Содержание этапов 1) и 2), предваряющих измерительный эксперимент, - это поиск ответов на ряд последовательно поставленных вопросов.
1. Что измерить? Отвечая на этот вопрос, мы создаем в своем сознании модель объекта, то есть упрощенное и приближенное отображение реального объекта. На основе априорной информации мы конкретизируем объект до определенной физической величины, подлежащей измерению, ограничиваем возможный диапазон реальных значений ФВ, то есть задаемся исходной степенью неопределенности информации об объекте. При полном отсутствии априорной информации измерение в принципе невозможно.
2. Как измерить? Выбирается метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей, принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерений, другие параметры измерительного эксперимента – число измерений, моменты времени и пространственные точки выполнения измерений.
3. Чем измерить? Выбирается средство измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным в пределах установленной погрешности в течение известного интервала времени.
4. Кто измерит? Определяется субъект измерений, его ответственность и квалификация.
5. Как обработать данные измерений? На этапе планирования измерений закладывается метод обработки полученных данных и оценки степени достижения цели измерений.
С позиций и представлений теории информации цель и сущность измерений состоит в уменьшении неопределенности (энтропии) информации о значении измеряемой величины (Эапост << Эапр). Оценить степень достижения цели – значит определить неопределенность измерений – параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые можно приписать измеряемой величине. Пример – доверительные границы погрешности результата измерений.
Результат измерения – значение физической величины, полученное путем ее измерения.
Погрешность результата измерений – отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины.
Во многих массовых измерениях этапы планирования и оценки погрешностей измерений выполняются заранее и оформляются в виде специального документа. Методика выполнения измерений (МВИ) – установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью. Но даже при отсутствии какого-либо регламентирующего документа эти этапы незримо присутствуют при любом измерении.
В измерениях следует различать две ветви процесса – ветвь реальных измерений и ветвь их модельных отражений. Субъект измерений объединяет эти ветви и обеспечивает завершенность процесса, то есть представление результата измерений с оценкой его неопределенности.
К числу основных понятий метрологии, используемых при измерениях и представлении результатов измерений, относятся также понятия «шкала» и «система единиц».
Шкала физической величины – упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.
Типы шкал:
1. Шкала наименований (классификации). Применяется для неколичественных сравнений. Пример – атлас цветов, образцы шероховатости.
2. Шкала рангов (порядка). Монотонно возрастающая или убывающая последовательность величин, для которой не определена единица измерений, но могут быть выделены отдельные опорные значения (реперные точки). Пример – условная шкала Бофорта (сила ветра – 12 баллов), шкала вязкости Энглера, шкала твердости минералов Мооса (10 опорных значений от талька – 1, до алмаза – 10).
Эти две шкалы – неметрические (условные), по ним возможно только сравнение или оценка, измерение в соответствии с определением данного термина невозможно из-за отсутствия единиц величин.
3. Шкала интервалов (разности). Имеет две опорные точки (основные реперы), одна из которых принята за начало отсчета, а значение [Q] = (Q1-Q0)/n – за единицу измерений (n – целое число). Пример – температурные шкалы Цельсия, Реомюра, Фаренгейта.
4. Шкала отношений. Имеет естественный критерий нулевого состояния физической величины и единицу измерений (шкала интервалов с естественным нулем). Шкалы отношений - самые совершенные и распространенные при измерениях шкалы.
5. Абсолютная шкала – для относительных величин, единица измерений безразмерная.
Система единиц величин – совокупность основных и производных единиц величин, образованная в соответствии с установленными принципами. Применяемые в России единицы величин установлены в ГОСТ 8.417-2002 «ГСИ. Единицы величин».
Символы (размерность) основных величин системы единиц СИ:
L – длина (м), M – масса (кг), T – время (с), I – электрический ток (А), Q – термодинамическая температура (К), J – сила света (кд), N – количество вещества (моль).
Когерентная производная единица физической величины - производная единица физической величины, связанная с другими единицами системы единиц уравнением связи, в котором числовой коэффициент равен 1.
Примеры когерентных производных единиц физических величин:
| Давление | L-1MT-2 | Па (паскаль) |
| Мощность | L2MT-3 | Вт (ватт) |
| Электрическое напряжение | L2MT-3I-1 | В (вольт) |
| Электрическая емкость | L-2M-1T4I2 | Ф (фарад) |
| Электрическое сопротивление | L2MT-3I-2 | Ом (ом) |
| Индуктивность | L2MT-2I-2 | Гн (генри) |
2. Классификация измерений. Методы и средства измерений
Классификация измерений, позволяющая облегчить изучение всего их многообразия и упорядочить знания, возможна на основе общих признаков и условий выполнения измерений.
| Классификационные признаки | Виды и методы измерений, примеры | |
| По областям и видам измерений.Область измерений – совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой.Вид измерений – часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. | Пример. Виды измерений в Государственном реестре средств измерений, разрешенных к применению в РФ:1.Измерения геометрических величин (в т.ч. перемещений, расстояний, толщин)2.Измерения механических величин (масса, сила, деформация, скорость, ускорение и др.)3.Измерения параметров потока, расхода, уровня, объема веществ4.Измерения давления, вакуумные измерения5.Измерения физико-химического состава и свойств веществ (плотность, влажность и др.)6.Теплофизические и температурные измерения7.Измерения времени и частоты8.Измерения электрических и магнитных величин9.Радиоэлектронные измерения10.Акустические измерения11.Оптические и оптико-физические измерения12.Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант 13.Биологические и биомедицинские измерения | |
| По способу организации процесса измерений и обработки данныхМетрологические измерения – с целью передачи размера единицы физической величины с использованием эталона | Технические | Исследовательские (лабораторные, в т.ч. метрологические) |
| МассовыеОднократныеМВИ регламентированаКвалификация оператора низкаяАприорная (в МВИ) оценка погрешности результата измерений | ЕдиничныеМногократные (статистические)Правила определяет операторКвалификация оператора высокаяИндивидуальная оценка погрешности измерений с учетом условий измерений | |
| По характеру взаимодействия средства измерений с объектом | - контактные и дистанционные (бесконтактные)- непрерывные и дискретные | |
| По условиям измерений | 1.Измерения в нормальных условиях и в рабочих условиях2.Статические и динамические измерения Статическое измерение - измерение физической величины, принимаемой неизменной на протяжении времени измерения. Динамическое измерение – измерение изменяющейся во времени по размеру физической величины 3.Равноточные и неравноточные измерения | |
| По способу получения результата измерения | Прямые (непосредственные) и функциональные, в т.ч. Прямое измерение – измерение, при котором значение физической величины получают непосредственно. Косвенное измерение – определение значения физической величины на основании результатов прямых измерений других величин, функционально связанных с искомой. Пример: R = U/I Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют решением системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Пример: Х + У = А, Х – У = В; Х = ? Совместные измерения – проводимые одновременно измерения двух или нескольких неоднородных величин для определения зависимости между ними. Пример: R = f(T) | |
| По методу прямых измеренийМетод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей | 1. Метод непосредственной оценки – значение величины определяют по показанию средства измерений. | |
Два метода измерений не определены в РМГ 29-99:
Метод противопоставления (разновидность метода сравнения с мерой) – одновременное воздействие на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой.
Метод совпадений (разновидность дифференциального), где величины измеряют, используя совпадения отметок шкал или стробоскопический эффект.