Відносне вимірювання це вимірювання відношення однієї фізичної величини до однорідної фізичної величини, взятої за одиницю, або змінювання величини відносно однорідної величини, взятої за вихідну. Наприклад, вимірювання відносної вологості повітря, яку визначають як відношення водяних парів в 1 м3 повітря до кількості водяних парів, що насичують 1 м3 повітря при заданій температурі.
За наявністю попереднього вимірювального перетворення вимірювання розділяють на безпосередні і з попереднім перетворенням. При безпосередніх вимірюваннях фізична величина вимірюється без будь-яких попередніх перетворень шляхом її порівняння з заданою фізичною величиною мірою, однорідною з вимірюваною. Вимірювання з попереднім перетворенням це вимірювання, при яких вимірювана величина перетворюється в проміжну величину, що може бути відображена заданим розміром і піддається порівнянню.
Залежно від об'єкта вимірювання, його фізичної моделі, властивостей та інших складових процесу вимірювання виконують одноразові (звичайні) або багаторазові (статистичні) вимірювання.
Найбільш розповсюдженими є одноразові вимірювання, тобто вимірювання фізичної величини виконані один раз. Проте в цілому ряді практичних випадків, зокрема при використанні результатів вимірювань для прийняття рішень про стан якогось об'єкта або при виконанні вимірювань з підвищеною точністю, вимірювання одного і того самого розміру фізичної величини здійснюються декілька разів, тобто багаторазово (див. підп. 4.1.2.). Отже, до багаторазових вимірювань слід віднести ті вимірювання, результат яких отримують шляхом обробки результатів повторних вимірювань фізичної величини одного і того самого розміру, виконаних більше трьох разів. Це пояснюється тим, що саме за таких умов для обробки результатів вимірювань можуть бути використані методи математичної статистики. Вимірювання одного і того самого розміру фізичної величини, які повторюються два або три рази, допускається називати дво- або триразовими.
Звернемо увагу на те, що багаторазові вимірювання формально схожі на опосередковані. Проте відносити їх до опосередкованих недоцільно, оскільки результат багаторазових вимірювань одержують шляхом обробки групи (серії) результатів вимірювань однорідної фізичної величини одного і того самого розміру, що не є адекватним визначенню опосередкованих вимірювань.
За характеристикою точності розрізняють рівноточні та нерівноточні багаторазові вимірювання. В першому випадку всі вимірювання в серії (або всі серії вимірювань), які використовуються для визначення результату багаторазових вимірювань, виконуються з однаковою точністю (похибкою), а в другому випадку окремі вимірювання в серії (або окремі серії вимірювань) з різною точністю (похибками).
Під серією слід розуміти декілька (більше трьох) послідовно виконаних вимірювань фізичної величини незмінного розміру одними і тими самими методами та ЗВТ, в однакових умовах, одним оператором.
Для визначення рівноточності (або нерівноточності) серії вимірювань використовуються відповідні критерії (див. підп. 4.2.3).
Залежно від призначення вимірювань або від вимог, які ставляться до точності (похибки) вимірювань, останні розділяють на метрологічні (підвищеної точності, прецизійні) і технічні.
Метрологічне вимірювання це вимірювання, яке виконують за участю еталонів або зразкових ЗВТ з метою відтворення одиниць вимірювань або передавання їх розмірів робочим ЗВТ.
У свою чергу, метрологічні вимірювання поділяють на еталонні та контрольно-перевірні. Еталонні вимірювання здійснюються з найбільшою точністю (або найменшою похибкою), яку досягають при існуючому рівні метрології і вимірювальної техніки. До них, наприклад, можуть належати вимірювання фізичних констант та вимірювання при відтворенні основних одиниць вимірювань. При контрольно-перевірних вимірюваннях точність (або похибка) обмежується деяким заданим значенням, яке встановлюється нормативно-технічними документами або вибирається, зважаючи на практичну доцільність.
Технічне вимірювання це вимірювання, яке виконують за участю робочих ЗВТ і не зв'язане з передаванням розмірів одиниць вимірювань. Технічні вимірювання поділяють на лабораторні, що виконуються при різних дослідженнях, і експлуатаційні вимірювання, метою яких є контроль параметрів об'єктів і технологічних процесів, керування рухом літальних апаратів і транспортних засобів, діагностика захворювань (медичні вимірювання), контроль якості продукції, параметрів середовища проживання (екологічні вимірювання), витрати матеріалів і т.д.
1.6. Різновиди методів прямих вимірювань
Методи прямих вимірювань за участю (із застосуванням) в них міри поділяють на дві групи: методи безпосередньої оцінки і методи, які ґрунтуються на порівнянні вимірюваної фізичної величини з мірою (або просто методи порівняння) (рис. 1.6).
Рис.1.6. Різновиди методів прямих вимірювань
Методом безпосередньої оцінки називають метод, в якому значення вимірюваної величини визначається безпосередньо за показувальним пристроєм вимірювального приладу прямої дії. Наприклад, вимірювання напруги вольтметром, частоти частотоміром.
З визначення виходить, що міра безпосередньої участі в процесі вимірювання не бере. Але слід пам'ятати, що вимірювальний прилад прямої дії зберігає одиницю вимірюваної величини, розмір якої був переданий приладу в процесі градуювання його шкали. Перевагою методу безпосередньої оцінки є малий час, необхідний для виконання вимірювань, і низькі апаратурні витрати, оскільки для вимірювань операторові досить мати в розпорядженні тільки вимірювальні прилади. Точність вимірювань даним методом визначається в основному метрологічними характеристиками використаних приладів.
Методи порівняння ґрунтуються на порівнянні вимірюваної величини X з однорідною величиною X0, відтворюваною мірою. За способом виконання операції порівняння з мірою розрізняють такі різновиди методів прямих вимірювань: метод зіставлення, метод одного збігу (метод ноніуса), метод подвійного збігу (метод коінциденції), метод зрівноважування з регульованою мірою (нульовий метод), диференціальний (різницевий) метод і метод заміщення.
Метод зіставлення полягає в тому, що вимірювана величина одночасно (паралельно) зіставляється (шляхом порівняння) з рівномірною шкалою (сіткою) значень (рівнів) однорідної зразкової фізичної величини X0, які задаються багатозначною нерегульованою мірою (рис. 1.7). Прикладом методу є вимірювання довжини лінійкою.
У деяких цифрових вимірювальних приладах або АЦП паралельної дії зіставлення (або порівняння) виконується автоматично за допомогою компараторів, кількість яких дорівнює кількості рівнів зразкової фізичної величини X0. На одні входи компараторів, що об'єднані між собою, подається вимірювана величина X, а на інші входи компараторів подаються відповідні рівні зразкової величини X0 з багатозначної міри. Залежно
Рис.1.7. До пояснення методу
зіставлення
від розміру вимірюваної величини X спрацьовує один з компараторів, наприклад, за номером N.
Тоді результат вимірювання визначається рівністю
X = NX0,
де X0 ступінь (інтервал, дискретність) задання зразкової величини X0.
Точність методу зіставлення визначається метрологічними характеристиками багатозначної міри і ступенем X0. Найважливішим достоїнством методу є найвища швидкодія в порівнянні з іншими методами, а його значною вадою велика апаратурна складність (і вартість), що обумовлена використанням багатозначної міри і значної кількості компараторів, яка зростає з підвищенням точності вимірювань, пов'язаним зі зменшенням ступеня X0 задання зразкової величини.
Метод одного збігу (ноніусний метод) полягає в одноразовому порівнянні зразкових величин двох багатозначних нерегульованих мір X01 i X02, які мають різні ступені X01 i X02, а їхні нульові позначки зсунуті між собою на вимірювану величину X (або X) (рис. 1.8). Співвідношення між ступенями X01 i X02 мір установлюється рівністю
,
де n число, яке звичайно обирають кратним 10.
Метод застосовується при вимірюванні малих розмірів фізичних величин, коли X < X01. Під X слід розуміти або вимірюваний розмір фізичної величини, або різницю (чи похибку) X між результатом грубого вимірювання (за допомогою однієї міри X01) та істинним значенням вимірюваної величини . У цьому разі вимірюване значення використовується як поправка до грубого результату вимірювання, уточнюючи його:
.
У процесі вимірювання (ручного або автоматичного) визначають номер l перших збіжних рівнів (позначок) обох мір. Тоді
X + lX02 = lX01,
звідси результат вимірювання
Рис.1.8. До пояснення методу одного збігу (ноніусного методу)
На рис. 1.8: X01 = 10 мм; n = 10; X02 = 9 мм; l = 8 і = 8 мм.
Таким чином, значення ступеня Х01 першої міри, а отже, і похибка дискретності вимірювання при використанні двох мір зменшується в n разів у порівнянні з використанням тільки однієї міри. Метод застосовується в тих випадках, коли неможливо або недоцільно створювати міру зі ступенем, меншим деякого значення Х0. Наприклад, практично неможливо створити лінійку з ціною поділки 0,1 мм або менше. Але цю задачу вирішують штангенциркуль і мікрометр, які мають дві шкали основну і ноніусну.
Метод подвійного збігу (метод коінциденції) полягає в одноразовому порівнянні n зістикованих вимірюваних величин X одного і того самого розміру (рис. 1.9,а) із зразковою величиною Х0, що відтворюється багатозначною нерегульованою мірою зі ступенем Х0 (рис. 1.9,б).
Результат вимірювання визначається за формулою
його абсолютна похибка
X = NX0 nX.
При такому вимірюванні зберігається та сама максимальна абсолютна похибка дискретності Xmax = X0, що і при вимірюванні однієї вимірюваної величини X (X max = X0), а це приводить до зменшення максимальної відносної похибки дискретності в n разів:
де X = X0/X максимальна відносна похибка дискретності вимірювання однієї фізичної величини X.
Рис1.9. До пояснення методу подвійного збігу (методу коінциденції)
Диференціальний (різницевий) метод ґрунтується на безпосередньому вимірюванні невеликої різниці розмірів X вимірюваної величини X і однорідної величини X0, що відтворюється мірою (рис. 1.10). Тоді результат вимірювання
X = X0 + X,
де X = XX0 різниця величин X та X0 на виході різницевого пристрою, яка подається на вимірювальний прилад. Диференціальний метод застосовується в тих випадках, коли розміри X і X0 є близькими.
Рис.1.10. До пояснення диференціального різницевого методу
Метод зрівноважування з регульованою мірою (або нульовий метод) полягає в тому, що вимірювана величина X порівнюється із зразковою величиною X0, що відтворюється багатозначною мірою, яка регулюється до повного зрівноважування розмірів вимірюваної величини і зразкової величини (рис. 1.11,а).Для фіксації моменту зрівноважування, тобто виконання умови X = X _ X0 = 0, на виході різницевого пристрою використовується компаратор або нуль-індикатор. Регулювання міри може здійснюватися вручну оператором за показами нуль-індикатора або автоматично (показано пунктиром).
Результат вимірювання X = X0.
Приклади застосування методу: вимірювання маси на рівноплечих терезах із зрівноважуванням набором гир; вимірювання електричної напруги компенсатором.
Рис.1.11. До пояснення методу зрівноважування:
а - з регульованою мірою; б - з регульованим масштабним перетворювачем
Другий варіант нульового методу (рис. 1.11,б) полягає в тому, що в процесі вимірювання використовується однозначна нерегульована міра X0 (X0 = const), а розмір вимірюваної величини X змінюється за допомогою регульованого масштабного вимірювального перетворювача, змінювання коефіцієнта перетворення якого відбувається до досягнення нульового ефекту на виході різницевого пристрою:
X = kмпХ Х0 0.
Тоді результат вимірювання .
Нульовий метод характеризується не тільки малими апаратурними витратами, але й значно меншою швидкодією у порівнянні з методом зіставлення, що обумовлено неминучими витратами часу на регулювання міри або масштабного перетворювача. Точність вимірювань цим методом визначається похибками міри (і масштабного перетворювача в іншому варіанті) та чутливістю різницевого пристрою (або компаратора). Іноді нульовий метод розглядають як різновид диференціального методу.
Метод заміщення це метод порівняння, в якому вимірювана величина X заміщується величиною Х0, що відтворюється регульованою мірою (рис.1.12).
Рис. 1.12. До пояснення методу заміщення
Вимірювання здійснюється за два етапи. На першому етапі до входу вимірювального приладу перемикачем S (положення I) вмикається величина X і фіксується показ вимірювального приладу. На другому етапі вимірювань перемикачем S (положення II) до приладу вмикається вихід міри Х0 і її регулюванням домагаються того cамого показу вимірювального приладу, що й на першому етапі. Результат вимірювання одержують з відлікового пристрою міри: Х = Х0. Точність методу заміщення залежить тільки від похибки міри і практично не залежить від систематичної похибки вимірювального приладу, що є суттєвим достоїнством методу заміщення. Метод використовується у ЗВТ високої точності, в тому числі в еталонах.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
