Виды и методы измерений. Средства измерений и их классификация

1. Виды измерений
а) По способу получения результата измерения:
прямые,
косвенные,
совокупные
совместные измерения.
Прямым называют измерение, при котором искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение напряжения вольтметром, фазового сдвига фазометром, сопротивления омметром и т. п.

Косвенное измерение характеризуется тем, что искомое значение физической величины находят по известной математической зависимости между этой величиной и физическими величинами, подвергаемыми прямым измерениям.
Если физическая величина z, значение которой нужно измерить, представляет собой функцию
Например, коэффициент усиления усилителя вычисляют по измеренным значениям входного и выходного напряжений:
Сопротивление резистора: R = U/I, где U – напряжение, I – сила тока.

Совокупные измерения — измерения одновременно нескольких однородных величин, когда значения этих величин находят путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместные измерения — проводимые одновременно измерения двух или нескольких разнородных величин для определения зависимости между ними. Совместные измерения — это измерения зависимостей между величинами.
Пример 1. Определение зависимости сопротивления резистора от температуры
где R20 сопротивление резистора при t = 20°С; а, β — температурные коэффициенты.
Для определения величин R20 , а и β вначале измеряют сопротивление R, резистора при трех различных значениях температуры (t1,t2,t3), затем составляют систему из трех уравнений, по которой находят параметры R20 , а и β:
Пример 2. Определение амплитудно-частотной характеристики усилителя

б) По временным характеристикам измерения подразделяются на
1) статические, при которых измеряемая величина остается неизменной во времени;
2) динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется.
в) По способу выражения результатов измерения подразделяются на
1) абсолютные, которые основаны на прямых или косвенных измерениях нескольких величин и на использовании констант и в результате которых получается абсолютное значение величины в соответствующих единицах;
2) относительные, которые не позволяют непосредственно выразить результат в узаконенных единицах, но позволяют найти отношение результата измерения к какой-либо одноименной величине с неизвестным в ряде случаев значением. Например, это может быть относительная влажность, относительное давление, удлинение и т. д.
Характерные примеры относительных измерений: измерение отношения напряжений или мощностей, исследование различных частотных характеристик электрических цепей и т.д.
При относительных измерениях широко используется внесистемная безразмерная единица — децибел (дБ), определяемая при сравнении напряжений по формуле
а при сравнении мощностей

2. Методы измерений
Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.
При методе непосредственной оценки численное значение измеряемой величины определяется непосредственно по показанию измерительного прибора (например, измерение напряжения с помощью вольтметра).

Метод сравнения — метод измерений, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Это может быть, например, измерение уровня напряжения постоянного тока путем сравнения с ЭДС нормального (эталонного) элемента.
Различают следующие разновидности метода сравнения:
нулевой метод, при котором действие измеряемой величины полностью уравновешивается образцовой; результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.

дифференциальный метод, когда измеряется разница между измеряемой величиной и близкой ей по значению известной эталонной (на­
пример, измерение электрического сопротивления методом неуравновешенного моста);

метод замещения, при котором действие измеряемой величины замещается образцовой (например, с помощью последовательно проводимых во времени действий).

3. Средства измерений и их классификация
Средство измерений (СИ) - техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
Приведенное определение раскрывает суть СИ, заключающуюся, во-первых, в «умении» хранить (или воспроизводить) единицу ФВ; во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. Эти важнейшие факторы и обуславливают возможность выполнения измерения и отличают СИ от технического средства.

Классификация СИ
А) по функциональному назначению

Мера - средство измерения, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения ФВ заданного размера (значения). В качестве меры в радиоизмерениях используют измерительный резистор (мера электрического сопротивления) и т.д. Меры бывают однозначными и многозначными:
- Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера (например, постоянный резистор);
- Многозначная мера воспроизводит непрерывный ряд одноименных величин различного размера в определенном диапазоне (например, потенциометр, конденсатор переменной емкости).
- Наборы и магазины мер воспроизводят дискретный ряд одноименных величин различного размера в определенном диапазоне (например, магазин сопротивлений).

Устройство сравнения (компаратор) – это средство измерений, позволяющее сравнивать друг с другом меры однородных величин или же показания измерительных приборов.
Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительный прибор – это средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, например, в виде цифрового отсчета на отсчетном устройстве.
По способу отсчета значений измеряемых величин:
Показывающие (аналоговые и цифровые) – только считывание показаний;
Регистрирующие – считывание и регистрация показаний;
Регулирующие – возможность управления технологическим процессом.
По способу преобразования измерительного сигнала:
Приборы прямого преобразования;
Приборы уравновешивающего преобразования (приборы сравнения).

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте.

Измерительная система – это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких ФВ, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

Б) По месту в системе обеспечения единства измерений:
эталоны, образцовые СИ, рабочие СИ

Эталон единицы физической величины – СИ (или комплекс СИ), предназначенное для хранения и воспроизведения единицы ФВ и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.
Эталонную базу Российской Федерации составляет совокупность государственных первичных и вторичных эталонов, являющихся основой обеспечения единства измерения в стране.

Первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами этой же единицы) точностью.
Первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства называется государственным первичным эталоном. В состав государственных эталонов включаются СИ, с помощью которых воспроизводят и (или) хранят единицу ФВ, контролируют условия измерений и неизменность воспроизводимого или хранимого размера единицы. С понятием государственный эталон совпадает понятие национальный эталон. Термин национальный эталон применяют в случаях проведения сличения эталонов, принадлежащим отдельным государствам, с международным эталоном или при проведении так называемых круговых сличений эталонов ряда стран. Международные эталоны хранятся в международном бюро мер и весов.
Первичные эталоны являются очень дорогим инструментом, нагрузка на которые не должна быть большой. Поэтому для проверки сохранности первичных эталонов и обеспечение передачи размеров единиц всем применяемым в стране СИ используются вторичные эталоны.

Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Вторичные эталоны по метрологическому назначению делятся на эталоны-свидетели, эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны.
Эталон-свидетель – предназначен для проверки сохранности и неизменности государственного первичного эталона и замены его в случае порчи или утраты. В настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель. Его основные назначения – обеспечить возможность контроля постоянства основного эталона.
Эталон сравнения – вторичный эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом. Примером эталона сравнения может служить нормальный элемент, используемый для сличения государственного эталона вольта с эталоном вольта международного бюро мер и весов.
Эталон-копия – вторичный эталон, предназначенный для передачи размеров единиц рабочим эталонам. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению, не всегда является его физической копией.
Рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи размера единицы образцовым СИ.
Б) Образцовое СИ – СИ, предназначенное для поверки рабочих средств измерения и признанное в качестве образцового в установленном порядке. Имеют четыре разряда: 1, 2, 3, 4.
В) Рабочее СИ – СИ, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим СИ. Рабочее СИ предназначено для измерения размеров величин, необходимых в разнообразной деятельности человека. Подразделяются на СИ низшей, средней, высокой, высшей, наивысшей точности.

4. Поверка средств измерений
Поверке подвергают СИ, используемые в сферах деятельности, где государственный метрологический контроль и надзор являются обязательным.
Поверка СИ – это установление органом государственной метрологической службы (или другим официально уполномоченным органом, организацией) пригодности СИ к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям.
Результатом поверки является:
Подтверждение пригодности СИ к применению; В этом случае на СИ наносится поверительное клеймо – знак установленной формы, признающее годным СИ.
Признание СИ непригодным к использованию.
Если СИ признано непригодным к использованию, то свидетельство о поверке и поверительные клейма аннулируются и выписывается свидетельство о непригодности. Аннулированные клейма должны содержать рисунок крестообразной формы, указывающий на прекращение действия поверительного клейма, нанесенного на средство измерений или техническую документацию.

В зависимости от целей и назначения результатов поверки СИ различают первичную, периодическую, внеочередную, инспекционную и экспертную поверки.
Первичная поверка – поверка, выполняемая при выпуске СИ из производства или после ремонта, а также при ввозе СИ из-за границы партиями, при продаже.
Периодическая поверка – поверка СИ, находящихся в эксплуатации или на хранении, выполняемая через установленные межповерочные интервалы времени. Межповерочные интервалы для периодической поверки устанавливаются нормативными документами по поверке в зависимости от стабильности того или иного СИ и продолжительностью от нескольких месяцев до нескольких лет. Необходимость поверки обусловлена возможностью утраты СИ метрологических показателей при эксплуатации или хранении.
Внеочередная поверка – поверка СИ, проводимая до наступления срока его очередной периодической поверки. Необходимость внеочередной поверки может возникнуть вследствие разных причин: ухудшение метрологических свойств СИ или подозрение в этом, нарушение условий эксплуатации, нарушение поверительного клейма и др.
Инспекционная поверка – поверка, проводимая органом государственной метрологической службы при проведении государственного надзора за состоянием и применением средств измерений.
Экспертная поверка проводится при возникновении спорных вопросов по метрологическим характеристикам, исправности СИ и пригодности их к использованию.

Основной метрологической характеристикой, определяемой при поверке, является погрешность.
Погрешность определяется на основании сравнения показаний поверяемого СИ и более точного рабочего эталона.
Поверка СИ осуществляется методами:
1) сличение поверяемого СИ с образцовым;
2) сличение поверяемого СИ при помощи устройства сравнения;
3) прямым измерением поверяемым СИ физической величины, воспроизводимой образцовой мерой;
4) измерение образцовым СИ величины, воспроизводимой мерой.