Принцип и метод измерения. Общие методы измерений. Какие существуют измерительные приборы
Сложно переоценить значимость измерений в жизни современного человека. По мере развития технологий вопрос необходимости в них и вовсе не стоит, но зато на первый план выходят принципы и методы, позволяющие повышать точность замеров. Расширяется и сам спектр областей, в которых задействуются системы и способы измерения. При этом развиваются не только технические и технологические подходы к выполнению данных операций, но и концепции их применения. На сегодняшний день метод измерения представляет собой совокупность техник или приемов, которые позволяют реализовать тот или иной принцип определения искомой величины.
Принципы методов измерений
В основе любого метода измерения лежит определенный физический закон, который, в свою очередь, базируется на том или ином природном явлении. В метрологии физические явления нередко определяются как эффекты, обуславливающие закономерность. Для измерения разных величин применяются конкретные законы. Например, измерение тока производится по эффекту Джозефсона. Это явление, в соответствии с которым сверхпроводящий ток проходит через прослойку диэлектриков, разделяющих сверхпроводники. Для определения характеристик поглощенной энергии применяется уже другой эффект – Пельтье, а для вычисления скорости – закон изменения частоты излучения, открытый Доплером. В более простом примере определения массы объекта используется сила тяжести, которая проявляет себя в процессе взвешивания.
Классификации методов измерения
Обычно применяют два признака разделения методов измерения – по характеру изменения величин в зависимости от времени и по способу получения данных. В первом случае выделяются статистические и динамические методики. Статистические способы измерения характеризуются тем, что получаемый результат не меняется в зависимости от того, в какой момент они применяются. Это могут быть, например, основные методы измерений массы и размеров объекта. Динамические приемы, напротив, изначально допускают возможность колебаний в показателях. К таким методам можно отнести те способы, которые позволяют отслеживать характеристики давления, газа или температуры. Изменения обычно происходят под действием окружающих сред. Существуют и другие классификации методов, обусловленные разницей в точности измерений и условиями проведения операции. Но они, как правило, носят второстепенный характер. Теперь же стоит рассмотреть наиболее популярные методики измерения.
Метод сравнения с мерой
В данном случае измерение происходит за счет сравнения искомой величины со значениями, воспроизводимыми мерой. В качестве примера этого способа можно привести расчет массы с применением весов рычажного типа. Пользователь изначально работает с инструментом, в котором заложены определенные величины с мерами. В частности, используя систему уравновешивания гирями, он может с определенной долей точности зафиксировать и вес объекта. Классический прибор для измерения давления также в некоторых модификациях предполагает определение значения путем сравнения с показаниями в среде, в которой уже действуют изначально известные величины. Другой пример касается измерения напряжения тока. В этом случае, к примеру, характеристики работы компенсатора будут сравниваться с известной электродвижущей силой нормального элемента.
Метод измерений дополнением
Тоже довольно распространенная методика, которая находит применение в самых разных областях. Способ замера величины дополнением также предусматривает наличие искомого значения и определенной меры, которая известна заранее. Только,в отличие от предыдущего способа, непосредственно измерение производится при сравнении не с рассчитываемым значением, а в условиях его же дополнения аналогичной величиной. Как правило, методы и средства измерений по такому принципу чаще используют в работе с физическими показателями характеристик объекта. В некотором смысле с данной методикой схож прием определения величин через замещение. Только в этом случае фактор коррекции обеспечивается не значением, которое аналогично искомой величине, а показаниями эталонного объекта.
Органолептический метод измерения
Это довольно необычное направление метрологии, которое основывается на применении человеческих органов чувств. При этом существуют две категории органолептических измерений. Например, поэлементный способ позволяет оценивать конкретного параметра объекта, не давая полной картины его характеристик и возможных эксплуатационных качеств. Вторая категория представляет комплексный подход, при котором метод измерения с помощью органов чувств дает более полное представление уже о разных параметрах объекта. Важно понимать, что комплексный анализ часто бывает полезен не столько как способ учета целой группы характеристик, сколько как инструмент оценки общей пригодности объекта в плане возможного использования по определенному назначению. Что касается практического применения органолептических способов, то с их помощью можно оценить, например, овальность или качество огранки цилиндрических деталей. В комплексном измерении этим методом можно получить представление о радиальном биении вала, которое как раз обнаружится после анализа той же овальности и характеристик внешней поверхности элемента.
Контактные и бесконтактные методы измерений
Принципы контактного и бесконтактного измерения имеют существенное различие. В случае с контактными приборами производится фиксация величины в непосредственной близости к объекту. Но, поскольку это не всегда возможно по причине наличия агрессивных сред и затрудненного доступа к месту замера, получил распространение и бесконтактный принцип расчета значений. Контактный метод измерения используется в определении таких величин, как масса, сила тока, габаритные параметры и т. д. Однако при измерении экстремально высокой температуры он не всегда возможен.
Бесконтактное измерение может выполняться специальными моделями пирометров и тепловизоров. В процессе работы они не находятся непосредственно в целевой среде замера, а взаимодействуют с ее излучением. В силу целого ряда причин методы измерения температуры по бесконтактному принципу не отличаются высокой точностью. Поэтому их задействуют лишь там, где нужно иметь представление о характеристиках определенных зон или участков.
Приборы измерения
Спектр средств измерения весьма обширен, даже если говорить о конкретной области отдельно. Например, для замера одной лишь температуры используют термометры, пирометры, те же тепловизоры и многофункциональные станции с функциями гигрометра и барометра. Для учета показаний влажности и температуры в комплексе последнее время используются логгеры, оснащенные чувствительными зондами. При оценке атмосферных условий зачастую используется и манометр – это прибор для измерения давления, который может дополняться и датчиками контроля газовых сред. Широкая группа аппаратов представлена и в сегменте средств измерения характеристик электрических цепей. Здесь можно выделить такие приборы, как вольтметр и амперметр. Опять же, как и в случае с метеостанциями, средства для учета параметров электрического поля могут быть универсальными – то есть учитывающими несколько параметров одновременно.
Контрольно-измерительные приборы и автоматика
В традиционном понимании измерительный прибор – это инструмент, который дает информацию о той или иной величине, характерной для определенного объекта в данный момент. В ходе выполнения операции пользователь регистрирует показания и в дальнейшем на их основе принимает соответствующие решения. Но все чаще эти же приборы интегрируются в комплекс оборудования с автоматикой, которое на основе тех же зафиксированных показаний самостоятельно принимает решения, например, по коррекции рабочих параметров. В частности, контрольно-измерительные приборы и автоматика оборудования успешно совмещаются в комплексах газопроводных магистралей, в отопительных и вентиляционных системах и т. д. Например, учет давления в трубопроводе даст сигнал автоматической системе о повышении или повышении объемов подачи рабочей среды – воды или того же газа.
Измерения и погрешности
Практически любой измерительный процесс в определенной степени предполагает допущение отклонения в предоставляемых результатах относительно действительных значений. Погрешность может составлять и 0,001%, и 10%, и более. При этом выделяют случайные и систематические отклонения. Случайная погрешность результата измерения характеризуется тем, что она не подчиняется определенной закономерности. И напротив, систематические отклонения от действительных величин отличаются тем, что они сохраняют свои значения даже при многочисленных повторных измерениях.
Заключение
Производители измерительных приборов и узкоспециализированного метрологического оборудования стремятся разрабатывать все более функциональные и в то же время доступные в использовании модели. И это касается не только профессиональной аппаратуры, но и бытовых средств. Например, измерение тока можно осуществлять в домашних условиях с помощью мультиметра, фиксирующего несколько параметров одновременно. Это же можно сказать о приборах, работающих с показаниями давления, влажности и температуры, которые наделяются широким функционалом и современной эргономикой. Правда, если стоит задача регистрации конкретной величины, то эксперты все же рекомендуют обращаться к специальным устройствам, работающим только с целевым параметром. У них, как правило, выше точность замера, которая зачастую имеет решающее значение при оценке рабочих качеств аппаратуры.