Лекция 2. Основные метрологические понятия

И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

Основные понятия и определения метрологии

 

Измеряют количественные и качественные свойства объектов (процессов). Измеряемая величина – измеряемое свойство объекта или процесса, общее в качественном отношении, но в количественном различное для каждого объекта (процесса).

Измерение – это нахождение значений физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств, называемых средствами измерений, носящих размеры единиц или шкал.

Понятие «шкала величины» вводится для оценивания физических величин, для которых в принципе невозможно ввести единицы величин. При этом большое количество физических величин было бы вне практической метрологии. Для разрешения этого противоречия вводится понятие «шкала величины».

Шкала величины – это упорядоченная совокупность размеров величины, которым условно присвоены определенные значения, применяемая для количественного выражения однородных с ней величин.

В соответствии со структурой проявления свойств различают пять основных типов шкал.

1. Шкала наименований. Такие шкалы используются для классификации объектов, свойства которых проявляются в отношении эквивалентности (равенства). В этих шкалах отсутствуют понятия «больше» или «меньше» нуля и единицы, т. е. они не могут быть охарактеризованы количественно. В отношении двух объектов можно утверждать: А тождественно (равно) Б или А не тождественно (не равно) Б. Примером такой шкалы является шкала классификации цвета объектов по наименованиям (красный, зеленый). Она опирается на стандартизированные атласы набора цветов.

2. Шкала порядка или рангов. Эта шкала является монотонно возрастающей или убывающей. Ей присущи отношения эквивалентности и порядка (А больше Б или А меньше Б) между величинами. В шкале можно установить иерархию объектов относительно описываемого свойства. Примером такой шкалы является шкала Мооса для определения твердости минералов. Она содержит 10 реперных минералов, и оценивание твердости объекта осуществляется путем его царапания реперными минералами.

3. Шкала интервалов или разностей. Применяется для объектов, свойства которых удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности разностей величин (аддитивные – однородные физические величины, значения которых могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент, разделены друг на друга). К таким шкалам относят температурные шкалы, летоисчисление по календарям. Шкалы интервалов имеют условные нули и единицы. Например, для термодинамической температуры реперами являются тройная точка воды и абсолютный нуль. В шкале интервалов сумма не имеет физического смысла.

4. Шкала отношений. Описывает свойства объектов, которые удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности (шкалы массы, длины, силы тока и др.). Они имеют условные единицы и естественные нули. В шкале отношений имеют смысл не только разности, но и сумма величин.

5. Абсолютные шкалы. При измерении относительных величин (отношений одноименных величин: молярная доля содержания компонента, коэффициент мощности, коэффициент трения и т. д.) единицы величин вводятся естественным способом.

Измерения содержат 4 признака данного понятия:

1). измеряются только физические величины;

2). измерение – это всегда эксперимент;

3). измерение – это обязательно применение средств измерений;

4). измерение – это определение значения величины, т. е. сопоставление величины с ее единицей.

Измерения могут классифицироваться по точности: равноточные и неравноточные; по числу измерений: однократные – менее четырех и многократные – четыре и более; по характеру изменения измеряемой величины: статические – неизменные на протяжении времени измерения и динамические – функционально зависимые от времени; по цели измерений: технические, т. е. измерения с целью получения информации о свойствах объекта, и метрологические – измерения с целью обеспечения единства и требуемой точности измерений с использованием эталонов; по используемым размерам: абсолютные и относительные (абсолютные используют прямое измерение одной основной величины и физические константы, относительные базируются на установлении отношения измеряемой величины, применяемой в качестве единицы); по способу получения: прямые, при которых физическая величина связывается с ее мерой, и косвенные, когда искомое значение физической величины устанавливается по результатам прямых измерений; совокупные, когда используется система уравнений, составляемых по результатам измерения нескольких однородных величин, и совместные, когда одновременно измеряется несколько неоднородных величин для нахождения зависимости между этими величинами.

Средством измерений называют используемое при измерении техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики (свойства). Наличие метрологических свойств означает слудующее:

cредство измерений способно хранить и воспроизводить единицу (или шкалу);

размер этой единицы остается неизменным в течение определенного времени.

Исходя из этого можно сделать следующие выводы:

1) измерять можно лишь в том случае, если техническое средство способно хранить единицу, стабильную по размеру и неизменную во времени;

2) средством измерения техническое средство становится только после передачи ему единицы величины от другого более точного средства измерения (эта процедура носит название калибровки средств измерения);

3) необходимо периодически контролировать размер единицы, хранимый средством измерения, и при необходимости восстанавливать его путем проведения новой калибровки.

Схема прямого измерения включает:

1) преобразование измеряемой величины в другую величину, однородную или неоднородную с ней;

2) воспроизведение величины заданного размера, примерно равного размеру величины;

3) сравнение однородных величин и определение их разности;

4) формирование результата измерений путем его сравнения с калибровочной зависимостью средств измерений, играющей роль памяти.

Для первой операции необходим измерительный преобразователь (ИП) – средство измерения, предназначенное для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи, но неподдающийся непосредственному восприятию наблюдателем.

При второй измерительной операции воспроизведение величины заданного размера осуществляется посредством меры величины.

Меройфизической величины называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких размеров, значения которых известны с необходимой точностью. Примером является штриховая мера длины. Меры подразделяются на однозначные и многозначные. Однозначные меры хранят один размер величины, многозначные – несколько размеров.

В измерительной практике применяются наборы мер и магазинымер. В первом случае примером является набор концевых мер длины, во втором – набор мер в одном устройстве, примером которого является магазин электрических сопротивлений.