Понятие измерения. Типы шкал. Классификация измерений

Измерение – это совокупность действий, выполняемых при помощи средств измерений с целью нахождения числового значения измеряемой величины в принятых единицах величин.

В более широком понимании измерение представляет собой процедуру количественной или качественной оценки того или иного свойства. Измерение становится возможным, если удается сформировать шкалу рассматриваемого свойства с учетом множества его различных проявлений. Слово «шкала» происходит от латинского «scala – лестница», и означает ряд последовательных значений измеряемой величины в восходящем или нисходящем порядке, которые приняты для измерения.

Свойство рассматривают как некую систему, между элементами которой действуют различные отношения: отношения эквивалентности (равенства), отношения порядка (больше, меньше), отношения аддитивности (суммирования).

В теории измерений рассматривают 5 различных типов шкал:

- шкалы наименований;

- шкалы интервалов (шкалы разностей);

- шкалы отношений;

- шкалы порядка (шкалы рангов);

- абсолютные шкалы.

Шкалы наименований – это качественные шкалы, которые соответствуют свойствам только с отношениями эквивалентности. К этим свойствам нельзя применить термин «размер», но они могут быть определены и идентифицированы. Например, наименование или обозначение цвета по атласу цветов.

Шкалы порядка – соответствуют свойствам, для которых могут быть установлены отношения эквивалентности и отношения порядка по возрастанию или уменьшению количественного проявления свойства, но единицы измерения ввести нельзя. Это шкалы с балльной оценкой (сила землетрясения, сила ветра, твердость минералов и металлов).

Шкалы интервалов – соответствуют свойствам с отношениями эквивалентности, порядка и аддитивности. Шкалы интервалов имеют условный ноль, заданные значения интервалов и единицу измерения.

Например, шкала времени имеет условный ноль и установленные интервалы. Единица измерения воспроизводится непосредственно как интервал времени – с, мин, час, сутки и т.д. К шкале интервалов относится температурные шкалы Цельсия и Фаренгейта. Шкала Цельсия имеет условный ноль (температуру замерзания воды или таяния льда) и заданный интервал (100 градусов Цельсия – температура кипения воды). В шкале Фаренгейта началом отсчета является температура смеси льда, поваренной соли и нашатыря. В качестве второй опорной точки выбрана температура тела человека. Единица температуры по Фаренгейту – градус Фаренгейта, определяется как одна девяносто шестая часть полученного интервала. Температура таяния льда по Фаренгейту равна 32 градусам, температура кипения воды – 212 градусов.

Шкалы отношений – соответствуют свойствам с отношениями эквивалентности, порядка и аддитивности. Шкалы отношений считаются наиболее совершенными, так как имеют естественный ноль и единицы измерения, которые принимают по согласованию. Например, температурная шкала Кельвина имеет физически определенный ноль (абсолютный ноль – наиболее низкая возможная температура). Кельвин является одной из основных единиц СИ (до 1968 г. называлась градус Кельвина). 1 К = 1 градусу Цельсия (по определению Кельвин – это единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды, то есть точки сосуществования трех агрегатных состояний воды – жидкого, твердого и газообразного. Тройная точка воды соответствует 0,01 градуса Цельсия. Шкалами отношений также являются шкалы многих физических величин – массы, длины, силы электрического тока и др. С помощью шкал отношений возможны все арифметические операции с измеряемыми величинами: сложение, вычитание, умножение и деление.

Шкалы порядка – соответствуют свойствам с отношениями эквивалентности и порядка (по возрастанию или уменьшению количественного проявления свойства), но единицы измерения ввести нельзя. Эти величины не измеряют, а оценивают. Шкалы порядка имеют балльную оценку. Например, шкала силы землетрясения, шкалы твердости минералов и металлов, шкалы серых и синих эталонов оценки устойчивости окраски и др.

Абсолютные шкалы -соответствуют свойствам с отношениями эквивалентности, порядка и аддитивности, имеющие естественное однозначное определение единицы измерения. Например, шкала измерения плоских углов в радианах (радиан – это центральный угол, соответствующий дуге, длина которой равна ее радиусу).

Измерения классифицируют по нескольким классификационным признакам.

По числу выполненных наблюдений или снятых показаний измерения делят на однократные и многократные.

Однократным называют измерение, выполненное один раз. Например, снятие размерных признаков тела человека.

Многократным называют измерение, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений (то есть состоящее из ряда однократных измерений). Многократное измерение выполняют с целью снижения погрешности. Например, определение Рр и Ер ткани по стандартной методике предусматривает использование 3 проб по основе и 4 проб по утку.

В зависимости от способа получения результата измерения делят на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Прямыми называют измерения, в которых искомое значение находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение длины, массы и т.д.

Косвенными называют измерения, в которых искомое значение находят по результатам прямых измерений других величин, которые связаны с искомой определенной зависимостью. Например, определение линейной плотности нитей:

Т=m/L, текс.

 

Совместными называют производимые одновременно измерения двух или нескольких разноименных величин для установления функциональной зависимости между ними. Например, одновременное определение Р и l для построения кривой «деформация – усилие» и нахождения зависимости Р=f(l).

Совокупными называют измерения, в которых значения измеряемых величин находят решением системы уравнений, составленной по данным измерений нескольких одноименных величин. Примером является определение масс отдельных гирь в наборе по известной массе одной из них и по результатам определения масс различных сочетаний гирь.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения подразделяют на статические и динамические.

Статическими называют измерения, при которых измеряемая величина принимается за неизменную на время проведения измерения. Например, измерение Рр и Ер является статическим.

Динамическими называют измерения, при которых измеряемая величина изменяется со скоростью, превышающей возможности средства измерений отслеживать ее изменения. В этом случае возникает дополнительная динамическая составляющая погрешности, обусловленная инерционными свойствами измерительного прибора. Например, измерение дискретных значений Р и Е при растяжении пробы; измерение нарастающей влажности воздуха в корпусе установки при определении паропроницаемости материалов.

По уровню точности измерения делят на измерения максимально возможной точности, контрольные и технические (рабочие).

Измерения максимально возможной точности выполняют в метрологических центрах при создании и эксплуатации эталонов, а также в научных исследованиях по определению значений констант, стандартных справочных данных и т.д.

Контрольные измерения выполняют при поверке и калибровке средств измерений. Погрешность таких измерений не должна превышать некоторое заданное контрольное значение.

Технические (рабочие) измерения выполняют в промышленности с помощью рабочих средств измерений.

По особенностям обработки результатов измерения делят на равноточные и неравноточные.

Равноточными называют измерения, выполненные одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях.

Неравноточными называют измерения, выполненные различающимися по точности средствами измерений и/или в разных условиях.

 

Системы единиц

Система единиц – совокупность основных (независимых) и производных единиц величин.

Впервые принцип построения такой системы разработал немецкий ученый Гаусс в 1832 г. Разработанная им система получила название абсолютной и включала три основные единицы – миллиметр, миллиграмм и секунду. Абсолютная система не получила широкого распространения, но принцип ее построения используется до настоящего времени.

Принцип построения систем единиц заключается в том, что выбираются независимые друг от друга основные физические величины. Их единицы измерения называются основными единицами величин. Остальные величины называются производными, их единицы измерений - производными единицами величин. Производные единицы величин устанавливают через основные с использованием известных физических законов и соотношений. Эти соотношения в метрологии называют уравнениями связи между величинами.

Международная система единиц СИ разработана по решению ГКМВ и первоначально (в 1960 г.) включала шесть основных единиц. Позднее была добавлена седьмая основная единица – количество вещества – моль, а затем две дополнительные единицы – радиан и стерадиан. Система СИ нашла свое отражение в международных стандартах ИСО и государственном стандарте РФ.

Основные единицы СИ:

- метр (м) – единица длины (L), равная пути, пройденному в вакууме светом за интервал времени 1/299 792 458 с;

- килограмм (кг) – единица массы (М), равная массе международного прототипа килограмма (прототип килограмма представляет собой гирю в виде прямого цилиндра диаметром и высотой 39 мм из сплава платины и иридия);

- секунда (с) – единица времени (Т), равная 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133;

- ампер (А) – единица силы электрического тока (I). Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2*10^-7 Н;

- кельвин (К) – единица термодинамической температуры (Θ – греч, тэта ), равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (то есть точки сосуществования льда, воды и пара, которая соответствует 0,01 градуса Цельсия или 273,16 К);

- кандела (кд) – единица силы света (J). Кандела есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540,10¹² Гц, электрическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (Ватт на стерадиан);

- моль (моль) – единица количества вещества (N). Моль – это количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

Дополнительные единицы:

- радиан (рад) – единица измерения плоского угла, равная внутреннему углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу;

- стерадиан (ср) – единица измерения телесного угла. Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности этой сферы площадь, равной площади квадрата со стороной, равной радиусу.

Одновременно с принятием системы СИ ГКМВ приняла десятичные кратные и дольные приставки к единицам. Приставка означает, что единица умножена на десять в целой положительной или отрицательной степени. Новая единица называется кратной или дольной (кратно превышающей или составляющей долю от исходной единицы). Из многообразия кратных и дольных единиц выбирают единицу, позволяющую получать числовые значения, удобные для применения на практике – в диапазоне от 0,1 до 1000.

 

Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц, и их наименования

Множитель	Наименование	Обозначение
106	мега	М
103	кило	к
102	гекто	г
101	дека	да
10-1	деци	д
10-2	санти	с
10-3	милли	м
10-6	микро	мк
10-9	нано	н

 

Примеры: МПа, кН, гПа, даН, дм, см, мм, мкм, нм.

 

ГКМВ признало использование некоторых внесистемных единиц наравне с единицами СИ из-за их практической важности – минута (мин), час (ч), литр (л) и некоторые другие.

На практике для удобства применяются не только системные и допущенные внесистемные единицы величин. Например, значение атмосферного давления и кровяное давление человека привычно указывают в миллиметрах ртутного столба, а не в Па; мощность двигателей автомобилей - в лошадиных силах, а не в киловаттах и т.д.

 

Вопросы для самоконтроля

1. С помощью каких шкал можно выполнить наибольшее количество действий:

- шкал наименований;

- шкал интервалов;

- шкал отношений;

- шкал порядка;

- абсолютных шкалы.

 

2. Физической величиной, на множестве значений которой возможно выполнение операций, подобных сложению и вычитанию, является:

- сила электрического тока;

- коэффициент линейного расширения;

- твердость минералов;

- сила ветра.

3. Измерения, выполненные различающимися по точности средствами измерений и/или в разных условиях, называются:

- однократными;

- многократными;

- прямыми;

- косвенными;

- неравноточными.

4. Измерение, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений (то есть состоящее из ряда однократных измерений):

- многократное;

- прямое;

- косвенное;

- совместное;

- совокупное.

5. Из приведенных единиц измерения основными единицами величин являются:

- метр, м

- килограмм, кг

- джоуль, Дж

- ампер, А

- градус, град

- кельвин, К

- секунда, с

- моль

- кандела, кд

 

 

Средства измерений

Средство измерений – техническое средство, которое предназначено для измерений и имеет нормированные метрологические характеристики. К метрологическим характеристикам относят характеристики средства измерений, которые влияют на результат измерений и его погрешность.

Средства измерений выполняют одну из двух функций:

- воспроизводят величину заданного размера (гири, линейки);

- вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о значении измеряемой величины.

Показания средства измерений могут непосредственно восприниматься органами чувств человека (например, показания стрелочного или цифрового прибора), либо преобразуются другими техническими средствами в сигнал, удобный для восприятия (например, записывающими устройствами).

Средства измерений подразделяют на меры, измерительные преобразователи (датчики), измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и/или хранения величины одного или нескольких размеров, значения которых выражены в установленных единицах с необходимой точностью. Например, гиря воспроизводит один размер, штриховая мера длины – линейка – воспроизводит несколько размеров.

Измерительный преобразователь (датчик) – это средство измерений, предназначенное для преобразования сигналов измерительной информации в форму, удобную для восприятия или дальнейшего преобразования. Например, температурные полоски, тензометрические датчики.

Измерительный прибор – это средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой величины в установленном диапазоне и выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия. По форме представления измерительной информации различают показывающие и регистрирующие приборы. Показывающие приборы позволяют производить отсчет или считывание показаний. Например, стрелочные или цифровые приборы. Регистрирующие приборы записывают информацию на каком-либо носителе. Например, гигрограф записывает кривую изменения влажности воздуха на специальной бумаге в течение суток.

По форме преобразования измерительных сигналов приборы подразделяют на аналоговые и цифровые. Аналоговые приборы имеют показания в виде непрерывной функции изменения измеряемой величины. Например, к аналоговым относятся разрывные машины с маятниковым силоизмерителем, стрелочные тонометры и др. Цифровые приборы автоматически преобразуют результаты измерения непрерывной величины в дискретные сигналы, которые отображаются в виде чисел на цифровом индикаторе (в силу этого существуют отличия в определении и нормировании метрологических характеристик цифровых приборов по сравнению с аналоговыми). Например, разрывные машины с цифровой индикацией, цифровые тонометры и др.

Измерительная установка – это совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для измерения одной или нескольких величин, расположенная в одном месте. Например, установка с эксикаторами для определения паропроницаемости.

Измерительная система - это совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и соединенных между собой каналами связи, предназначенная для измерения одной или нескольких величин.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для измерения одной или нескольких величин, расположенная в одном месте – это средство измерений, которое называется:

- мера,

- измерительный преобразователь (датчик),

- измерительный прибор,

- измерительная установка,

- измерительная система

2. Разрывная машина Р-50, которая имеет цифровые табло для отображения значений нагрузки и деформации проб и самописец для построения кривой «нагрузка-деформация» относится к:

- показывающим измерительным приборам,

- регистрирующим измерительным приборам,

- аналоговым измерительным приборам,

- цифровым измерительным прибором.