41.Методы измерений и измерительные шкалы

Метод измерений – это совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Принципом измерений называется совокупность физических явлений, на которых основаны измерения.

Все методы измерений разделяются по приёмам получения результата на группы: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямыми называются измерения, результат которых получается непосредственно из опытных данных. При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах (измерение длины тела линейкой, массы при помощи весов и др.).

Косвенными называются измерения, при которых искомая величина непосредственно не измеряется, а её значение находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в результате прямых измерений (определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения).

Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка.

Совокупные измерения – это измерения нескольких однородных величин в различных их сочетаниях, значения которых определяют решением системы соответствующих уравнений (определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Совместные измерения – одновременные измерения двух или нескольких неоднородных величин для установления зависимости между ними.

В зависимости от используемых принципов и средств измерений совместные делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения с мерой.

Методом непосредственной оценки называют метод, по которому измеряемая величина определяется непосредственно – путём отсчёта или снятия показателя с измерительного устройства (инструмента). Разновидностью метода непосредственного измерения является экспертный метод.

К показывающим измерительным приборам непосредственной оценки относятся – манометры, динамометры, барометры, расходомеры, счетчики.

Преимуществом является быстрота процесса измерения, хотя точность измерений бывает обычно ограниченной.

Методы сравнения с мерой – это методы измерения, при которых измеряемая величина сравнивается с известной базовой или эталонной величиной. Результаты измерений выражаются в натуральных единицах измерений или в безразмерных единицах.

Шкалы измерений

Разнообразные проявления (количественные или качественные) любого свойства образуют множества, отображения элементов которых на упорядоченное множество чисел или в более общем случае условных знаков образуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений количественного свойства является шкалой ФВ. Шкала физической величины -— это упорядоченная последовательность значений ФВ, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

В соответствии с логической структурой проявления свойств различают пять основных типов шкал измерений:

1. Шкала наименований (шкала классификации). Отображает качественные свойства элементов и характеризуется только отношением эквивалентности. В шкалах наименований отсутствует понятия нуля, "больше" или "меньше" и единицы измерения. Шкалы наименований - качественные. Примером шкал наименований являются атласы цветов, предназначенные для идентификации цвета.

2. Шкала порядка (шкала рангов). Для нее характерно отношение эквивалентности и порядка. Является монотонно возрастающей или убывающей и позволяет установить отношение больше/меньше между величинами, характеризующими указанное свойство.

Q₁>Q₂>…>Q_n

В шкалах порядка существует или не существует нуль, но принципиально нельзя ввести единицы измерения, так как для них не установлено отношение пропорциональности и соответственно нет возможности судить во сколько раз больше или меньше конкретные проявления свойства.

Примеры шкал порядка: шкалы измерений твердости, баллов силы ветра, землетрясений.

3. Шкала интервалов (шкала разностей). Применяются для объектов, свойства которых удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности. Шкала интервалов состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало — нулевую точку. К таким шкалам относится летоисчисление по различным календарям, в которых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо рождество Христово и т.д. Температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта и Реомюра также являются шкалами интервалов.

На шкале интервалов определены действия сложения и вычитания интервалов. По шкале времени интервалы можно суммировать или вычитать и сравнивать, во сколько раз один интервал больше другого, но складывать даты каких-либо событий просто бессмысленно.

Шкала интервалов  величины Q  описывается  уравнением

Q = Q₀ + q[Q]

где q — числовое значение величины; Q₀ — начало отсчета шкалы; [Q] — единица рассматриваемой величины. Такая шкала полностью определяется заданием начала отсчета Q_o шкалы и единицы данной величины [Q].

4.      Шкала отношений. Эти шкалы описывают свойства эмпирических объектов, которые удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности (шкалы второго рода аддитивные), а в ряде случаев и пропорциональности (шкалы первого рода — пропорциональные). В шкалах отношений существует естественный нуль и по согласованию устанавливается единица измерения.

Шкалы отношений — самые совершенные. Они описываются уравнением 

Q = q[Q] ,

где Q — ФВ, для которой строится шкала,

[Q] — ее единица измерения, q — числовое значение ФВ. Переход от одной шкалы отношений к другой происходит в соответствии с уравнением q₂ = q₁ [Q₁]/[Q₂]

Примерами шкалы отношений являются шкала массы (второго рода) и термодинамическая температура(первого рода).

5.Абсолютные шкалы. Обладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеют естественное однозначное определение единицы измерения и не зависят от принятой системы единиц измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, ослабления, полезного действия и др. Для образования многих производных единиц в системе СИ используются безразмерные и счетные единицы абсолютных шкал.