Основные понятия и определения метрологии

Рис. 1.2. Основные характеристики измерения как информационного процесса

• 
  • выражению результата измерений — абсолютные (результаты выражены в единицах измеряемой ФВ), относительные;
  
• 
  • по общим приемам получения результата (или способу обработки экспериментальных данных для нахождения результата) все измерения делятся на четыре вида — прямые, косвенные, совместные, совокупные (см. приложение П1).
  

Для реализации любого вида измерений необходимы специальные технические средства — средства измерений. Для того чтобы можно было ориентироваться в большом многообразии СИ, их классифицируют по разным признакам. Наиболее широко используется классификация по функциональному назначению (рис. 1.3).
Меры, измерительные преобразователи и средства (устройства) сравнения называют элементарными СИ. Они позволяют реализовать отдельные операции прямого измерения. Все остальные СИ называют комплексными. Они позволяют реализовать всю процедуру измерения.
Все ФВ, подлежащие измерению, можно разделить на две группы: непосредственно измеряемые ФВ и ФВ, преобразуемые с заданной точностью в непосредственно измеряемые. Физическая величина называется непосредственно измеряемой, если она может быть воспроизведена с заданными размерами (например с помощью многозначной меры) и сравнима с однородной ей ФВ.

Рис. 1.3. Классификация средств измерений:
ИИС — информационные; ИКС — контролирующие; ИУС — управляющие; ИВК — измерительно-вычислительные комплексы
Любая измерительная процедура включает ряд операций, выполняемых с помощью соответствующих СИ. Например, условием реализации простейшего прямого измерения в общем случае является выполнение следующих элементарных операций:

• 
  1) измерительного преобразования измеряемой ФВ в другую, непосредственно измеряемую ФВ (с помощью измерительных преобразователей);
  
• 
  2) воспроизведения непосредственно измеряемой ФВ заданного размера, однородной с преобразованной величиной (например с помощью многозначных мер);
  
• 
  3) сравнения однородных ФВ: преобразованной и воспроизводимой мерой (с помощью средств сравнения).
  

Оценивание ФВ, как уже говорилось, производится с помощью шкал.
Шкала величины — упорядоченная последовательность ее значений, принятая по согласованию на основании результатов точных измерений.
Различают пять основных типов шкал измерений: шкала наименований; шкала порядка; шкала интервалов; шкала отношений; абсолютная шкала.
1. Шкала наименований (шкала классификации). Такие шкалы используются для классификации эмпирических объектов, свойства которых нельзя считать ФВ. Это самый простой тип шкал, основанный на приписывании качественным свойствам объектов чисел,
играющих роль имен. В этих шкалах отсутствуют понятия нуля, «больше» или «меньше». Пример шкалы наименований — атлас цветов, предназначенный для идентификации цвета объекта.

• 
  2. Шкала порядка (шкала рангов). Эта шкала строится для эмпирического объекта, свойства которого проявляют себя по возрастанию (или убыванию) количественного проявления данного свойства. В шкалах порядка может существовать или не существовать нуль, но единица измерения принципиально не может быть введена. Чаще всего используются условные шкалы порядка, например 12-балльная шкала землетрясений (см. приложение П2). Определение значения величин с использованием шкал порядка нельзя считать измерением. Эту операцию следует считать оцениванием.
  
• 
  3. Шкала интервалов (шкала разностей). Эта шкала состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало — нулевую точку. К таким шкалам относятся, например, летоисчисление по различным календарям или температурные шкалы (Цельсия, Фаренгейта и т.п.). На шкале интервалов возможны действия сложения и вычитания интервалов, определение, во сколько раз один интервал больше другого.
  
• 
  4. Шкалы отношений — наиболее совершенные шкалы. В них существуют однозначный естественный критерий нуля и единица измерения, установленная по согласованию. К значениям, полученным по этой шкале, применимы все арифметические действия. Шкалы отношений описываются уравнением X = а[Х, где X— ФВ, для которой строится шкала, [Х — ее единица измерения, а — числовое значение ФВ. Пример шкалы отношений — шкала термодинамической температуры.
  
• 
  5. Абсолютная шкала — шкала отношений, имеющая естественное однозначное определение единицы измерения, не зависящее от принятой системы единиц измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам (например коэффициенту усиления или ослабления).
  

Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стандартизации как самих шкал и единиц измерений, так и способов и условий однозначного их воспроизведения.
Как следует из классификации (см. рис. 1.3), существует большое многообразие СИ, и каждое из них обладает своими специфическими свойствами. Даже СИ одного вида могут существенно различаться по своим характеристикам. Вместе с тем СИ имеют ряд общих свойств, которые позволяют сопоставлять их между собой при выборе наиболее подходящего СИ для конкретного измерительного эксперимента. Совокупность характеристик СИ, которые оказывают непосредственное влияние на результаты и погрешности измерений, называется метрологическими характеристиками средства измерений.
Все метрологические характеристики СИ нормируют. Нормировать какую-либо метрологическую характеристику — это значит указать ее номинальное значение и допускаемые отклонения от него. Для каждого вида СИ нормируется свой комплекс метрологических характеристик, который указывается в нормативно-технической документации (в техническом описании СИ). Комплекс метрологических характеристик конкретных видов и типов СИ должен быть достаточен для определения результатов измерений и расчетной оценки с требуемой точностью характеристик инструментальных составляющих погрешностей при проведении измерений в реальных условиях применения. Общий перечень нормируемых метрологических характеристик СИ, формы их представления и способы нормирования установлены в ГОСТ 8.009—84 [11].
Все метрологические характеристики СИ можно разделить на шесть групп:

• 
  1) характеристики, предназначенные для определения результатов измерений;
  
• 
  2) характеристики погрешностей;
  
• 
  3) характеристики чувствительности к величинам, влияющим на результаты измерения;
  
• 
  4) динамические характеристики;
  
• 
  5) характеристики, отражающие взаимодействие СИ и объекта измерений;
  
• 
  6) информационные параметры выходного сигнала.
  

В основу любого измерения положено некоторое физическое явление (или их совокупность), составляющее принцип измерения. Однако принцип измерения и соответствующие технические средства для реализации измерительного эксперимента могут использоваться по-разному. Совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей образует метод измерения. Методы измерений можно классифицировать по различным признакам:

• 
  • по физическому принципу, положенному в основу измерения, различают: электрические, магнитные, акустические, оптические, механические и др.;
  
• 
  • в зависимости от режима взаимодействия СИ и объекта методы измерений делят на статические и динамические;
  
• 
  • по виду измерительных сигналов, используемых в СИ, можно выделить аналоговые и цифровые методы измерений.
  

Наиболее разработанной и широко используемой в метрологии является классификация методов измерений по совокупности приемов использования принципа и средств измерений. Отличительным признаком этой классификации является способ использования меры в измерительном эксперименте. Классификация методов измерений представлена на рис. 1.4.