1. Основні поняття теорії вимірювання та вимірювальної техніки

Метрологія – наука про вимірювання, методи та засоби вимірюванння, методи та засоби забезпечення їх єдності й досягнення необхідної точності вимірювання.

Предмет метрології – отримання кількіснсої та якісної інформації про властивості фізичних обєктів та процесів, становлення й застосування наукових і організаційних основ, правил та норм, необхідних для досягнення єдності й необхідної точності вимірювань

Методи метрології – сукупність фізичних і математичних методів що використовуються для отримання вимірювальної інформації із заданими точністю та достовірністю (методів вимірювальних перетворень, методів вимірювагь та опрацювання результатів спостережень, планування вимірювального експерименту)

Засоби метрології – це сукупність засобів вимірювальної техніки та засобів контролю.

Вимірювання – це процес отримання інформації, що полягає в порівнянні дослідним щляхом величин, які вимірюються, та відомих величин, виконання необхідних логічних операцій та подання отриманої інформації в числовому вигляді.

Обєкт вимірювання – це деяка фізична величина.

2. Фізична величина, класифікація фізичних величин.

Фізична величина (ФВ) — властивість, яка є загальною, спільною у якісному відношенні для багатьох фізичних (матеріальних) об’єктів (фізичних систем), але в кількісному відношенні - індивідуальна для кожного з них. Відзначимо, що не всі фізичні властивості реальних об’єктів є фізичними величинами. Наприклад, такі фізичні властивості, як форма тіла чи фігури, запах, смак не відносяться до фізичних величин, оскільки не можуть бути виміряні (не зрозуміло, як вимірювати, з яким еталоном порівнювати).

Класифікація: За характером прояву значень під час вимірювання ФВ поділяють на пасивні (параметричні) та активні (енергетичні, генераторні). Крім активних та пасивних ФВ розрізняють скалярні та векторні фізичні величини. Скалярні можуть бути неполярними, тобто мати лише значення (наприклад, довжина, маса), або полярними, тобто мати, крім розміру, ще й знак (наприклад, електричний заряд). Векторні величини поряд із розміром мають напрям (наприклад, сила, швидкість, прискорення). Величину, значення якої в скінченному проміжку часу, змінюючись, утворює незлічену множину, називають аналоговою (неперервною), якщо ця множина злічена, то дискретною. Якщо розміри скалярних або розміри та напрямки векторних величин не змінюються, то їх називають сталими (незмінними), якщо ж змінюються, то — змінними величинами. Залежність фізичної величини від простору та часу можна розглядати як функцію часу і/або як функцію простору. Залежність фізичної величини від функції часу називають процесом, а від просторових координат - полем.

3. Фізична величина. Система сі.

Фізична величина (ФВ) — властивість, яка є загальною, спільною у якісному відношенні для багатьох фізичних (матеріальних) об’єктів (фізичних систем), але в кількісному відношенні - індивідуальна для кожного з них. Відзначимо, що не всі фізичні властивості реальних об’єктів є фізичними величинами. Наприклад, такі фізичні властивості, як форма тіла чи фігури, запах, смак не відносяться до фізичних величин, оскільки не можуть бути виміряні (не зрозуміло, як вимірювати, з яким еталоном порівнювати).

З 1960 року загальноприйнятою системою одиниць є Міжнародна система одиниць СІ (СІ - Система Інтернаціональна; SI - The International Sistem of Units). Основними одиницями СІ е: метр (м), кілограм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвін (К), кандела (кд), моль (з 1971 - моль). Додаткові одиниці: радіан (рад) - одиниця плоского кута (на площині), стерадіан (ср) - одиниця тілесного кута (у сфері). Похідні одиниці СІ утворюються з основних і додаткових одиниць за допомогою певних рівнянь у відповідності з принципами побудови систем одиниць. Система СІ - є когерентною системою фізичних величин і універсальною, оскільки охоплює всі області вимірювання.. Для прикладу наведемо кілька еталонів одиниць ФВ у системі СІ: Метр є довжина шляху, який проходить світло у вакуумі за проміжок часу, що дорівнює 1/299 792 458 секунди. Таким чином, визначення одиниць довжини (метра) пов’язано з визначенням одиниці часу (секунди). Кілограм - це маса платино-іридієвого циліндра, діаметр і висота якого дорівнює 39 мм, його копії є у різних країнах світу.

4. Вимірювання фізичних величин. Методи та фізичні принципи вимірювання фізичних величин. Класифікація.

Види та методи вимірювання:

За способом визначення (отримання) результату розрізняють два види вимірювання - прямі та непрямі. Пряме вимірювання - це вимірювання однієї величини, значення якої знаходять безпосередньо (за показом відповідного засобу вимірювання, наприклад, вимірювання довжини лінійкою, напруги - вольтметром).Непряме вимірювання - це вимірювання, в якому значення однієї чи кількох вимірюваних величин знаходять після обчислення за відомими залежностями їх від кількох величин-аргументів, які отримують прямими вимірюваннями.

Непрямі вимірювання бувають:

— опосередкованими; — сукупними; — сумісними.

При опосередкованих вимірюваннях значення однієї величини визначають за результатами прямих вимірювань інших величин, з якими вимірювана величина пов'язана функціональною залежністю (законом). Опосередковані вимірювання виконують тоді, коли значення величин неможливо або складно виміряти „прямо”, або ж коли опосередковані вимірювання забезпечують вищу точність, ніж прямі.

Сукупними називають непрямі вимірювання, в яких значення кількох одночасно вимірюваних однорідних величин отримують розв'язанням рівнянь, що пов'язують різні сполучення цих величин, які вимірюють прямо або опосередковано.

Сумісними називають непрямі вимірювання, в яких значення кількох одночасно вимірюваних різнорідних величин отримують розв’язанням рівнянь, які пов’язують їх іншими величинами, вимірюваними прямо або опосередковано.

Залежно від потрібної точності, вимірювання поділяють на такі класи:

- предезійні (точні, еталонні); - контрольно-преревірочні; - технічні.

Прецезійні (точні, еталонні) - вимірювання, результат яких повинен мати максимально допустиму точність при існуючому рівні науки і техніки.

Контрольно-перевірочні - вимірювання, похибка яких не повинна перевищувати деякого заданого значення (проводять під час виготовлення засобів вимірювань та при градуюванні їх шкал).

Технічні - вимірювання, результат яких має похибку, яку визначають похибкою засобів вимірювання.

Під методом вимірювання розуміють сукупність способів використання засобів вимірювальної техніки та принципів вимірювання для отримання вимірювальної інформації. Під принципом вимірювання йдеться про сукупність явищ, на яких засноване вимірювання, наприклад, вимірювання температури з використанням термоелектричного ефекту.

Вимірювання здійснюють двома методами:

- метод безпосереднього оцінювання; - метод порівняння з мірою.

Метод безпосереднього оцінювання (неодночасного порівняння) — це метод, у якому значення вимірюваної ФВ визначають безпосередньо за індикаторним пристроєм вимірювального засобу. Методи безпосереднього оцінювання часто називають методами неодночасного порівняння на цій підставі, що грунтуються на використанні вимірювальних приладів із заздалегідь проградуйованими в одиницях вимірюваної величини шкалами. До методів безпосереднього оцінювання належать прямі вимірювання, за винятком методів, що засновані на безпосередньому порівнянні розміру вимірюваної величини з розміром величини, що відтворюється, наприклад, вимірювання довжини за допомогою лінійки з поділками.

Метод порівняння з мірою (одночасного порівняння) - метод вимірювання, при якому вимірювану ФВ порівнюють з однорідною ФВ, яка відтворюється за допомогою міри.

Метод порівняння з мірою має кілька різновидів:

- метод зіставлення;

- метод збігу;

- метод зрівноваження з регульованою мірою;

- диференційний метод;

- метод заміщення.

Метод зіставлення полягає у прямому вимірюванні з одноразовим порівнянням вимірюваної величини зі всіма вихідними величинами багатозначної нерегульованої міри.

Метод збігу (метод ноніуса, метод одного збігу) - це метод прямого вимірювання з одноразовим порівнянням вихідних величин двох багатозначних нерегульованих мір з різними за значенням кроками, нульові позначки яких зсунуті між собою на вимірювану величину.

Основна шкала проградуйована в міліметрах, а шкала ноніуса має 10 поділок по 1,8 мм. Тому порядковий номер поділки ноніуса, що збігається з будь-якою поділкою основної шкали, дає число десятих часток міліметра.

Різновидом методу збігу є метод подвійного збігу. Метод подвійного збігу (метод коінциденції, coincidence - збіг) - це метод прямого вимірювання з одноразовим порівнянням двох ФВ:вимірюваної та відтворюваної; багатозначною нерегульованою мірою.

Метод зрівноваження з регульованою мірою (нульовий метод, null

method of measurement) - це метод прямого вимірювання з багаторазовим порівнянням вимірюваної величини та величин, що відтворюються регульованою мірою до їх повного зрівноваження.

Диференційний метод (різницевий метод, неповного зрівноважування) - метод, при якому невелика різниця між вимірюваною величиною й еталонною величиною, що виникає, вимірюється відповідним засобом вимірювання.

Метод заміщення - метод непрямого вимірювання, що полягає у порівнянні вимірювальної величини з мірою шляхом заміщення цієї вимірювальної величини відомою величиною, яка відтворюється мірою. За цим методом передбачається запам’ятовування ефекту дії на засіб вимірювання вимірювальної величини (тобто запам’ятовування значення величини вимірювального засобу), що потім відновлюється при заміщені вимірювальної величини регульованою багатозначною мірою.