Современный этап развития измерений и измерительной техники характеризуется большим разнообразием измеряемых величин, различным характером их изменения во времени, условий измерений, требований к точности измерения и т.д. Это обусловило широкое развитие различных видов и методов измерений. Для обеспечения возможности систематизации и выявления общих закономерностей всего многообразия измерений их классифицируют по наиболее существенным признакам.
Следует отметить, что виды и методы измерений классифицируются как по признакам, предусмотренным РМГ 29-99, так и по различным «нестандартизированным» признакам, появление которых связано с бурным развитием цифровых измерительных устройств и все более широким использованием современной вычислительной техники при измерениях.
Рассмотрим прежде всего, как классифицируются виды измерений в соответствии с признаками, предусмотренными стандартом.
В зависимости от способа обработки экспериментальных данных для нахождения результата измерения разделяются на прямые, косвенные, совместные, совокупные.
Прямое измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно.
Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение физической величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. При косвенном измерении значение измеряемой величины получают путем решения уравнения x=G(x1,x2…xn), где x1,x2…xn - значения величин, полученных прямым измерением.
Совместными называют одновременные измерения нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.
Совокупные измерения – одновременно проводимые измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Причем число уравнений должно быть не меньше числа величин.
В зависимости от количества наблюдений, выполняемых для получения результата измерительного эксперимента, измерения разделяются на однократные и многократные.
Наблюдение – экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерения, в результате которой получают одно из группы значений величины. Для получения результата измерений с многократными наблюдениями требуется статистическая обработка наблюдений. Измерения вероятностных характеристик случайных процессов называют статистическими измерениями.
В зависимости от режима работы применяемые средства измерения распределяются на статические и динамические. Статическими называют измерения физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Динамическое измерение – измерение изменяющейся по размеру физической величины.
По характеристике точности измерения разделяются на равноточные и неравноточные. Равноточными измерениями называют ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений и в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью. Неравноточными называют ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.
По выражению результата измерения разделяются на абсолютные и относительные. Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или нескольких величин и (или) использовании значений физических констант. Относительное измерение – измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.
По метрологическому назначению измерения разделяются на технические и метрологические.
Техническими называются измерения с помощью рабочих средств измерений. Метрологические измерения проводятся при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью воспроизведения физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерения.
К видам измерений, классифицируемым по признакам, предусмотренным стандартом, добавим измерения различаемые по другим признакам [6].
При наличие предварительного измерительного преобразования измерения подразделяют также на: 1) непосредственные, при которых величина измеряется без любых предварительных преобразований сравнением с выходной величиной меры, однородной с измеряемой, и 2) с предварительным преобразованием, при которых измеряемая величина предварительно преобразуется в величину, которая может быть воспроизведена с заданным размером и поддается сравнению.
По мерности измеряемой величины измерения классифицируются на одномерные и многомерные. Например, многомерным называется измерение вектора напряжения, когда требуется раздельно измерять активную и реактивную составляющие, отсекая влияние неинформативных параметров сигнала.
По соотношению между числом n измеряемых величин и числом уравнений измерения m величины измерения разделяют на неизбыточные и избыточные, или множественные. При m=n измерения неизбыточные (т.е. однократные), при m>n – избыточные.
По способу осуществления избыточности множественные измерения подразделяются на многократные и многоканальные, что определяет возможность осуществления избыточности либо повторными измерениями, т.е. многократными наблюдениями, либо разовым m-канальным измерением, либо их комбинацией.
Переходя к классификации методов измерений, уточним определение самого предмета классификации. Здесь также возможны два подхода к трактованию смысла понятия метода измерения.
Первый подход [4] основывается на положениях классической метрологии и закреплен соответствующими формулировками РМГ 29-99. Согласно стандарту, под методом измерений понимается «прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений».
Второй подход [6] предполагает более широкое трактование этого понятия: метод измерения определяется «как алгоритм использования операций воспроизведения, сравнения, измерительного преобразования, масштабирования и запоминания с целью получения значения величины – результата измерения». В данной интерпретации присутствует характеристика метода как измерительной процедуры в целом, а не только операции сравнения, предполагается корректное описание последовательности действий (алгоритма) выполняемых при получении результата измерений.
В связи с этим, а также учитывая широкое использование в измерительных процедурах элементов цифровой электроники и программируемой вычислительной техники, предлагается [4] следующее развитие определения: «метод измерений характеризуется последовательностью измерительных преобразований, в которую обязательно входят сравнение, аналого-цифровое преобразование и масштабирование, а также при необходимости дополнительные преобразования, выполняемые в аналоговой и числовой форме и цифроаналоговое преобразование». При этом аналого-цифровое преобразование связывает аналоговые числовые измерительные преобразования, а масштабирование заключает измерительную процедуру.
Соответственно рассмотренным вариантам толкования понятия «метод измерения» существует два варианта классификации методов измерения.
Первый вариант классификации предполагает, что в соответствии с РМГ 29-99 все методы измерений подразделяются на две группы: методы непосредственной оценки и методы сравнения.
Согласно методу непосредственной оценки значение измеряемой величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.
К методам сравнения с мерой относятся методы измерений, в которых производится сравнение измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Сравнение может быть непосредственным или опосредованным через другие величины, однозначно связанные с первыми. Отличительная черта методов сравнения - известная величина однородна с измеряемой.
Группа методов сравнения с мерой включает в себя следующие методы: нулевой, дифференциальный, противопоставления, замещения и совпадения.
Нулевой метод измерений – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.
Дифференциальный метод измерений – это метод сравнения с мерой, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.
Метод измерения 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.
Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Этот метод можно рассматривать как разновидность дифференциального или нулевого методов, отличающуюся тем, что воздействие на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой с мерой, производится разновременно.
Несколько иной представляется классификация методов измерений, если основываться на рассмотренной выше расширенной трактовке понятия метода измерения. По данному варианту классификации [6], методы прямых измерений подразделяются (рис. 5.6) на методы измерений: комплексными средствами измерений (КСИ) (что эквивалентно методу непосредственной оценки); наборами элементарных средств измерений (ЭСИ); комбинированные с использованием как комплексных, так и элементарных средств измерений.
Методы прямых измерений наборами элементарных средств измерений подразделяются в зависимости от наличия или отсутствия в наборе измерительного преобразователя (ИП) и масштабного преобразователя на четыре группы. Широко используются также варианты синтеза методов и алгоритмов прямых абсолютных измерений наборами элементарных средств без предварительных преобразований рода величин. Эти методы классифицируются по двум существенным признакам: особенности алгоритма и набор средств.
По особенностям алгоритма методы измерения подразделяются на методы сопоставления и методы уравновешивания.
Рис. 5.6. Методы измерений: УС – устройство сравнения;
МП – масштабный преобразователь; М – мера;
ИП – измерительный преобразователь; ПП – прямой преобразователь
Методы сопоставления осуществляются за один прием, параллельно, одноэтапно, на основе многоканального сравнения. В соответствии с основным уравнением измерения Kмпх=Nxqk, если измеряемая величина х изменяется от нуля до хн, то при постоянстве qk для обеспечения равенства правой и левой частей необходимо изменять либо КМП, либо Nх. Данное условие реализуется изменением х, что возможно, если мера и масштабный преобразователь будут либо регулируемыми, либо многоканальными. Причем в уравнении измерения только этих элементарных средств входят числа, определяющие размер их входных величин. Это означает, что для реализации процедуры измерения минимально необходимый набор элементарных средств измерений должен состоять из меры и устройства сравнения. Причем если мера однозначна, то масштабированный преобразователь должен быть многозначным, и наоборот.
Рассмотренные условия реализации процедуры измерений, а также вариации возможных сочетаний в наборах этих и других элементарных средств измерений положены в основу различных методов измерений, представленных в классификационной схеме на рис. 5.7. Подробнее некоторые из этих методов измерений и их алгоритмы [6] рассмотрены ниже.
Методы уравновешивания осуществляются за несколько приемов, последовательно, на основе многократного сравнения.
Рис. 5.7. Классификация методов прямых абсолютных измерений без предварительного преобразования рода физической величины. Условные обозначения элементарных СИ: ОН - одноканальные нерегулируемые; ОР - одноканальные регулируемые; МР - многоканальные регулируемые; МН - многоканальные нерегулируемые; а,д,е,ж,з – методы, синтезируемые на основе использования различия мер по числу к регулируемости выходных величин (ОН,ОР,МН,МР) без масштабного преобразователя; б,в,г,и,к,л,м,н,о,п,р – то же с масштабными преобразователями типов ОН,ОР,МН,МР
