2.1.1. Свойства физических величин

При измерении ФВ бесконечное множество ее размеров отображается на счетное подмножество в виде совокупности чисел Q. Числа Q – это результаты измерения, которые могут быть использованы для тех или иных математических операций. Совокупность таких чисел Q должна обладать такими свойствами:

1. Эквивалентности, т.е. числа Q должны быть одинаково именованными. Наименование является единицей ФВ или ее доли.

Единица ФВ [Q] – это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице. Она применяется для количественного выражения однородных ФВ.

2. Порядка - число , соответствующее большей по размеру величине > , должно быть больше числа , соответствующее величине . Для выполнения данного условия совокупность , …, должна быть упорядоченным множеством действительных чисел с естественным отношением порядка.

3. Аддитивности – число q, равное оценке суммарной измеряемой величины Q, возникающей в результате сложения составляющих однородных величин , должно быть равно сумме числовых оценок этих составляющих. Сумма именованных чисел должна быть равна именованному числу Q :

; при [Q] = [ ].

Если размеры единиц (размерность) у всех именованных чисел одинаковы, т.е. [Q] = [ ], то в этом случае используют такие понятия:

значение физической величины Q – это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц;

числовое значение физической величины q – отвлеченное число, выражающее отношение значения ФВ к соответствующей единице данной ФВ.

Уравнение

Q = q [Q] (2.2)

называют основным уравнением измерения.

Суть простейшего измерения состоит в сравнении размера ФВ с размерами многозначной меры q[Q]. В результате сравнения устанавливают, что

q [Q]< Q < (q+1) [Q].

Отсюда следует, что

Q = Int(Q/[Q]),

где Int(X) – операция выделения целой части числа Х.

Ограниченность числового значения q приводит при отображении ФВ Q к гомоморфизму, т.е. к неоднозначности при отображении. Гомоморфизм вносит вероятностный аспект в отображение не только случайной, но и постоянной величины и является причиной появления неизбежной методической погрешности измерения – погрешности квантования. Эта погрешность возникает из-за принципиального несовершенства измерения как метода отображения непрерывного размера величины числом с ограниченным количеством разрядов.

2. Шкалы измерений

Разнообразные проявления (количественные или качественные) любого свойства образуют множества чисел или условных знаков, называемых шкалами измерения этих свойств. Шкала измерения количественного свойства является шкалой ФВ.

Шкала величины – упорядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

Шкалы имеют такие признаки: отметка шкалы, цена деления шкалы и пределы измерения.

Отметка шкалы – знак на шкале (черточка, точка), соответствующая некоторому значению физической величины. У цифровых шкал отметками являются числа.

Цена деления шкалы – разность значений измеряемой величины, соответствующих соседним отметкам шкалы.

Пределы измерения – числовые значения физической величины, соответствующих нижней (левой) и верхней (правой)отметкам шкалы.

Различают 5 основных типов шкал измерений.

1. Шкала наименований (шкала классификации) – используются для классификации эмпирических объектов, свойства которых проявляются только в отношении эквивалентности. Эти свойства нельзя считать ФВ, поэтому шкалы такого вида не являются шкалами ФВ. Это самый простой тип шкал, основанный на приписывании качественным свойствам объектов чисел, играющих роль имен.

Примеры: номер завода, номер цвета и т.п..

Нумерация объектов по шкале наименований осуществляется по принципу: “не приписывай одно и то же число разным объектам”. Числа, приписанные объектам, могут быть использованы для определения вероятности или частоты появления данного объекта, но их нельзя использовать для суммирования и других математических операций.

Поскольку эти шкалы характеризуются только отношениями эквивалентности, то в них отсутствует понятие нуля, “больше” или “меньше” и единицы измерения.

2. Шкала порядка (шкала рангов) – обладает свойствами эквивалентности и порядка по возрастанию или убыванию ФВ. Шкала может быть монотонно возрастающей или убывающей и позволяет установить отношение больше/меньше между величинами. Эта шкала может иметь нуль, но она не имеет единиц измерения, т.к. для нее не установлено отношение пропорциональности и поэтому нельзя судить во сколько раз больше или меньше конкретные проявления свойства. К этим шкалам относятся условные шкалы, выраженные в условных единицах.

Примеры: шкала вязкости Энглера, 12-бальная шкала Бофорта для силы ветра.

В условных шкалах одинаковым интервалам между размерами ФВ не соответствуют одинаковые значения чисел, отображающих размеры. Эти числа позволяют оценить вероятности, моды, медианы, квантили, но их нельзя использовать для суммирования, умножения и др. математических операций. Определение значения величины при помощи шкал порядка нельзя считать измерением, т.к. эти шкалы не имеют единиц измерения – эту операцию следует считать оцениванием.

3. Шкала интервалов (шкала разностей) – обладает свойствами эквивалентности, порядка и аддитивности и состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало – нулевую точку.

Примеры: температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта, Реомюра; летоисчисление по различным календарям – от Рождества Христова, от сотворения мира и т.п.

Шкала интервалов позволяет складывать и вычитать интервалы, сравнивать, во сколько раз один интервал больше другого, но нельзя складывать, умножать, делить значения самих величин, например даты по тому или иному календарю.

Величина Q на шкале интервалов описывается уравнением

,

где q – числовое значение величины; - начало отсчета шкалы; - единица данной величины. Шкала полностью определяется заданием начала отсчета шкалы и единицы величины .

Существует два способа задания шкалы интервалов.

По первому способу выбираются два значения и величины, которые определены физически. Эти значения называют опорными точками или основными реперами, а интервал ( - ) – основным интервалом. Точка принимается за начало отсчета, а величина ( - )/n = - за единицу Q. При этом n – число делений – выбирается таким, чтобы было целой величиной.

Перевод из одной шкалы интервалов в другую производится по формуле

. (2.3)

Пример. Построить формулу перевода показаний со шкалы Фаренгейта на шкалу Цельсия, если по шкале Фаренгейта реперными точками являются: - температура таяния смеси льда, поваренной соли и нашатыря, равная 0 , и - температура человеческого тела. Единица измерения – градус Фаренгейта:

.

На шкале Цельсия - температура таяния льда, - температура кипения воды. Градус Цельсия:

.

Формула перехода получается по выражению (2.2). По шкале Фаренгейта температура таяния льда составляет 32 , а температура кипения воды 212 . Отсюда разность температур между температурами кипения воды и таяния льда по шкале Фаренгейта равна 180 . По шкале Цельсия эта разность составляет 100 . Следовательно, 100 = 180 и отношение размеров единиц

.

Начало шкалы Фаренгейта смещено относительно начала шкалы Цельсия на –32 , поэтому формула перевода единиц со шкалы Фаренгейта на шкалу Цельсия такова:

.

По второму способу единицей является некоторый интервал или его доля, а начало отсчета выбирают в зависимости от конкретных условий изучаемого явления.

Пример: шкала времени, в которой 1 с = 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. За начало отсчета принимается начало изучаемого явления.

4. Шкала отношений – обладает свойствами эквивалентности, порядка и аддитивности (шкалы второго рода – аддитивные), а в ряде случаев и пропорциональности (шкалы первого рода – пропорциональные).

Примеры: Шкала массы (второго рода); термодинамическая температура (первого рода).

С формальной точки зрения шкала отношений является шкалой интервалов с естественным началом отсчета и единицей измерения, установленной по соглашению. К значениям, полученным по этой шкале, применимы все арифметические действия, что важно при измерениях ФВ. Шкалы отношений – самые совершенные. Они описываются уравнением

.

Переход от одной шкалы к другой производится по формуле:

.

Таблица 2.2.

Основные типы шкал измерений

Тип шкалы	Единицы измерения	Свойства
		Эквивален-тности	Порядка	Аддитивности	Пропорцио-нальности
Наименований	-	+	-	-	-
Порядка (рангов)	Условные	+	+	-	-
Разностей	Метри-ческие	+	+	+	-
Отношений: 1-го рода 2-го рода
		+	+	-	+
		+	+	+	-
Абсолютная	Относи-тельные	+	+	+	+

5. Абсолютные шкалы – обладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеют естественное однозначное определение единицы измерения и не зависят от принятой системы единиц измерения (СИ, МКС и др.). Эти шкалы соответствуют относительным величинам.

Примеры: Коэффициенты усиления, ослабления и др.

Шкалы наименований и порядка относятся к неметрическим (концептуальным), а шкалы интервалов и отношений – к метрическим (материальным). Метрические и абсолютные относятся к разряду линейных.

Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стандартизации как самих шкал, так и, в необходимых случаях, способов и условий их однозначного воспроизведения.

2.2. Виды и методы измерений. Основные понятия (с. 24-32)

Измерение – сложный процесс, включающий в себя такие понятия, как:

• измерительная задача;

• объект измерения;

• принцип, метод и средство измерения и его модель;

• условия измерения;

• субъект измерения; результат и погрешность измерения.

Задача измерения – определение значения измеряемой ФВ с требуемой точностью в заданных условиях.

Объект измерения – реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми ФВ.

Субъект измерения – человек. Субъект выбирает принцип, метод и средство измерений.

Субъект принципиально не в состоянии представить себе объект целиком во всем многообразии его свойств и связей. Поэтому взаимодействие субъекта с объектом возможно только на основе математической модели объекта, представляющей собой совокупность математических соотношений между ФВ, которые адекватно описывают интересующие субъекта свойства объекта измерения.

Модель объекта измерения строится до выполнения измерения в соответствии с решаемой задачей на основе априорной информации об объекте и условиях измерения. Погрешность модели измерения не должна превышать допустимого значения. В противном случае модель должна быть заменена на другую, более точную.

Априорная информация – информация об объекте измерения, известная до измерения. При полном отсутствии такой информации измерение в принципе невозможно, т.к. неизвестно, ни что надо измерить, ни чем это можно измерить. При наличии априорной информации об объекте в полном объеме, т.е. при известном значении измеряемой величины, измерения просто не нужны.

Пример. Объект измерения – переменное напряжение. Цель измерения – оценка среднего значения напряжения.

Априорная информация - напряжение изменяется по закону, близкому к синусоидальному. Поэтому в качестве модели принимается функция синуса, в качестве параметра (измеряемой величины) – его среднее квадратичное значение, определяемое по формуле:

,

где и - амплитуда и циклическая частота переменного напряжения, соответственно.

При отсутствии априорной информации о законе изменения напряжения во времени значение измеряемой величины должно быть выражено функционалом вида

,

где Т – период функции.

Измерительная информация содержится в измерительном сигнале.

Измерительный сигнал – это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой ФВ. Сигнал поступает на вход средства измерения (СИ), где преобразуется в выходной сигнал. Выходной сигнал должен иметь форму, удобную либо для непосредственного восприятия субъектом, либо для последующей обработки и передачи.

Принцип измерений – физический эффект или явление, на котором основано измерения (например, эффект Доплера).

Метод измерения – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с выбранным принципом измерения. Методы измерения классифицируют по различным признакам. Традиционная классификация метрологического анализа основана на таких признаках:

1. Физический принцип, положенный в основу измерения. По этому признаку методы измерений делят на электрические, магнитные, акустические, оптические, механические и т.д.

2. Режим взаимодействия средства и объекта измерений. По этому признаку методы измерений делят на статические и динамические.

3. Вид измерительных сигналов. По этому признаку методы делят на аналоговые и цифровые.

Существуют и другие классификации методов измерений, например, по основным измерительным операциям, ориентированная на структурное описание средств измерений; по совокупности приемов использования принципов и средств измерений – методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Метод измерений реализуется в средстве измерений (СИ) – техническом средстве, предназначенном для измерений и позволяющее решать измерительную задачу путем сравнения измеряемой величины с единицей или шкалой ФВ.

Средство измерений является обобщенным понятием, объединяющим самые разнообразные конструктивно законченные устройства, которые обладают одним из двух признаков:

• вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о размере (значении) измеряемой величины;

• воспроизводят величину заданного (известного) размера.

При использовании СИ важно знать степень соответствия выходной измерительной информации истинному значению измеряемой величины. Установлению степени соответствия помогают метрологические характеристики - это характеристики свойств СИ, которые оказывают влияние на результат измерений и его погрешности. Метрологические характеристики позволяют оценить уровень и качество СИ и результатов измерений, дать расчетную оценку инструментальной составляющей погрешности измерений.

Средства измерений могут быть элементарными (меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи) и комплексными (регистрирующие и показывающие измерительные приборы, системы, измерительно-вычислитель­ные комплексы).

Алгоритм измерения – точное предписание о порядке выполнения операций, обеспечивающих измерение физической величины.

Погрешность результата измерений – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Погрешность средства измерения – разность между показаниями средства измерения и истинным значением измеряемой величины.

Важную роль в процессе измерений играют условия измерения – совокупность влияющих величин, определяющих состояние окружающей среды и средства измерений. Влияющая величина – физическая величина, не измеряемая данным СИ, но оказывающая влияние на его результаты.

Изменение условий измерения приводит к изменению состояния как объекта измерения, так и характеристик средства измерений. Влияние на объект измерений сказывается на выделенную ФВ, что приводит к отклонению действительной величины от той, которая была определена при формировании измерительной задачи. Влияние на СИ приводит к появлению дополнительной погрешности.

В зависимости от диапазона влияющих величин различают нормальные, рабочие и предельные условия измерений.

Нормальные условия измерений задаются в нормативно-технической документации на СИ. При нормальных условиях определяется основная погрешность данного СИ.

Рабочие условия измерений– это область значений влияющей величины, в пределах которой нормируется дополнительная погрешность или изменение показаний СИ.

Предельные условия измерений – это условия, которые может выдержать СИ без разрушения и ухудшения его метрологических характеристик.

Конечной целью любого измерения является его результат – значение ФВ, полученное путем его измерения. Результат измерения представляется именованным или неименованным числом. Совместно с результатом измерений при необходимости приводят данные об условиях измерений.

Под результатом измерения может пониматься непосредственное показание СИ – не исправленный результат – и исправленный результат, полученный путем внесения в показания СИ поправок – систематических погрешностей.

Качество измерений характеризуют точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью, воспроизводимостью и размером допускаемых погрешностей.

Точность измерения – характеристика качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности его результата измерения.

Достоверность измерений определяет степень доверия к результату измерения и характеризует вероятность того, что истинное значение измеренной величины находится в указанных пределах. Такая вероятность называется доверительной

Р_д(х_н ≤ х_и ≤ х_в) = 1 – q. (2.4)

Здесь х_и – истинное значение измеряемой величины; х_н и х_в – нижняя и верхняя границы доверительного интервала; q – уровень значимости критерия ошибки.

Правильность измерений – характеристика измерений, отражающая близость к нулю систематических погрешностей результатов измерений.

Сходимость результата измерений – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполняемых повторно одними и теми же методами и средствами измерений в одних и тех же условиях. Другими словами, сходимость отражает влияние случайных погрешностей на результат измерений.

Воспроизводимость результатов измерений – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами и средствами измерений, разными субъектами, но приведенными к одним и тем же условиям (температура, давление, влажность и др.).

1. Классификация измерений (с. 26-29)

Измерения классифицируют по ряду признаков:

- по способу получения результата измерений – прямые, косвенные, совместные и совокупные измерения;

- по отношению к изменению измеряемой величины во времени – статические и динамические измерения;

- по характеристике точности – равноточные и неравноточные измерения;

- по числу измерений в ряду измерений – однократные и многократные измерения;

- по выражению результата измерений – абсолютные и относительные измерения;

- по метрологическому назначению – технические и метрологические измерения.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно из опытных данных. Прямое измерение можно выразить формулой

Y = x, (2.5)

где x – значение величины, найденное путем ее измерения и называемое результатом измерения.

Косвенное измерение – определение искомого значения физической величины по известной функциональной зависимости ее с другими физическими величинами, значения которых получены путем прямых измерений:

Y = F(x₁, x₂, x₃, … x_n), (2.6)

где x₁, x₂, x₃, … x_n – значения величин, полученных с помощью прямых измерений.

Пример: Значение сопротивления резистора находится по формуле R = U/I, где падение напряжения U и ток I получены путем прямых измерений.

Совместные измерения – одновременно проводимые измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними.

Пример: Для нахождения зависимости сопротивления резистора от температуры

R_t = R₂₀[1+t-20+t-20)²]

измеряют сопротивление резистора при трех температурах t₀, t₁ и t₂, составляют систему из трех уравнений и находят значения R₂₀ – сопротивления резистора при t₀=20⁰C и температурных коэффициентов  и .

Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых их значения определяют путем решения системы уравнений, получаемых при прямых или косвенных измерениях различных сочетаний этих величин.

По сути, совокупные измерения – это одновременно проводимые косвенные измерения. При этом решают следующую систему уравнений:

F(у₁, у₂, у₃, … у_n, x₁₁, x₁₂, x₁₃, … x_1m) = 0;

F(у₁, у₂, у₃, … у_n, x₂₁, x₂₂, x₂₃, … x_2m) = 0;

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.7)

F(у₁, у₂, у₃, … у_n, x_n1, x_n2, x_n3, … x_nm) = 0,

где у_i – искомые величины; x_ij – значения измеренных величин.

Косвенные, совместные и совокупные измерения объединены общим свойством: их результаты рассчитывают по известным функциональным зависимостям между измеряемыми величинами и величинами, определяемыми прямыми измерениями. Различие – лишь в виде функциональной зависимости, используемой при расчетах: при косвенных измерениях используется одно уравнение в явном виде (2.6), а при совместных и совокупных – система неявных уравнений типа (2.7). Совместные измерения можно рассматривать как обобщение косвенных, а совокупные – как обобщение прямых измерений. Поэтому далее рассматриваются только прямые и косвенные измерения.

Статическое измерение – измерение ФВ, принимаемой за неизменную во времени.

Динамическое измерение - измерение ФВ, изменяющейся во времени. При этом измерения величины проводят с точной фиксацией момента времени. В этом случае говорят об измерении мгновенного значения измеряемой величины. По совокупности мгновенных значений измеряемой величины и соответствующим им моментам времени устанавливается закономерность изменения измеряемой величины во времени.

Равноточные измерения – измерения ФВ, выполненные одинаковыми по точности СИ в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

Неравноточные измерения – измерения ФВ, выполненные различными по точности СИ и (или) в разных условиях.

Однократные измерения – измерения, выполняемые один раз.

Многократные измерения – измерения одного и того же размера ФВ, следующие друг за другом. Можно сказать, что многократные измерения – это ряд равноточных однократных измерений.

Многократными называют измерения, выполненные более четырех раз. Обработка многократных измерений производится статистическими методами. Целью многократных измерений является уменьшение случайной погрешности измерения.

Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких величин с использованием значений физических констант. Результат абсолютного измерения выражают в единицах измеряемой величины.

Относительное измерение – измерение отношения определяемой величины к одноименной, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемую за исходную (базовую). Например: измерение активности радионуклида в источнике по отношению к активности радионуклида в однотипном источнике, аттестованном в качестве образцовой меры активности.

Технические измерения – измерения, проводимые рабочими СИ. технические измерения выполняются в целях контроля и управления научными экспериментами, технологическими процессами, движением транспорта и т.д.

Метрологические измерения – измерения, выполняемые при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью воспроизведения единиц ФВ для передачи их размера рабочим СИ (например, при поверке рабочих средств измерений)..

При метрологических измерениях обязательно учитываются погрешности, а при технических – принимается наперед заданная погрешность, достаточная для решения данной практической задачи. Поэтому при технических измерениях погрешности не определяются и не анализируются. Технические измерения являются наиболее массовыми.

2. Основные методы измерений (с. 29-32)

Конкретные методы измерений физических величин определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводятся измерения, и др. признаками.

Современные методы измерений можно классифицировать по способу применения меры при получении значения измеряемой величины и по способу преобразования измеряемой величины и форме представления результата измерения.

По способу применения меры при получении значения измеряемой величины методы измерений принято делить на метод непосредственной оценки и метод сравнения.

При методе непосредственной оценки численное значение измеряемой физической величины определяют непосредственно по показанию измерительного прибора. Быстрота процесса измерения ФВ этим методом делает его часто незаменимым на практике, несмотря на часто ограниченную точность.

Метод сравнения – метод измерений, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Пример: измерение напряжения термоЭДС путем сравнения с ЭДС эталонного (опорного) элемента.

Приборы, реализующие измерение по методу сравнения, называют измерительными приборами сравнения. Эти приборы обеспечивают большую точность, чем приборы непосредственной оценки.

Разновидности метода сравнения:

- нулевой метод, при котором действие измеряемой величины полностью уравновешивается образцовой;

- дифференциальный метод, когда измеряется разница между измеряемой величиной и близкой ей по значению известной эталонной (например, измерение электрического сопротивления методом неуравновешенного моста). Этот метод сравнения применяют тогда, когда практическое значение имеет отклонение измеряемой величины от некоторого номинального значения (уход частоты, отклонение напряжения и т.п.);

- метод замещения, при котором действие измеряемой величины замещается образцовой.

Из всех методов сравнения наиболее точный – нулевой метод. разновидности нулевого метода:

- компенсационный метод, при котором действие измеряемой величины компенсируется (уравновешивается) образцовой;

- мостовой метод, когда достигают нулевого значения тока в измерительной диагонали моста, в которую включается нуль-индикатор.

По способу преобразования измеряемой величины и форме представления результата измерения методы делят на аналоговые и цифровые.

При аналоговых измерениях физических величин измерительный прибор непрерывно преобразует измеряемую величину в определенный сигнал, в результате чего указатель также непрерывно перемещается относительно шкалы. Заключение о численном значении величины делает оператор, отмечая положение указателя относительно отметок шкалы прибора.

При цифровых измерениях сравнение измеряемой физической величины с образцовыми значениями осуществляется в приборе автоматически, оператор же получает численное значение величины в цифровой форме.

2.3. Общие сведения о средствах измерений (с. 32-36)

Средство измерений – техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени.

Средство измерений (за исключением некоторых мер – гирь, линеек и пр.) в простейшем случае производит две операции: обнаружение физической величины; сравнение неизвестного размера с известным или сравнение откликов на воздействие известного и неизвестного размеров.

Приведенное определение содержит метрологическую суть средства измерений, заключающуюся в следующем: 1) в «умении» хранить (или воспроизводить) единицу физической величины; 2) в неизменности размера хранимой единицы величины. Эти важнейшие факторы и обуславливают возможность выполнения измерения (сопоставления с единицей), т.е. «делают» техническое средство средством измерения.

Отличительной особенностью средств измерений от других технических устройств является наличие установленных (нормированных) метрологических характеристик.

Метрологическая характеристика средств измерений – характеристика одного из свойств средств измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность.

Метрологические характеристики выделены в особую группу характеристик средств измерений. К ним относятся пределы измерений, класс точности, рабочая полоса частот и т.п.

К неметрологическим (техническим) характеристикам относятся потребляемая мощность, размеры, цвет и др. характеристики, не оказывающие влияния на результат измерения физической величины.

Средства измерений (в РФ эксплуатируется более 1,5 млрд. средств измерений) являются основой метрологического обеспечения измерений.

Действие средств измерений основаны на использовании различных физических явлений и эффектов, например, пьезо-, термо- и фотоэлектрических эффектов, эффектов Холла, Фарадея и др.

Измерять с приемлемой точностью можно при условии, что средство измерений обеспечивает хранение (воспроизведение) единицы измеряемой величины неизменной как во времени, так и под воздействием влияния окружающей среды. Выполнимость этого условия необходимо контролировать.

Средства измерений классифицируют по ряду признаков:

- по роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений различают метрологические и рабочие средства измерений;

- по уровню автоматизации: неавтоматические, автоматизированные и автоматические;

- по функциональному назначению: меры, устройства сравнения, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы.

Метрологические средства измерений предназначены для метрологических целей – воспроизведения единицы и (или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим средствам измерений.

Рабочее средство измерений – средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. Рабочие средства измерений составляют основной парк средств измерений.

В неавтоматических средствах измерений все измерительные операции производятся оператором (например, взвешивание на весах, измерение термоЭДС компенсационным методом и др.)

Автоматизированные средства измерений одну или часть измерительной операции производят в автоматическом режиме

Автоматические средства измерений все операции, связанные с обработкой результатов измерений, регистрацией, передачей и хранением данных или выработкой управляющих сигналов, производят в автоматическом режиме.

Мера – средство измерений, воспроизводящее физическую величину заданного размера (значения). Различают меры однозначные (гиря, конденсатор постоянной емкости, резистор постоянного сопротивления и т.д.); многозначные (конденсатор переменной емкости): наборы мер (магазин сопротивлений).

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера. К ним относятся стандартные образцы. Существуют стандартные образцы состава и стандартные образцы свойств.

Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера.

Набор мер – специально подобранный комплект однотипных элементов, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях для воспроизведения ряда одноименных величин разного размера. Набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях, называется магазином мер (магазин сопротивлений, магазин индуктивностей).

Устройство сравнения (компаратор) – средство измерений, позволяющее сравнивать друг с другом меры однородных физических величин или показания измерительных приборов. В качестве устройства сравнения применяется фотореле, включающее (выключающее) уличное электрическое сопротивление.

Измерительный преобразователь – средство измерений, вырабатывающее сигнал измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию оператора.

Измерительные преобразователи различаются по виду входных и выходных величин:

- аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;

- аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

- цифро-аналоговые (ЦАП), преобразующие цифровой код в аналоговый сигнал.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки определенного вида сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия оператором.

По форме преобразования используемых измерительных сигналов приборы делят на аналоговые и цифровые.

Аналоговый измерительный прибор – средство измерений, показания которого являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины.

Цифровой измерительный прибор (ЦИП) – средство измерений, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации и показания которого представлены в цифровой форме.

Достоинства ЦИП:

- удобство и объективность отсчета измеряемых величин;

- высокая точность результатов измерений;

- широкий динамический диапазон;

- высокое быстродействие и возможность автоматизации процесса измерения.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. Измерительную установку, применяемую для поверки средств измерений, называют поверочной, а входящую в состав эталона – эталонной установкой.

Измерительная система (ИС) – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, компьютеров и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

Условно ИС делят на информационно-измерительные системы (ИИС), измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) и виртуальные приборы (компьютерно-измерительные системы - КИС).

Информационно-измерительные системы – совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному оьъекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования ее в автоматических системах управления.

Информационно-измерительные комплексы – функционально объединенная совокупность средств измерений, компьютера и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

Виртуальный прибор (компьютерно-измерительная система) состоит из персонального компьютера с программным обеспечением и встроенной в него аналого-цифровой платой сбора данных.