Методы измерений в метрологии

Понимание различных методов измерений является фундаментом для любой точной производственной или научно-исследовательской деятельности. В каждой отрасли, от высокоточного машиностроения до фармацевтики, правильный выбор методики измерений определяет качество конечного продукта и достоверность научных данных.

Методы измерений

Метод измерений представляет собой совокупность приемов использования принципов и средств измерений как единого целого, направленных на получение результата измерения. Это систематизированный способ практического осуществления физического измерения. Применение методов измерений охватывает широкий спектр задач: от контроля качества сырья и готовой продукции в производстве до научных исследований, направленных на открытие новых явлений и процессов.

В сфере производства надежность методик обеспечивает стабильность технологических процессов, оптимизацию расхода материалов и гарантию соответствия изделий установленным стандартам. Например, при производстве полупроводниковых изделий методом фотолитографии критически важны высокоточные измерения толщины пленок и размеров элементов на кристалле, реализуемые с использованием специфических оптических и электронно-лучевых методов.

В энергетике точное измерение параметров электроэнергии (напряжение, ток, частота) является залогом эффективной работы сетей и безопасности потребителей.

Для специалистов, чья деятельность связана с обеспечением точности измерений, крайне важно обладать актуальными знаниями и навыками.

Современная научно-техническая академия (СНТА) предлагает ряд программ повышения квалификации и переподготовки, ориентированных на углубленное изучение метрологии и измерительных технологий.

• Курс «Основы обеспечения единства измерений» поможет систематизировать знания и освоить современные подходы к метрологическому обеспечению.
• Программа «Методики, методы измерений: разработка и аттестация» даст необходимые компетенции для самостоятельной разработки и проверки работоспособности измерительных процедур, что особенно актуально для инженеров-метрологов и технических специалистов.

Ознакомиться с полным перечнем программ и выбрать наиболее подходящий курс можно на официальных страницах академии:

• Курсы повышения квалификации;
• Программы переподготовки.

Методы измерений по способу получения результата

По тому, как получаются результаты, методы измерений подразделяются на прямые и косвенные.

Прямой метод измерений

При прямых измерениях искомое значение физической величины определяют непосредственно на основе опытных данных. Это означает, что прибор напрямую показывает значение измеряемой величины.

Примеры:

• Измерение длины с помощью линейки или измерительной рулетки, где шкала прибора напрямую указывает на длину объекта.
• Измерение массы на лабораторных весах, которые показывают массу путем сравнения с эталонными грузами или электронным датчиком.
• Измерение температуры с использованием термометра, где положение столбика жидкости или изменение сопротивления датчика напрямую соответствует температурному значению.

Косвенный метод измерений

Косвенные измерения применяются, когда искомое значение физической величины невозможно или затруднительно определить непосредственно. В этом случае искомое значение определяют на основе результатов прямых измерений других величин, связанных с искомой через определенные функциональные зависимости.

Классическим примером является определение объёма тела сложной формы путем прямых измерений его геометрических размеров (длины, ширины, высоты, радиусов) и последующего расчета по известной формуле.

Другой пример — нахождение удельного электрического сопротивления проводника. Для этого измеряют его сопротивление (прямым методом с помощью омметра), длину (прямым методом с помощью линейки) и площадь поперечного сечения (косвенно, измеряя диаметр или стороны прямоугольника, затем рассчитывая площадь). Затем удельное сопротивление рассчитывается по формуле, связывающей эти величины.

Методы по условиям измерения

Классификация методов измерений также возможна по условиям, в которых они проводятся:

Контактный метод измерений

Этот метод предполагает непосредственный физический контакт средства измерения с объектом измерения. Применяется, когда прямой доступ к объекту возможен и не влияет существенным образом на результат. Примеры:

• Измерение температуры тела человека медицинским термометром (контакт с кожей).
• Измерение наружного диаметра вала штангенциркулем.
• Измерение силы тока в цепи с помощью амперметра, подключаемого последовательно (требуется разрыв цепи).

Бесконтактный метод измерений

При бесконтактных методах измерение происходит без непосредственного физического воздействия или контакта измерительного прибора с объектом. Это особенно важно для измерения параметров объектов, находящихся под высоким напряжением, при высоких температурах, или при необходимости сохранения целостности объекта.

Примеры:

• Измерение температуры поверхности объекта с помощью инфракрасного пирометра (детектируется тепловое излучение).
• Измерение линейных размеров деталей при помощи оптических или лазерных сканеров.
• Ультразвуковая дефектоскопия для обнаружения внутренних дефектов без повреждения материала.

Методы измерений исходя из способа сравнения измеряемой величины с ее единицей

Данная классификация фокусируется на способе сопоставления измеряемой величины с эталоном или единицей измерения.

Метод непосредственной оценки

При этом методе значение физической величины непосредственно определяется по показанию измерительного прибора. Шкала прибора градуирована в единицах измеряемой величины. Этот метод является, по сути, частным случаем прямого измерения.

Пример: измерение атмосферного давления барометром, показывающим значение в миллиметрах ртутного столба или гектопаскалях.

Метод сравнения с мерой

При использовании этого метода измеряемая величина сравнивается с величиной, полученной от эталона или меры. Преимущество таких методов в возможности достижения более высокой точности, поскольку они часто основаны на определении разности величин, которая, как правило, значительно меньше каждой из сравниваемых величин.

Существуют различные варианты этого метода:

• Нулевой метод

Этот метод заключается в таком изменении вспомогательной регулируемой величины, чтобы уравновесить или компенсировать неизвестную величину, что достигается при нулевой разности между ними. Например, при магнитоэлектрических компенсаторах для измерения сопротивления, стрелка прибора возвращается к нулю, когда измеряемое сопротивление уравновешивается эталонным.

• Метод замещения

Суть метода заключается в том, что измеряемая величина подставляется (замещается) мерой, а затем равная ей по величине сумма других величин, приложенных одновременно с мерой.

• Метод совпадений

Этот метод основан на совпадении отметок на шкалах двух мер или на совпадении положений перемещающихся частей измерительного прибора. Например, в некоторых типах линейных или угловых энкодеров, совпадение меток на дисках позволяет определить точность положения.

Дифференциальный метод

Этот метод предназначен для измерения разности двух близких величин. Он основан на получении сигнала, пропорционального разности между измеряемой величиной и некоторой величиной, близкой к ней по значению. Это позволяет с высокой точностью измерить небольшие отклонения, например, контроль массы драгоценных металлов с высокой точностью.

Метод совпадений

Как упоминалось выше, этот метод основывается на наблюдениях за совпадением действий или отметок. Это может быть совпадение меток масштабного барабана с фиксированным указателем или совпадение показаний двух одинаковых измерительных устройств, одно из которых подвергается воздействию измеряемой величины. Этот метод часто используется для определения малых величин или для поверки измерительных приборов.

Грамотное применение и выбор соответствующего метода измерения являются залогом получения достоверных и точных результатов, что критически важно для развития науки, технологий и промышленности.

Список источников

• Сергеев А., Терегеря В., Латышев М. Метрология, стандартизация, сертификация. – Litres, 2017.
• Керимов Р. А. РОЛЬ ИЗМЕРЕНИЙ В МЕТРОЛОГИИ //Социум и жизненное пространство личности (междисциплинарные аспекты). – 2023. – С. 65.
• Одинцов В. П. Виды и методы измерений. Ключевые преимущества и недостатки //Международный студенческий научный вестник. – 2021. – №. 2. – С. 143-143.
• Горбунова Т. Измерения, испытания и контроль. Методы и средства. – Litres, 2022.