Метрологические методы измерения. Виды измерений. Метрология и технические измерения

Получение количественной информации об измеряемой величине может быть выполнено различным образом.

По способу сравнения неизвестного размера с известным, измерения можно подразделить на субъективные и инструментальные .

Органолептические измерения основаны на использовании органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, слуха, и вкуса).

Примеры: 1 – В парфюмерной промышленности оценка качества продукции осуществляется с помощью обоняния. 2 – Визуальный контроль изделий; 3 – По слуху определяют качество настройки музыкальных инструментов; 4 – На вкус определяют качество пищевых продуктов (дегустация).

Органолептические измерения могут быть выполнены по любой шкале: порядка, интервалов и отношений. Однако следует отметить, что природа в различной степени наделила людей способностью к органолептическим измерениям по шкале отношений. Результаты таких измерений во многом зависят от квалификации оператора. Так, например, врач на ощупь определяет температуру больного с точностью до десятых долей градуса. Неспециалист этого сделать не сможет. Частоту звуковых колебаний на слух могут определить лишь немногие – те, кто обладает абсолютным слухом. Большинство же людей воспринимает разность звуковых частот в тонах и полутонах, то есть, способны к измерению частоты звука только по шкале интервалов.

Измерения по шкале интервалов, как менее совершенные могут выполняться и без участия органов чувств. Пример: время можно оценить на основании ощущений.

Измерения по шкале порядка могут строиться и на основе впечатлений. К таким измерениям относятся разного рода конкурсы: мастеров искусств, красоты, соревнования по художественной гимнастике, фигурному катанию и т.д.

Если измерение основано на интуиции, то оно называется эвристическим .

Рассматривая различные виды субъективных измерений, следует отметить, что сравнивать 2 размера по шкале порядка всегда легче, чем определить значения измеряемых величин по шкале отношений. Поэтому, выбирая, человек осуществляет по парные сопоставления, когда измеряемые величины сначала сравниваются между собой попарно, и для каждой пары результат такого сравнения выражается в виде «больше-меньше» или «лучше-хуже». Последующее ранжирование производится на основании по парного сопоставления.

Пример: Сравниваются пять вариантов внешнего оформления радиоаппаратуры, обозначаемых порядковыми номерами 1, 2, 3, 4, 5. Результаты по парного сопоставления представлены в таблице 1.1 где преимущество n-ого варианта над m-ным обозначено как +1, а преимущество m-ного надn-ым – как –1, равноценные варианты – 0. Надо найти наилучший вариант.

На основании проведенного по парного сравнения рассматриваемые варианты можно проранжировать следующим образом 3; 1; 2 и 5;4. Следовательно, наилучшим вариантов внешнего оформления следует считать вариант №3.

Недостатком субъективных измерений является зависимость их результатов от человека, их выполняющих.

На человека, выполняющего измерения, одновременно влияет целый ряд обстоятельств, не поддающихся строгому учету. Настроение в момент измерения, степень сосредоточенности, состояние здоровья, степень усталости, наличие или отсутствие раздражающих факторов и восприимчивость человека к ним, окружающие условия и т.п. Поскольку все обстоятельства учесть невозможно, итогом их совместного действия является получение результата измерения, являющегося в како-то мере случайным. Повторное измерение одной и той же величины может дать, и на практике дает, несколько иной результат, последующие измерения тоже различаются. Народная мудрость гласит: «Семь раз отмерь, – один раз отрежь!». Эта поговорка раскрывает сущность статистического подхода к проведению измерений. Для уменьшения элемента случайности необходимо провести многократное измерение одной и той же величины и усреднить полученные результаты.

Кроме случайных обстоятельств, на каждого человека действуют специфические – требовательность, личные вкусы, симпатии, склонности. Они существуют у каждого человека и действуют на него постоянно, что может привести к постоянному завышению или занижению результатов измерений.

Чтобы избежать ошибок при измерении, прибегают к услугам нескольких специалистов – экспертов. Усреднение результатов, полученных независимо несколькими экспертами, позволяет повысить объективность субъективных измерений, повысить их точность.

Экспертный метод широко применяется в квалиметрии, медицине, спорте, искусстве, в гуманитарных науках. Применительно к приборостроительным специальностям экспертный подход подробно рассмотрен в разделе «Квалиметрия».

Какими бы способностями не обладал человек, результаты выполненных им измерений имеют субъективный характер и, следовательно, не достаточно достоверны. Существенное повышение достоверности измерений происходит при использовании специальных технических средств. В этом случае измерения называютинструментальными .

Инструментальные измерения – это измерения, при проведении которых процедуру сравнения неизвестного размера с известным размером осуществляют с помощью специальных технических средств.

Среди них могут быть выделены автоматические и автоматизированные измерения. При автоматизированных измерения роль человека полностью не исключена. Он может, например, проводить сбор данных с отсчетного устройства измерительного прибора, вести их регистрацию в журнале, обрабатывать в уме или на компьютере. На качество всех этих операций влияет настроение человека, степень его сосредоточенности, серьезности, мера ответственности за порученное дело, уровень профессиональной подготовки. Поэтому элемент субъективности при автоматизированных измерениях остается.

Автоматические измерения выполняются без участия человека. Их результат представляется в виде документа и является совершенно объективным. Однако стоимость такого результата велика и целесообразность автоматизации измерений всегда должна быть экономически обоснована.

В общем случае, органолептические измерения наиболее простые и дешевые, а инструментальные – наиболее точные и объективные, но и дорогие.

По способу нахождения значения измеряемой величины различают 4 вида измерений: прямые; косвенные; совместные; совокупные.

Если значение величины находят непосредственно из опытных данных (по показаниям прибора), то такое измерение называют прямым . Пример: измерение силы тока амперметром.

Прямое измерение, как правило, обеспечивает наиболее высокую точность результатов. Но порой их проведение невозможно или нецелесообразно. Тогда используют другие виды измерений.

Косвенные измерения – это измерения, при проведении которых искомое значение измеряемой величины определяют расчетным путем из зависимостей, связывающих эту величину с другими величинами, определяемыми прямым измерением.

Пример: измерение удельного сопротивления.

Совокупные измерения – это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение величины находится решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Пример: измерение скоростей объектов, движущихся по сложному закону.

Совместные измерения – это проводимые одновременно измерения нескольких разноименных величин с целью установления между ними зависимости.

Пример : измерение температурного коэффициента сопротивления (ТКС или α) .

В современных концепциях метрологии косвенные, совокупные и совместные измерения считаются не измерениями, а обработкой результатов измерений. Измерениями считаются только прямые измерения.

По количеству наблюдений измерения подразделяются на однократные и многократные .

Если в процессе измерения процедура сравнения проводилась один раз, то такие измерения называются однократными . Если сравнение проводят много раз, а результат получают путем обработки полученных отсчетов, то такое измерение называют многократными .

Однократные измерения проще и дешевле многократных измерений, но они менее точные.

По характеру изменения измеряемой величины во времени выделяют статические и динамические измерения.

Статические измерения – измерения величин, принимаемых в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменные на протяжении времени их измерения (абсолютно неизменные величины пока неизвестны);

Динамические измерения – измерения изменяющихся во времени величин (измеряют изменения размера величины или ее изменения во времени).

По способу выражения результатов измерений различают абсолютное и относительное измерение.

Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.

Пример: измерение силы тяжести основано на измерении основной величины – массы и использовании физической константы – ускорения свободного падения.

В настоящее время под абсолютным измерением понимается измерение величины в ее единицах.

Относительное измерение – измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Пример: измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1м 3 воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1м 3 воздуха при данной температуре.

По условия определяющим точность результата измерения различают технические и метрологические измерения.

Технические измерения – измерения с помощью рабочих средств измерений.

Метрологические измерения – измерения с помощью эталонов и образцов СИ с целью воспроизведения единиц физических величин и передачи информации об их размерах рабочим СИ.

Прежде чем разбираться в сущности каких-либо явлений, удобно их сначала упорядочить, т.е. классифицировать.

Измерения подразделяются на виды измерений - часть области измерений,

имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин, и методы измерений - часть области измерений, состоящая в различии приемов использования принципов и средств измерений.

• Классификация видов измерений

Классификацию видов измерений можно проводить по различным классификационным признакам, к которым можно отнести следующие: способ нахождения численного значения физической величины, число наблюдений, характер зависимости измеряемой величины от времени, число измеряемых мгновенных значений в заданном интервале времени, условия, определяющие точность результатов, способ выражения результатов измерения (рис. 2.1) .
По способу нахождения численного значения физической величины измерения подразделяются на следующие виды: прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямым измерением называют измерение, при котором значение измеряемой физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения характеризуются тем, что эксперимент как процесс измерения производится над самой измеряемом величиной, имея в виду то или
иное её проявление. Прямые измерения выполняются при помощи средств, предназначенных для измерения данных величин. Числовое значение измеряемой величины отсчитывается непосредственно по показанию измерительного прибора. средств, величин. Примеры прямых измерений: измерение тока амперметром; напряжения - компенсатором; массы - на рычажных весах и др.
Зависимость между измеряемой величиной X и результатом измерения Y при прямом измерении характеризуется уравнением X = Y, т.е. значение измеряемой величины принимается равным полученному результату.
К сожалению, прямое измерение не всегда можно провести. Иногда нет под рукой соответствующего измерительного прибора, или он неудовлетворяет.

по точности, или даже вообще ещё не создан. В этом случае приходится прибегать к косвенному измерению.
Косвенными измерениями называют такие измерения, при которых значение искомой величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях измеряют не собственно определяемую величину, а другие величины, функционально с ней связанные. Значение измеряемой косвенным путем величины X находят вычислением по формуле
X = F (Y 1 , Y 2 , … , Yn ),
где Y1 , Y2 , … Yn - значения величин, полученных путем прямых измерений.
Примером косвенного измерения является определение электрического сопротивления с помощью амперметра и вольтметра. Здесь путем прямых измерений находят значения падения напряжения U на сопротивлении R и ток I через него, а искомое сопротивление R находят по формуле
R = U / I .
Операцию вычисления измеряемой величины может производить вручную или с помощью вычислительного устройства, помещенного в прибор.
Прямые и косвенные измерения в настоящее время широко используются на практике и являются наиболее распространенными видами измерений.
Совокупные измерения - это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.
Например, для определения значений сопротивлений резисторов, соединенных треугольником (рис. 2.2), измеряют сопротивления на каждой
паре вершин треугольника и получают систему уравнений
;
;
.
Из решения этой системы уравнений получают значения сопротивлений

, , ,
где .
Совместные измерения - это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин X1, X2,…,Xn , значения которых находят решением системы уравнений:
Fi(X1, X2, … ,Xn; Yi1, Yi2, … ,Yim) = 0,
где i = 1, 2, …, m > n; Yi1, Yi2, … ,Yim - результаты прямых или косвенных измерений; X1, X2, … ,Xn - значения искомых величин.
Например, индуктивность катушки L = L0 × (1 + w 2 × C × L0), где L0 - индуктивность при частоте w = 2 × p × f , стремящейся к нулю; С - межвитковая емкость. Значения L0 и С нельзя найти прямыми или косвенными измерениями. Поэтому в простейшем случае измеряют L1 при w 1 , а затем L2 при w 2 и составляют систему уравнений:
L1 = L0 × (1 + w 1 2 × C × L0);
L2 = L0 × (1 + w 2 2 × C × L0),
решая которую, находят искомые значения индуктивности L0 и емкости С:
; .
Совокупные и совместные измерения есть обобщение косвенных измерений на случай нескольких величин.
Для повышения точности совокупных и совместных измерений обеспечивают условие m ³ n, т.е. число уравнений должно быть больше или равно числу искомых величин. Получающуюся при этом несовместную систему уравнений решают методом наименьших квадратов.
По числу наблюдений измерения подразделяются на (рис.2.1):
- обыкновенные измерения - измерения, выполняемые с однократным наблюдением;
- статистические измерения - измерения с многократными наблюдениями.
Наблюдение при измерении - экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерений, в результате которой получают одно значение из группы значений величин, подлежащих совместной обработке для получения результатов измерений.
Результат наблюдения - результат величины, получаемый при отдельном наблюдении.
По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются:
- на статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени в процессе измерения;
- динамические, при которых измеряемая величина изменяется в процессе измерения и является непостоянной во времени.
При динамических измерениях для получения результата измерения необходимо учитывать это изменение. А для оценки точности результатов динамических измерений необходимо знание динамических свойств средств измерений .
По числу измеряемых мгновенных значений в заданном интервале времени измерения подразделяются на дискретные и непрерывные (аналоговые).
Дискретные измерения - измерения, при которых на заданном интервале времени число измеряемых мгновенных значений конечно.
Непрерывные (аналоговые) измерения - измерения, при которых на заданном интервале времени число измеряемых мгновенных значений бесконечно.
По условиям, определяющим точность результатов , измерения бывают:

• максимально возможной точности, достигаемой при существующем уровне техники;
• контрольно-поверочные, погрешность которых не должна превышать

некоторое заданное значение;
- технические, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений .
По способу выражения результатов измерения различают абсолютные и относительные измерения.
Абсолютные измерения - измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.
Относительные измерения - измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную .

2.2. Методы измерений и их классификация

Все измерения могут производиться различными методами. Различают следующие основные методы измерений: метод непосредственной оценки и методы сравнения c мерой .
2.2.1. Метод непосредственной оценки характеризуется тем, что значение измеряемой величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, заранее градуированного в единицах измеряемой величины. Этот метод является наиболее простым и поэтому широко применяется при измерении различных величин, например: измерение веса тела на пружинных весах, силы электрического тока стрелочным амперметром, разности фаз цифровым фазометром и т.д.

Функциональная схема измерения методом непосредственной оценки приведена на рис. 2.3.

Приборы непосредственной оценки всегда содержат измерительный преобразователь, который преобразует измеряемую величину в другую, доступную для сравнения наблюдателем или автоматическим устройством. Так, в стрелочных приборах происходит преобразование измеряемой величины в угол поворота подвижной части, который отмечается стрелкой. По положению стрелки, т.е. сравнением угла поворота с делениями на шкале находится значение измеряемой величины. Мерой в приборах непосредственной оценки служат деления шкалы отсчетного устройства. Они поставлены не произвольно, а на основании градуировки прибора. Градуировка прибора непосредственной оценки состоит в том, что на его вход от меры подается величина заданного размера и отмечается показание прибора. Этому показанию затем присваивается значение известной величины. Таким образом, деления шкалы отсчетного устройства являются как бы заменителем («отпечатком») значения реальной физической величины и поэтому могут быть использованы непосредственно для нахождения значений измеряемых прибором величин. Следовательно, все приборы непосредственной оценки фактически реализуют принцип сравнения с физическими величинами. Но это сравнение разновременное и осуществляется опосредованно , с помощью промежуточного средства - делений шкалы отсчетного устройства.
2.2.2. Методы сравнения с мерой - методы измерений, в которых известную величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Эти методы по сравнению с методом непосредственной оценки более точны, но несколько сложны. Группа методов сравнения с мерой включает в себя следующие методы: противопоставления, нулевой, дифференциальный, совпадения и замещения.
Определяющим признаком методов сравнения является то, что в процессе каждого измерительного эксперимента происходит сравнение двух однородных независимых друг от друга величин - известной (воспроизводимой мерой) и измеряемой. При измерениях методами сравнения используются реальные физические меры, а не их «отпечатки».
Сравнение может быть одновременным, когда мера и измеряемая величина воздействуют на измерительный прибор одновременно, и разновременным , когда воздействие измеряемой величины и меры на измерительный прибор разнесено во времени. Кроме того, сравнение может быть непосредственным и опосредованным . В первом случае измеряемая величина и мера непосредственно воздействуют на устройство сравнения, а во втором - через другие величины, однозначно связанные с известной и измеряемой величинами.
Одновременное сравнение осуществляется обычно методами противопоставления , нулевым, дифференциальным и совпадения , а разновременное - методом замещения .
Метод противопоставления - метод сравнения с мерой в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами . Функциональная схема метода противоставления приведена на рис. 2.4.
В этом методе измеряемая величина Х и мера Х0 воздействуют на два входа прибора сравнения. Результирующий эффект воздействия определяется разностью этих величин, т.е. e = Х - Х0 и снимается с отсчетного устройства прибора сравнения. Результат измерения находят как
Y = X0 + e .
Этот метод удобен, если имеются точная многозначная мера и несложные

устройства сравнения. Примером этого метода является взвешивание груза на равноплечих весах с помещением измеряемой массы и уравновешивающих её гирь на двух чашках весов и с полным уравновешиванием весов. При этом измеряемая масса определяется как сумма массы гирь, её уравновешивающих, и показания по шкале весов. Метод противопоставления позволяет значительно уменьшить воздействие на результат измерений влияющих величин, поскольку последние более или менее одинаково искажают сигналы как в цепи преобразования измеряемой величины, так и в цепи преобразования величины, воспроизводимой мерой. Отсчетное устройство прибора сравнения реагирует на разность сигналов, вследствие чего эти искажения в некоторой степени компенсируют друг друга. Этот метод также применяют при измерении ЭДС, напряжения, тока и сопротивления .
Нулевой метод является разновидностью метода противопоставления, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Функциональная схема нулевого метода измерения приведена на рис. 2.5.
Здесь измеряемая величина X и мера X0 воздействуют на два входа измерительного прибора сравнения. Результирующий эффект воздействия определяется разностью этих величин, т.е. e = X - X0 . Изменяя величину, воспроизводимую мерой (это схематически указано на рисунке стрелкой), можно довести величину e до 0. Это обстоятельство отмечается индикатором нуля. Если e = 0, то Х = Хо, результат измерения Y есть полученное значение

меры, т.е. Y = X0 .

Поскольку на индикатор нуля воздействует разность величин, то его предел измерения может быть выбран меньшим, а чувствительность большей, чем у прибора для измерения X методом непосредственной оценки. Точность индикации равенства двух величин может быть весьма большой. А это ведет к повышению точности измерения. Погрешность измерения нулевым методом определяется погрешностью меры и погрешностью индикации нуля. Вторая составляющая обычно много меньше первой, практически точность измерения нулевым методом равна точности меры.
Примерами нулевых методов измерений являются: измерение массы на равноплечих весах с помещением измеряемой массы и уравновешивающих её гирь на двух чашках весов и полным уравновешиванием весов или измерение напряжения путем компенсации его напряжением образцового источника (в обоих случаях осуществляется непосредственное сравнение); а также измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием (опосредованное сравнение).
Нулевой метод измерения требует обязательного применения многозначных мер. Точность таких мер всегда хуже однозначных мер, кроме того, мы можем не иметь меры переменной величины. В таком случае нулевой метод не применим.
Дифференциальный метод представляет собой метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор (обязательно прибор сравнения) воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой, причем эта разность не доводится до нуля, а измеряется измерительным прибором прямого действия.
На рис. 2.6 показана функциональная схема дифференциального метода.
Здесь мера имеет постоянное значение Х0, разность измеряемой величины Х и меры Х0, т.е. e = Х - Х0, не равна нулю и измеряется измерительным прибором. Результат измерения находятся как
Y = X0 + e .

То обстоятельство, что здесь измерительный прибор измеряет не всю величину Х, а только её часть e, позволяет уменьшить влияние на результат измерения погрешности измерительного прибора, причем влияние погрешности измерительного прибора тем меньше, чем меньше разность e .
Действительно, при измерении напряжения U = 97 В вольтметром непосредственной оценки с пределом измерения 100 В и допущенной относительной погрешности измерения этого напряжения 1 % (0,01) мы получаем абсолютную погрешность измерения D1 = 97×0,01 = 0,97 » 1 В. Если же будем измерять это напряжение дифференциальным методом с использованием образцового источника напряжения U0 = 100 В, то разность напряжений U - U0 = (97 - 100)В = - 3 В мы можем измерить вольтметром с пределом измерения всего 3 В. Пусть относительная погрешность измерения этого напряжения будет также равна 1 % . Это даёт абсолютную погрешность измерения напряжения 3 В: D2 = 3×0,01 = 0,03 В. Если эту погрешность привести к измеряемому напряжению U , мы получим относительную погрешность измерения напряжения: D2/U = 0,03/97 » 0,0003 (0,03 %), т.е. приблизительно в 30 раз меньше, чем при измерении напряжения U методом непосредственной оценки. Это увеличение точности измерения произошло потому, что в первом случае прибором была измерена почти вся величина с относительной погрешностью в 1 % , а во втором случае измеряется не вся величина, а только её 1/30 часть.
В этих расчетах не учитывалась погрешность меры, которая полностью входит в результат измерения. Следовательно, при малых разностных величинах e точность измерения дифференциальным методом приближается к точности измерения нулевым методом и определяется лишь погрешностью меры. Кроме того, дифференциальный метод не требует меры переменной величины.
В приведенном выше примере измерения напряжения дифференциальным методом использовалось непосредственное сравнение.
Другим примером дифференциального метода измерения может служить определение отклонения сопротивления резистора от номинала неуравновешенным (процентным) мостом (здесь реализуется опосредованное сравнение).
Метод совпадений (или метод «нониуса») представляет собой метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.
Этот метод применяется в тех случаях, когда измеряемая величина меньше цены деления заданной меры. При этом применяются две меры с разными ценами деления, которые отличаются на размер оцениваемого разряда отсчетов.
Пусть имеем одну калиброванную меру с ценой деления D xk1 и измеряемую величину D x, которая меньше цены деления. В этом случае используют вторую меру с ценой деления D xk2 . Таким образом, если чувствительность необходимо увеличить в п раз, то соотношение между ними будет иметь вид
D xk2 = D xk1 ×( 1 - 1/ n).
В частности, при n = 10 D xk2 =0,9 × D xk1 .
Измеряемую величину D x устанавливают между нулевыми отметками мер и находят число N x , равное номеру совпавших делений мер (рис. 2.7). В этом случае справедливо соотношение Nx × D xk1 = D x + Nx × D xk2 , откуда
Dx = Nx×(Dxk1 - Dxk2) = Nx×(Dxk1 - 0,9×Dxk1) = Nx×0,1×Dxk1 .
Примером измерения методом совпадения может служить измерение длины детали с помощью штангенциркуля с нониусом, другим примером - измерение частоты вращения детали с помощью мигающей лампы стробоскопа: наблюдая положение метки на вращающейся детали в моменты вспышек лампы, по частоте вспышек и смещению метки определяют частоту вращения детали. Метод "нониуса" находит также широкое применение при измерении временных интервалов двух близких частот (биений) и в других случаях .

Функциональная схема прибора, работающего по методу совпадений с масштабным преобразованием только величины, воспроизводимой мерой, показана на рис. 2.8. Здесь величина X0 однозначной меры подвергается масштабному преобразованию для выработки величин n1X0, n2X0, … njX0, … nkX0, Эти величина подаются на k- устройств сравнения, к ним же прикладывается и измеряемая величина Х. Логическое устройство указывает номер устройства сравнения, у которого Х - njX0 = min и определяет измеряемую величину на основе приближенного соотношения X = njX0. Такой метод измерения нашел применение также в цифровых приборах, измеряющих угловые и линейные перемещения. Метод совпадения требует наличия многозначных мер или масштабных преобразователей величины и величины, воспроизводимой мерой. Поэтому в измерительной технике он используется сравнительно редко.
Метод замещения есть метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой .
Функциональная схема метода замещения изображена на рис. 2.9. В нем используется измерительный прибор непосредственной оценки. При воздействии на прибор меры Y2= X + D2. Здесь D2 - погрешность измерительного прибора при получении отсчета Y2.
Поскольку мы добиваемся одинаковых показаний (Y1 = Y2), а интервал времени между двумя измерениями невелик, то на одной и той же отметке шкалы прибора погрешность одинакова, т.е. D1 = D2 . Следовательно, из равенства Y1 = Y2 или X + D1 = X + D2 вытекает, что Х = Х0.
Исключение погрешности измерительного прибора из результата измерений является новым достоинством метода замещения. В нулевом методе измерения погрешность измерительного прибора проявляет себя тем, что нулевое показание может не соответствовать равенству измеряемой величины и меры, а в дифференциальном методе она представляет собой погрешность измерения разности меры и измеряемой величины. Для получения большой точности измерения нулевым и дифференциальным методом необходимо, чтобы погрешности измерительных приборов были невелики. А вот метод замещения не требует этого условия! Даже если погрешность измерительного прибора достаточно велика, это не скажется на результате измерения. Таким образом, методом замещения можно осуществить точное измерение, имея прибор с большой погрешностью. Нетрудно сообразить, что точность измерения методом замещения определяется погрешностью меры. Правда, при более строгом подходе к методу замещения следует учитывать два обстоятельства.
Во-первых, здесь сравнение разновременное, а за время между двумя измерениями погрешность измерительного прибора может несколько измениться, так что равенство D1 = D2 несколько нарушится. Теперь становится ясно, почему измеряемая величина и мера должны подаваться на один и тот же вход прибора. Это прежде всего связано с тем, что погрешность измерительного прибора на разных входах даже при одинаковых показаниях может быть разной!
Во-вторых, метод замещения сводится к получению одинаковых показаний прибора. Само равенство показаний может быть установлено с конечной точностью. А это также ведет к погрешности измерения. Точность установления равенства показаний будет больше в приборе, обладающем большей чувствительностью.
Следовательно, при измерении методом замещения следует использовать не точный, но чувствительный и быстродействующий прибор. Тогда остаточная погрешность, обусловленная измерительным прибором, будет невелика.
Метод замещения является самым точным из всех известных методов и обычно используется для проведения наиболее точных (прецизионных) измерений. Ярким примером метода замещения является взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов (вспомните - на один и тот же вход прибора). Известно, что таким методом можно правильно измерить массу тела, имея неверные весы (погрешность прибора), но никак не гири! (погрешность меры).
Сравнивая между собой метод замещения и метод непосредственной оценки, мы обнаружим их разительное сходство. Действительно, метод непосредственной оценки по своей сути представляет метод замещения. Почему он выделен в отдельный метод? Все дело в том, что при измерении методом непосредственной оценки мы выполняем только первую операцию - определение показаний. Вторая операция - градуировка (сравнение с мерой) производится не при каждом измерении, а лишь в процессе производства прибора и его периодических поверках. Между применением прибора и его предыдущей поверкой может лежать большой интервал времени, а погрешность измерительного прибора за это время может значительно измениться. Это и приводит к тому, что метод непосредственной оценки дает обычно меньшую точность измерения, чем метод сравнения .
Рассмотренная классификация методов измерений изображена на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Классификация методов измерений

Рассмотренные методы определяют принципы построения измерительных приборов. Их не следует путать с методикой измерения и алгоритмом измерения.
Методика измерений - детально намеченный порядок процесса измерений, регламентирующий методы, средства, алгоритмы выполнения измерений, которые в определенных (нормированных) условиях обеспечивают измерения с заданной точностью.
Измерения должны осуществляться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками. Порядок разработки и аттестации методик выполнения измерений определяется Госстандартом России.
Алгоритм измерения - точное предписание о выполнении в определенном порядке совокупности операций, обеспечивающих измерение значения физической величины.
.