Взаимодействие средств измерений с объектом измерения основано на физических явлениях или эффектах, как правило, являющихся принципиальными в теории измерений.

При этом принцип измерений - физическое явление (эффект), положенное в основу измерения.

Как было указано выше, метод измерений - это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

В основе классификации методов измерений также может лежать способ применения меры при получении значения измеряемой величины. Выделяют два основных метода: непосредственной оценки и сравнения с мерой. Последний, в свою очередь, подразделяется на нулевой, дифференциальный, или разностный, методы, методы замещением, дополнением.

Метод непосредственной оценки - метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений. Результат измерения в этом случае определяется непосредственно по отсчетному устройству средства измерения. Использование меры в получении результата происходит через процедуру градуировки шкалы средства измерения.

Метод сравнения с мерой - метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Он может быть нулевым методом или дифференциальным (разностным).

Нулевой метод измерений - метод сравнения с мерой, в котором результат взаимодействия измеряемой величины и меры сравнения доводят до нуля. Устройство, с помощью которого определяется равенство нулю указанной разности называется нуль-индикатором.

Схема, поясняющая использование нулевого метода, приведена на рис. 1.12. U_x— измеряемая величина; Uo- мера; НИ- нуль- индикатор. Изменяя значение, добиваются выполнения равенства U_x = Uo. Признаком равенства этих значений является отсутствие тока через

ни/_ни = 0.

Рис. 1.12. Схема, поясняющая нулевой метод

Данный метод позволяет получить высокую точность измерений при применении высокоточных мер и нуль-индикаторов. На использовании нулевого метода измерений основано, например, измерение сопротивления с помощью четырехплечего моста.

Рис. 1.13. Обобщенная схема дифференциального метода измерения напряжения

Рис. 1.14. Обобщенная схема измерения значения сопротивления резистора R_K на основе метода замещения

Дифференциальный, или разностный, метод измерений характерен тем, что при нем измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины или при котором измеряется разность между этими двумя величинами. Результат определяется как сумма показаний средства измерений и значения физической величины. Наибольшую точность данный метод позволяет получить при незначительном отличии между измеряемой величиной и известным значением, воспроизводимом мерой. На рисунке 1.13 представлена обобщенная схема, построенная на основе дифференциального метода, где V - вольтметр, измеряющий разность AU между значением измеряемого напряжения U_x и значением Uo, воспроизводимым образцовым источником напряжения. Тогда измеряемая величина определяется выражением U_x = Uo ± AU.

В методе сравнения с мерой измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. С помощью средства измерений производится поочередное измерение искомой величины и величины, воспроизводимой мерой. Результат определяется по этим двум значениям. На рисунке 1.14 приведена обобщенная схема измерения значения сопротивления резистора R_x на основе метода сравнения с мерой.

На первом шаге измеряется ток /_х через резистор R_x, на втором - ток /_х через образцовое сопротивление Ro. Искомая величина определяется из соотношения Метод тем точнее, чем Ro ближе к R_x.

Другой метод сравнения с мерой - это метод измерения дополнением, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.