Методы измерений и измерительные шкалы

Метод измерений – это совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Принципом измерений называется совокупность физических явлений, на которых основаны измерения.

Все методы измерений разделяются по приёмам получения результата на группы: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямыми называются измерения, результат которых получается непосредственно из опытных данных. При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах (измерение длины тела линейкой, массы при помощи весов и др.).

Косвенными называются измерения, при которых искомая величина непосредственно не измеряется, а её значение находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в результате прямых измерений (определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения).

Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка.

Совокупные измерения – это измерения нескольких однородных величин в различных их сочетаниях, значения которых определяют решением системы соответствующих уравнений (определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Совместные измерения – одновременные измерения двух или нескольких неоднородных величин для установления зависимости между ними.

В зависимости от используемых принципов и средств измерений совместные делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения с мерой.

Методом непосредственной оценки называют метод, по которому измеряемая величина определяется непосредственно – путём отсчёта или снятия показателя с измерительного устройства (инструмента). Разновидностью метода непосредственного измерения является экспертный метод.

К показывающим измерительным приборам непосредственной оценки относятся – манометры, динамометры, барометры, расходомеры, счетчики.

Преимуществом является быстрота процесса измерения, хотя точность измерений бывает обычно ограниченной.

Методы сравнения с мерой – это методы измерения, при которых измеряемая величина сравнивается с известной базовой или эталонной величиной. Результаты измерений выражаются в натуральных единицах измерений или в безразмерных единицах.

Различают следующие разновидности методов сравнения с мерой:

Метод противопоставления - измеряемая и воспроизводимая величина одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между величинами (измерение веса с помощью рычажных весов и набора гирь).

Дифференциальный метод, при котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. При этом уравновешивание измеряемой величины известной производится не полностью (измерение напряжения постоянного тока с помощью дискретного делителя напряжения, источника образцового напряжения и вольтметра).

Нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия обеих величин на прибор сравнения доводят до нуля, что фиксируется высокочувствительным прибором – нуль-индикатором (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, при котором производится поочередное подключение 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 (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.

Метод совпадения, при котором измеряют разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов (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).

Все методы измерений могут осуществляться контактным способом, при котором измерительные поверхности приборов взаимодействуют с измеряемым изделием (измерение температуры тела с помощью термометра), и бесконтактным, при котором взаимодействия нет (измерение расстояния до объекта радиолокатором).

Классификация измерений представлена в таблице

Классификация измерений

Результаты измерений выражают в различных формах, называемых шкалами.

Шкала порядка. При простейшем способе измерения (оценки), который даёт только систематизированное представление о величине размеров, устанавливается соотношение сопоставляемых размеров. Метод установления определённой последовательности рассматриваемых размеров, осуществляемый попарным сопоставлением всех имеющихся размеров, называется их ранжированием. Полученные ранжированием ряды размеров представляют собой шкалы порядка: или

В первом случае имеем шкалу возрастающего порядка, а во втором – шкалу убывающего порядка. Шкалы порядка обладают свойством транзитивности, то есть с их помощью можно осуществлять некоторые логические операции.

Шкала интервалов. Шкала измерений, на которой фиксируются отличия (разница) сопоставляемых размеров, называется шкалой интервалов. По данным шкалы интервалов можно определить не только то, что один размер больше или меньше другого, но и оценить, насколько один размер отличается от другого. На этой шкале можно осуществлять арифметические действия с интервалами: складывать и вычитать их величины.

Шкала отношений. Шкала отношений – это измерительная шкала, на которой отсчитывается (определяется) численное значение измеряемой величины N как математическое отношение определённого размера к другому размеру , то есть

.

Размер выступает в качестве единицы измерения, так как число N показывает, сколько размеров укладывается в размере . Таким образом, любое измерение по шкале отношений предполагает сравнение неизвестного размера с известным и выражение первого через второй в кратном или дольном отношении.