Изучение и исследование методов измерения

Содержание
Введение…………………………………………………………………… 3
1. Общие понятия, методы измерения и классификация ……………….. 4
2. Исследование характеристик основных методов измерения, непосредственной оценки и сравнения с мерой ……………………....... 7
3. Исследование преимуществ и недостатков методов измерения, непосредственной оценки и сравнения с мерой ……………………….. 14
Заключение………………………………………………………………… 15
Список используемой литературы, интернет - источники…………...... 16

Введение
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения единства и требуемой точности измерений. В современном обществе она играет большую роль. Это связано с тем, что практически во всех сферах человеческой деятельности используются результаты измерений (рис.1).
Рис.1.Контроль сварных соединений
Немаловажным фактором для обеспечения единства измерений является наличие, постоянная подготовленность и применение стандартизованных или аттестованных методов выполнения измерений. Обеспечение технологических процессов наиболее совершенными методами выполнения измерений позволяет гарантировать необходимую точность и качество продукции. Полученная измерительная информация служит основой для принятия решений о качестве продукции при внедрении систем качества, в научных экспериментах и т.д.
Это требует от специалистов определённой профессиональной области глубоких знаний основ метрологии и измерительной техники, практических навыков в использовании методов и средств измерений.
Цель и задачи данной работы: изучить и исследовать основные методы измерений: непосредственной оценки; сравнения (нулевой, дифференциальный, замещения), применять полученные знания в практической деятельности, приобретение навыков исследовательской работы, формирование компетенции в изучаемой области знаний.
1. Общие понятия, методы измерения и классификация
Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.
Классификация методов измерений:
• по методам (алгоритмам) сравнения измеряемой величины с единицей измерения,
• по физическим явлениям или закономерностям, положенным в основу измерения,
• по видам измерительных преобразований,
• по способам взаимодействия средств измерений с объектом,
• по способам воспроизведения величин заданного размера,
• по видам применяемых средств измерений,
 • по информативным параметрам сигнала измерительной информации,
• по используемым свойствам объекта исследования.
Основной классификацией для метрологии является классификация по способам (алгоритмам) сравнения измеряемой величины с единицей измерения (рис.2).
Рис.2. Классификация методов измерений
 Метод непосредственной оценки: в этом методе результат получают в процессе измерения без дополнительных операций, путем считывания информации с индикатора прибора.
Примером может служить измерение напряжения вольтметром или измерение силы тока амперметром.
Метод сравнения с мерой: метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.
Примерами метода являются измерение массы на рычажных весах и измерение напряжения компенсатором.
 Разновидности методов сравнения.
Нулевой метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект взаимодействия измеряемой величины и меры на устройство сравнения доводят до нуля.
Разностный (дифференциальный) метод измерений — отличается от нулевого метода тем, что происходит не полное уравновешивание, оставшуюся неуравновешенную часть измеряемой величины измеряют методом непосредственной оценки.
Примеры: взвешивание массы на весах, имеющих циферблат; измерение на электрических мостах, когда у прибора сравнения есть шкала.
Метод измерений замещением — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.
Пример: взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов (метод Боде).
Метод измерений дополнением — метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению (например, максимальному). [2]
Вывод: Анализ вышеизложенного изученного материала показывает, что классификация методов измерений осуществлялась по разным основаниям, например, в зависимости от наличия или отсутствия в явном виде мер физической величины (гирь, концевых мер длины или др.) или от «степени уравновешивания» объекта мерами. Конкретные методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводятся измерения, и рядом других признаков.
Каждую физическую величину можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями как технического, так и методического характера. В отношении технических особенностей можно сказать, что существует множество методов измерения, и по мере развития науки и техники, число их все увеличивается. С методической стороны все методы измерений поддаются систематизации и обобщению по общим характерным признакам. Рассмотрение и изучение этих признаков помогает не только правильному выбору метода и его сопоставлению с другими, но и существенно облегчает разработку новых методов измерения.
2. Исследование характеристик основных методов измерения, непосредственной оценки и сравнения с мерой
Все измерения могут производиться различными методами. Различают два основных метода измерений: метод непосредственной оценки и методы сравнения c мерой.
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 рисунке 3.
Рис.3. Функциональная схема измерения методом непосредственной оценки
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.
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 сложены. 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 опосредствованным. [1]
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.Дифференциальный метод. 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 рисунке 4 показана функциональная схема дифференциального метода.
Рис.4. 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 находится 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.
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 опосредствованное сравнение).
Метод замещения. Метод замещения есть метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Функциональная схема метода замещения изображена на рисунке 5.
Рис.5. Функциональная схема метода замещения
Техника измерения состоит в следующем. Сначала на вход измерительного прибора подают измеряемую величину Х и отмечают показания прибора (отсчет) Y1. После этого вместо измеряемой величины на тот же самый вход (это очень существенно) прибора подают величину Х 0, воспроизводимую мерой. В этом случае показание прибора становится равным Y2. Изменяя величину, воспроизводимую мерой, добиваются равенства показаний, т. е. Y1= Y2. При этом можно утверждать, что Х = Х 0 независимо от погрешности измерительного прибора. 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 1=2 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 пусть не точный, но зато чувствительный и быстродействующий прибор. Тогда остаточная погрешность, обусловленная измерительным прибором, будет невелика.
Нулевой метод. 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 рисунке 6.
Рис.6. Функциональная схема нулевого метода измерения
Здесь измеряемая величина X и мера X0 воздействуют на два входа измерительного прибора сравнения. Результирующий эффект воздействия определяется разностью этих величин, т. е.
Y = X - X0.
Изменяя величину, воспроизводимую мерой (это схематически указано на рисунке стрелкой), можно довести величину Y до 0. Это обстоятельство отмечается индикатором нуля. Если Y = 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; а также измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием (опосредствованное 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. 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. Сравнивая между собой метод замещения и метод непосредственной оценки, мы обнаружим их разительное сходство. Действительно, метод непосредственной оценки по своей сути представляет метод замещения.
Тем не менее, 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. [1,3]
Вывод: Проведённые теоретические исследования по изучаемой теме позволили рассмотреть характеристики и функциональные схемы основных методов измерения, область применения, предопределить дальнейшее исследование их преимуществ и недостатков для выявления наиболее точного метода измерения.
3. Исследование преимуществ и недостатков методов измерения, непосредственной оценки и сравнения с мерой
Метод непосредственной оценки. Преимуществом данного метода является быстрота измерений, обуславливающая незаменимость для практического применения, а недостатком — ограниченная точность.
Метод сравнения с мерой. Преимуществом данного метода является большая точность измерения, чем при методе непосредственной оценки, а недостатком — увеличение затрат времени на подбор мер.
Дифференциальный (разностный) метод. Преимущества данного метода является получение результатов с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств, большая простота измерений по сравнению с изготовлением средств измерений высокой точности, а недостаток, невозможно получить единое численное значение показателя качества или технического совершенства.
 Нулевой метод. Преимущества данного метода является повышенная точность измерений. Недостатком нулевого метода измерения является необходимость иметь большой число мер, различных сочетаний для воспроизведения мерных величин кратных измеряемым.
Метод замещения. Преимуществом метода, безусловно, является небольшая погрешность измерений, определяемая в основном погрешностью меры и зоной нечувствительности прибора (ноль — индикатор). К недостатку следует отнести необходимость применения многозначных мер.
Из всех методов измерения метод сравнения с мерой является более точным по сравнению с методом непосредственной оценки.[2]
Заключение
В реферате отражена и раскрыта тема учебного материала по дисциплине «Метрология» по следующему вопросу; изучение и исследование конкретных методов измерения.
При раскрытии вопроса были детально изучены необходимые теоретические основы и положения, которые позволили сделать определённые выводы в процессе проведённого теоретического исследования:
1. Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности, является важным инструментом в обеспечении качества продукции и услуг, разработки, создания и реализации конкурентоспособной продукции.
2. Метод измерения - путь, способ экспериментального нахождения значения физической величины, т.е. совокупность приемов использования физических явлений, на которых основаны измерения. Критериями выбора метода измерения служат требуемая точность измерения, наличие конкретных средств измерений, затраты времени на измерения и материальных средств на приобретение средств измерений, быстрота процесса измерения, условия, при которых проводятся измерения.
3. Разные методы измерения имеют свои характерные особенности, обуславливающие их достоинства и недостатки.
4.Современные методы измерения широко применяются в разных отраслях промышленности, позволяет гарантировать необходимую точность и качество продукции.
5. Знания основ метрологии, измерительной техники и методов измерений важны для специалистов в любой профессиональной области.
Тема реферата раскрыта в рамках ориентированных на применение исследовательского подхода, что способствует лучшему усвоению учебного материала. Материал данной работы может использоваться для подготовки к зачёту или экзамену.
Список используемой литературы
1. Зайцев, С.А. Контрольно - измерительные приборы и методы измерения/ С.А. Зайцев, Д.Д. Грибанов, А.Н. Толстов. - М.: Издательский центр «Академия»; ПрофОбрИздат, 2002. - 146с.
2. Аристов, А.И. Метрология, стандартизация и сертификация/ А.И. Аристов, Л.И. Карпов, В.М. Приходько. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 384с.
3. Димов, Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация/ Ю.В. Димов. - 2-е изд. - СПб.: Питер, 2006. - 432с.
Интернет - источники
https://studfiles.net/preview/2826992/page:3/
https://suplicio.ru/2011-09-10-16-07-06/64-153-methods-of-measurement.html
https://studbooks.net/2536032/tovarovedenie/metody_izmereniy