2.2. Âèäû è ìåòîäû èçìåðåíèé

Êëàññèôèêàöèÿ âèäîâ èçìåðåíèé ïðèâåäåíà íà ðèñ. 2.2. Âèäû èçìåðåíèé îïðåäåëÿþòñÿ ôèçè÷åñêèì õàðàêòåðîì èçìåðÿåìîé âåëè÷èíû, òðåáóåìîé òî÷íîñòüþ èçìåðåíèÿ, íåîáõîäèìîé ñêîðîñòüþ èçìåðåíèÿ, óñëîâèÿìè è ðåæèìîì èçìåðåíèé è ò. ä. Èç ðèñ. 2.2 ñëåäóåò, ÷òî â ìåòðîëîãèè ñóùåñòâóåò ìíîæåñòâî âèäîâ èçìåðåíèé è ÷èñëî èõ ïîñòîÿííî óâåëè÷èâàåòñÿ. Ìîæíî, íàïðèìåð, âûäåëèòü âèäû èçìåðåíèé â çàâèñèìîñòè îò èõ öåëè: êîíòðîëüíûå, äèàãíîñòè÷åñêèå è ïðîãíîñòè÷åñêèå, ëàáîðàòîðíûå è òåõíè÷åñêèå, ýòàëîííûå è ïîâåðî÷íûå, àáñîëþòíûå è îòíîñèòåëüíûå è ò. ä.

Íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ ïðÿìûå èçìåðåíèÿ , ñîñòîÿùèå â òîì, ÷òî èñêîìîå çíà÷åíèå âåëè÷èíû íàõîäÿò èç îïûòíûõ äàííûõ ïóòåì ýêñïåðèìåíòàëüíîãî ñðàâíåíèÿ. Íàïðèìåð, äëèíó èçìåðÿþò íåïîñðåäñòâåííî ëèíåéêîé, òåìïåðàòóðó — òåðìîìåòðîì, ñèëó— äèíàìîìåòðîì. Óðàâíåíèå ïðÿìîãî èçìåðåíèÿ: ó = Ñõ , ãäå Ñ — öåíà äåëåíèÿ ÑÈ.

Åñëè èñêîìîå çíà÷åíèå âåëè÷èíû íàõîäÿò íà îñíîâàíèè èçâåñòíîé çàâèñèìîñòè ìåæäó ýòîé âåëè÷èíîé è âåëè÷èíàìè, íàéäåííûìè ïðÿìûìè èçìåðåíèÿìè, òî ýòîò âèä èçìåðåíèé íàçûâàþò êîñâåííûì . Íàïðèìåð, îáúåì ïàðàëëåëåïèïåäà íàõîäÿò ïóòåì óìíîæåíèÿ òðåõ ëèíåéíûõ âåëè÷èí (äëèíû, øèðèíû è âûñîòû); ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå — ïóòåì äåëåíèÿ ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà âåëè÷èíó ñèëû ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà. Óðàâíåíèå êîñâåííîãî èçìåðåíèÿ y = f ( x 1 , x 2 ,..., x n ), ãäå x i — i -é ðåçóëüòàò ïðÿìîãî èçìåðåíèÿ.

Ñîâîêóïíûå èçìåðåíèÿ îñóùåñòâëÿþòñÿ ïóòåì îäíîâðåìåííîãî èçìåðåíèÿ íåñêîëüêèõ îäíîèìåííûõ âåëè÷èí, ïðè êîòîðûõ èñêîìîå çíà÷åíèå íàõîäÿò ðåøåíèåì ñèñòåìû óðàâíåíèé, ïîëó÷àåìûõ â ðåçóëüòàòå ïðÿìûõ èçìåðåíèé ðàçëè÷íûõ ñî÷åòàíèé ýòèõ âåëè÷èí. Ïðè îïðåäåëåíèè âçàèìîèíäóêòèâíîñòè êàòóøêè Ì , íàïðèìåð, èñïîëüçóþò äâà ìåòîäà: ñëîæåíèÿ è âû÷èòàíèÿ ïîëåé. Åñëè èíäóêòèâíîñòü îäíîé èç íèõ L 1 , à äðóãîé — L 2 , òî íàõîäÿò L 01 = L 1 + L 2 +2 M è L 01 = L 1 + L 2 -2 M . Îòêóäà M = ( L 01 - L 02 )/4.

Ñîâìåñòíûìè íàçûâàþò ïðîèçâîäèìûå îäíîâðåìåííî (ïðÿìûå è êîñâåííûå) èçìåðåíèÿ äâóõ èëè íåñêîëüêèõ íåîäíîèìåííûõ âåëè÷èí. Öåëüþ ýòèõ èçìåðåíèé, ïî ñóùåñòâó, ÿâëÿåòñÿ íàõîæäåíèå ôóíêöèîíàëüíîé ñâÿçè ìåæäó âåëè÷èíàìè. Íàïðèìåð, èçìåðåíèå ñîïðîòèâëåíèÿ R t ïðîâîäíèêà ïðè ôèêñèðîâàííîé òåìïåðàòóðå t ïî ôîðìóëå
R t = R 0 (1+ aD t ),

ãäå R 0 è a — ñîïðîòèâëåíèå ïðè èçâåñòíîé òåìïåðàòóðå t o (îáû÷íî 20 °Ñ) è òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò — âåëè÷èíû ïîñòîÿííûå, èçìåðåííûå êîñâåííûì ìåòîäîì; D t = t - t o — ðàçíîñòü òåìïåðàòóð; t — çàäàííîå çíà÷åíèå òåìïåðàòóðû, èçìåðÿåìîå ïðÿìûì ìåòîäîì.

Ðèñ. 2.2. Êëàññèôèêàöèÿ âèäîâ èçìåðåíèé

Ïðèâåäåííûå âèäû èçìåðåíèé âêëþ÷àþò ðàçëè÷íûå ìåòîäû, ò. å. ñïîñîáû ðåøåíèÿ èçìåðèòåëüíîé çàäà÷è ñ òåîðåòè÷åñêèì îáîñíîâàíèåì è ðàçðàáîòêîé èñïîëüçîâàíèÿ ÑÈ ïî ïðèíÿòîé ÌÂÈ. Ìåòîäèêà — ýòî òåõíîëîãèÿ âûïîëíåíèÿ èçìåðåíèé ñ öåëüþ íàèëó÷øåé ðåàëèçàöèè ìåòîäà.

Ïðÿìûå èçìåðåíèÿ — îñíîâà áîëåå ñëîæíûõ èçìåðåíèé, è ïîýòîìó öåëåñîîáðàçíî ðàññìîòðåòü ìåòîäû ïðÿìûõ èçìåðåíèé.  ñîîòâåòñòâèè ñ ÐÌà 29—99 ðàçëè÷àþò:

1. Ìåòîä íåïîñðåäñòâåííîé îöåíêè , ïðè êîòîðîì çíà÷åíèå âåëè÷èíû îïðåäåëÿþò íåïîñðåäñòâåííî ïî îòñ÷åòíîìó óñòðîéñòâó èçìåðèòåëüíîãî ïðèáîðà, íàïðèìåð èçìåðåíèå äàâëåíèÿ ïðóæèííûì ìàíîìåòðîì, ìàññû — íà âåñàõ, ñèëû ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà — àìïåðìåòðîì.

2. Ìåòîä ñðàâíåíèÿ ñ ìåðîé , ãäå èçìåðÿåìóþ âåëè÷èíó ñðàâíèâàþò ñ âåëè÷èíîé, âîñïðîèçâîäèìîé ìåðîé. Íàïðèìåð, èçìåðåíèå ìàññû íà ðû÷àæíûõ âåñàõ ñ óðàâíîâåøèâàíèåì ãèðåé; èçìåðåíèå íàïðÿæåíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà íà êîìïåíñàòîðå ñðàâíåíèåì ñ ÝÄÑ ïàðàëëåëüíîãî ýëåìåíòà.

3. Ìåòîä äîïîëíåíèÿ , åñëè çíà÷åíèå èçìåðÿåìîé âåëè÷èíû äîïîëíÿåòñÿ ìåðîé ýòîé æå âåëè÷èíû ñ òàêèì ðàñ÷åòîì, ÷òîáû íà ïðèáîð ñðàâíåíèÿ âîçäåéñòâîâàëà èõ ñóììà, ðàâíàÿ çàðàíåå çàäàííîìó çíà÷åíèþ.

4. Äèôôåðåíöèàëüíûé ìåòîä õàðàêòåðèçóåòñÿ èçìåðåíèåì ðàçíîñòè ìåæäó èçìåðÿåìîé âåëè÷èíîé è èçâåñòíîé âåëè÷èíîé, âîñïðîèçâîäèìîé ìåðîé. Ìåòîä ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü ðåçóëüòàò âûñîêîé òî÷íîñòè ïðè èñïîëüçîâàíèè îòíîñèòåëüíî ãðóáûõ ñðåäñòâ èçìåðåíèÿ.

Ïðèìåð 2.1. Èçìåðèòü äëèíó õ ñòåðæíÿ, åñëè èçâåñòíà äëèíà l ( l < x ) ìåðû. Êàê ïîêàçàíî íà ðèñ. 2.3, x = l + a ( a — èçìåðÿåìàÿ âåëè÷èíà).

Äåéñòâèòåëüíûå çíà÷åíèÿ a ä áóäóò îòëè÷àòüñÿ îò èçìåðåííîãî a íà âåëè÷èíó ïîãðåøíîñòè D :

Ðèñ. 2.3. Äèôôåðåíöèàëüíûé ìåòîä èçìåðåíèÿ

5. Íóëåâîé ìåòîä àíàëîãè÷åí äèôôåðåíöèàëüíîìó, íî ðàçíîñòü ìåæäó èçìåðÿåìîé âåëè÷èíîé è ìåðîé ñâîäèòñÿ ê íóëþ. Ïðè ýòîì íóëåâîé ìåòîä èìååò òî ïðåèìóùåñòâî, ÷òî ìåðà ìîæåò áûòü âî ìíîãî ðàç ìåíüøå èçìåðÿåìîé âåëè÷èíû. Ðàññìîòðèì, íàïðèìåð, íåðàâíîïëå÷èå âåñû (ðèñ. 2.4, à ), ãäå Ð 1 l 1 = Ð 2 l 2 .  ýëåêòðîòåõíèêå — ýòî ìîñòû äëÿ èçìåðåíèÿ èíäóêòèâíîñòè, åìêîñòè, ñîïðîòèâëåíèÿ (ðèñ. 2.4, á ). Çäåñü r 1 r 2 = r x r 3 , îòêóäà r õ = r 1 r 2 / r 3 .  îáùåì ñëó÷àå ñîâïàäåíèå ñðàâíèâàåìûõ âåëè÷èí ðåãèñòðèðóåòñÿ íóëü-èíäèêàòîðîì (È).

Ðèñ. 2.4. Íóëåâîé ìåòîä èçìåðåíèÿ:
à — ñõåìà ìåõàíè÷åñêèõ âåñîâ; á — ñõåìà ýëåêòðè÷åñêîãî ìîñòà

6. Ìåòîä çàìåùåíèÿ — ìåòîä ñðàâíåíèÿ ñ ìåðîé, â êîòîðîé èçìåðÿåìóþ âåëè÷èíó çàìåùàþò èçâåñòíîé âåëè÷èíîé, âîñïðîèçâîäèìîé ìåðîé. Íàïðèìåð, âçâåøèâàíèå ñ ïîî÷åðåäíûì ïîìåùåíèåì èçìåðÿåìîé ìàññû è ãèðü íà îäíó è òó æå ÷àøêó âåñîâ.

Êðîìå òîãî, ìîæíî âûäåëèòü íåñòàíäàðòèçîâàííûå ìåòîäû:

·ìåòîä ïðîòèâîïîñòàâëåíèÿ, ïðè êîòîðîì èçìåðÿåìàÿ âåëè÷èíà è âåëè÷èíà, âîñïðîèçâîäèìàÿ ìåðîé, îäíîâðåìåííî âîçäåéñòâóþò íà ïðèáîð ñðàâíåíèÿ. Íàïðèìåð, èçìåðåíèÿ ìàññû íà ðàâíîïëå÷èõ âåñàõ ñ ïîìåùåíèåì èçìåðÿåìîé ìàññû è óðàâíîâåøè âàþùèõ åå ãèðü íà äâóõ ÷àøêàõ âåñîâ;

·ìåòîä ñîâïàäåíèé, ãäå ðàçíîñòü ìåæäó ñðàâíèâàåìûìè âåëè÷èíàìè èçìåðÿþò, èñïîëüçóÿ ñîâïàäåíèå îòìåòîê øêàë èëè ïåðèîäè÷åñêèõ ñèãíàëîâ.

Íàïðèìåð, ïðè èçìåðåíèè äëèíû øòàíãåíöèðêóëåì íàáëþäàþò ñîâïàäåíèå îòìåòîê íà øêàëàõ øòàíãåíöèðêóëÿ è íîíèóñà; ïðè èçìåðåíèè ÷àñòîòû âðàùåíèÿ ñòðîáîñêîïîì — ìåòêè íà âðàùàþùåìñÿ îáúåêòå ñ ìîìåíòà âñïûøåê èçâåñòíîé ÷àñòîòû.

 ëèòåðàòóðå [2; 43; 18] èíîãäà âñòðå÷àåòñÿ íàçâàíèå èçìåðåíèé ñ îäíîêðàòíûìè íàáëþäåíèÿìè — îáûêíîâåííûå èçìåðåíèÿ, à ñ ìíîãîêðàòíûìè — ñòàòèñòè÷åñêèå. Êðîìå òîãî, åñëè âåñü èçìåðÿåìûé ïàðàìåòð ôèêñèðóåòñÿ íåïîñðåäñòâåííî ÑÈ, òî ýòî— àáñîëþòíûé ìåòîä, à åñëè ÑÈ ôèêñèðóåò ëèøü îòêëîíåíèå ïàðàìåòðà îò óñòàíîâî÷íîãî çíà÷åíèÿ, òî ýòî îòíîñèòåëüíûé (ïîðîãîâûé) ìåòîä èçìåðåíèÿ.

Äðóãèå âèäû è ìåòîäû èçìåðåíèé (ñì. ðèñ. 2.2) íå òðåáóþò ñïåöèàëüíûõ ïîÿñíåíèé è áóäóò ðàññìîòðåíû íèæå.