Терміни та визначення в теорії вимірювань

Терміни та визначення" лаконічно визначає метрологію як науку про вимірювання. Деталізуючи це визначення, можна сказати, що метрологія - це наука про вимірювання, методи і засоби забезпечення єдності вимірювань та способи досягнення потрібної точності. Під єдністю вимірювань розуміють такий їх стан, при якому результати вимірювань виражаються в узаконених одиницях, а їх похибки відомі з заданою ймовірністю.

2. В. т. існує з глибокої давнини. За кілька тисячоліть до н. е. розвиток товарообміну привів до вимірювань ваги і появи ваг; примітивна В. т. вимагалася також при розділі земельних ділянок (вимірювання площ); при встановленні розпорядку дня і доби, виробленню календаря (вимір часу), в астрономічних спостереженнях і кораблеводінні (вимірювання кутів і відстаней); в будівництві (вимірювання розмірів). В античну епоху в процесі наукових досліджень були виконані деякі тонкі вимірювання, наприклад були виміряні кути заломлення світла, визначена дуга земного меридіана. Приблизно до 15 ст. В. т. не відділялася від математики, про що говорять такі назви, як «геометрія» (вимірювання Землі), «тригонометрія» (вимірювання трикутників), «тривимірний простір» і т. д. Середньовічні математичні трактати часто містили просте перерахування правил вимірювання площ і об'ємів. Математична ідеалізація реального процесу вимірювання збереглася в ряді важливих математичних понять (від ірраціонального числа до інтеграла).

У 16-18 ст. вдосконалення В. т. йшло разом з бурхливим розвитком фізики, яка, грунтуючись в той час тільки на експерименті, повністю спиралася на В. тженнях. Вже в кінці 16 — початку 17 ст. підвищення точності вимірювань сприяло революційним науковим відкриттям. В кінці 18 і першій половині 19 ст. у зв'язку з поширенням парових двигунів і розвитком машинобудування різко підвищилися вимоги до точності обробки деталей машин, що зумовило швидкий розвиток промислової В. т. У цей час удосконалюються прилади для визначення розмірів, з'являються вимірювальні машини, вводяться калібри тощо. У 19 ст. були створені основи теорії В. т. та метрології; набула поширення метрична система мір, що забезпечила єдність вимірювань в науці та виробництві. Величезне значення для В. т. країнах стали створюватися метрологічні установи. У Росії в 1893 була утворена Головна палата мір і ваг, яку очолив Д. І. Менделєєв.

Початок 20 ст. знаменує новий етап у розвитку В. т. — електричні, а пізніше і електронні засоби починають застосовуватися для вимірювання механічних, теплових, оптичних величин, для хімічного аналізу, геологічної розвідки тощо, тобто для вимірів будь-яких величин. З'являються такі нові галузі, як радіовимірювання, спектрометрія та ін. Виникає приладобудівна промисловість. Якісний стрибок у розвитку В. т. стався після 2-ої світової війни 1939–1945, коли В. т. виступила як галузь кібернетики, що займається одержанням і перетворенням інформації (вимірювальної), поряд з такими галузями, як автоматика та обчислювальна техніка.

Сучасна вимірювальна апаратура призначається не тільки для впливу на органи чуття людини, як, наприклад, у випадку сигналізації або відліку результатів вимірювання спостерігачем, але все частіше для автоматичної реєстрації і математичної обробки результатів вимірювання та передачі їх на відстань або для автоматичного керування якими-небудь процесами. вимірювально-інформаційних систем. За допомогою електричних вимірювальних пристроїв можна виміряти як повільні, так і дуже швидкоплинні процеси, передавати результати вимірювань на великі відстані або перетворювати їх в сигнали для управління контрольованими процесами, що має найважливіше практичне значення як для промисловості, так і для наукових досліджень.

3. Фізи́чна величи́на — властивість, спільна в якісному відношенні для багатьох фізичних об'єктів (фізичних систем, їхніх станів і процесів, що в них відбуваються) та індивідуальна в кількісному відношенні для кожного з них. Під індивідуальністю розуміється, що властивість, притаманна одному об'єктові, може у визначену кількість разів перевищувати або бути меншою порівняно з властивістю іншого об'єкта.

алежно від галузі науки та техніки фізичні величини поділяються на групи:

• величини простору — довжина, площа, об'єм тощо;
• величини часу і періодичних явищ — інтервал часу, частота, фаза тощо;
• механічні величини — сила, момент сили, тиск, механічне напруження тощо;
• теплові величини — температура, тепло, теплоємність, теплопровідність тощо;
• електричні та магнітні величини — струм, напруга, потужність, електрична енергія, потенціал, електричний опір, магнітний потік, магнітна індукція, напруженість магнітного поля тощо;
• величини акустичних випромінювань — швидкість звуку, сила звуку, акустичний опір тощо;
• величини електромагнітних випромінювань — потужність випромінювання, довжина електромагнітної хвилі, хвильовий опір тощо;
• величини оптичних випромінювань — потік випромінювання, сила світла, яскравість, освітленість тощо;
• величини іонізуючого випромінювання і ядерних реакцій — активність випромінювання, доза випромінювання (поглинання) тощо;
• величини атомної, ядерної фізики та фізики елементарних часток — елементарний заряд, енергія взаємодії тощо;
• хімічні величини і величини молекулярної фізики — кількість речовини, молярна маса, атомна маса, концентрація, коефіцієнт дифузії тощо.

4.За́соби вимі́рювань — технічні засоби, що використовуються при вимірюваннях і мають нормовані метрологічні властивості.До засобів вимірювань належать міри, вимірювальні перетворювачі, прилади, установки і системи.

Засоби вимірювань поділяють на групи за такими ознаками:

• за принципом дії та видом використаної енергії: механічні, електричні, рідинні, пневматичні, гідравлічні, хімічні, ультразвукові, інфрачервоні, радіоізотопні тощо;
• формою показів вимірюваної величини: аналогові та цифрові;
• характером відображення результату вимірювання: показуючі, самописні, реєструючі, інтегруючі;
• призначенням: промислові (технічні), лабораторні, зразкові, еталонні;
• місцем розташування при експлуатації: щитові, місцеві, дистанційні;
• габаритними розмірами: мініатюрні, малогабаритні, нормальні та великогабаритні.

5. Етало́н (рос. эталон, англ. standbard, нім. Etalon m)Міжнародний еталон метра, який використовувався з 1889 по 1960 рік.-це міра або вимірювальний прилад, який призначений для відтворення, зберігання і передачі одиниць будь-якої фізичної величини. Еталон, який затверджено в межах країни називається Державним еталоном. Існують еталони частоти, маси, довжини, часу тощо.

• Первинний еталон — еталон, що забезпечує відтворення та (або) зберігання одиниці фізичної величини найвищою в країні (у порівнянні з іншими еталонами тієї ж одиниці) точністю^[2].
• Спеціальний еталон — еталон, що забезпечує відтворення та (або) зберігання одиниці в особливих умовах і замінює в цих умовах первинний еталон^[2]. Застосовуються для відтворення одиниць в особливих умовах, коли пряма передача розміру одиниці від еталонів технічно неможлива із заданою точністю (високий тиск, температура, частота тощо).
• Державний еталон — первинний або спеціальний еталон, затверджений офіційно як державний^[2]. Визнається спеціально уповноваженим центральним органом виконавчої влади у сфері метрології як основа для встановлення значень усіх еталонів даної одиниці вимірювання, що є у державі. Державні еталони є основою технічної бази державної метрологічної системи.
• Вторинний еталон — еталон, якому передається розмір одиниці фізичної величини від первинного або спеціального еталона^[2].
• Еталон-копія — вторинний еталон, який призначається для передавання розміру одиниці фізичної величини робочим еталонам (зразковим з вимірювальної техніки)^[2].
• Еталон передавання — вторинний еталон, що призначається для взаємного звіряння еталонів, які за тих чи інших обставин не можуть бути звірені безпосередньо^[2].
• Еталон-свідок — вторинний еталон, призначений для повірки збереження державного еталона та для заміни його у разі псування або втрати. Він має найвищу серед вторинних еталонів точність та використовується тільки тоді, коли державний еталон не можна відтворити.
• Робочий еталон — еталон, призначений для передачі розміру фізичної величини зразковим засобам вимірювальної техніки, а в окремих випадках - робочим засобам вимірювальної техніки^[2]. Робочі еталони використовуються у метрологічних інститутах, метрологічних територіальних органах Держспоживстандарту України, а з дозволу Держспоживстандарту України допускається їх зберігання та використання в органах відомчої метрологічної служби.

7. Прилади:лінійка….

8. Міри:

Однозначна міра — міра, що відтворює одне значення фізичної величини (наприклад, гиря масою 1 кг чи кінцева міра довжини).

Багатозначна міра — міра, що відтворює декілька значень фізичної величини (наприклад, лінійка, електричний конденсатор змінної ємності, змінний електричний опір).

9. Вимі́рювальний перетво́рювач — вимірювальний пристрій, призначений для формування на своєму виході сигналу, що функціонально зв'язаний із сигналомвимірюваної інформації на вході^[1] у формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки та збереження.

Вимірювальна операція, яка здійснюється вимірювальним перетворювачем носить назву «вимірювальне перетворення»^[1].

Вимірювальний перетворювач — елемент системи автоматичного контролю На відміну від вимірювального приладу, сигнал на виході вимірювального перетворювача (вихідна величина) безпосередньо не сприймається спостерігачем. Обов'язкова умова вимірювального перетворення — збереження у вихідному сигналі інформації про кількісне значення вимірюваної величини через забезпеченняфункціональної залежності (переважно, лінійної) між вимірюваною величиною та сигналом на виході.

Основні характеристики вимірювальних перетворювачів

номінальна статична характеристика перетворення (градуювальна характеристика) — залежність між інформативними параметрами вхідного і вихідного сигналів;

· коефіцієнт перетворення — коефіцієнт пропорційності лінійної залежності вхідного і вихідного сигналів;

· чутливість — відношення приросту вихідного сигналу до відповідного йому приросту вхідного сигналу (для випадку лінійної залежності чутливість збігається з коефіцієнтом перетворення);

· діапазон вимірювань — різниця граничних величин, що обмежують діапазон вимірюваної величини у якому робота вимірювального перетворювача задовольняє поставленим вимогам. В акустиці, оптиці та деяких інших областях використовується термін динамічний діапазон, що визначається виразом:

D=20⋅ lg(XmaxXmin),

де: Xmax — кінцеве значення діапазону, що визначається допустимим значенням нелінійних спотворень;

Xmin — початкове значення діапазону, що удвічі перевищує рівень власних шумів.

· похибка вимірювального перетворення — відхилення результату вимірювання від істинного значення вимірюваної величини.

10. Вимі́рювальний при́лад — засіб вимірювань, в якому створюється візуальний сигнал вимірюваної інформації^[1]. Основне призначення вимірювальних приладів — візуальний показ контрольованого параметра за допомогою показувального пристрою, реєстрація його значення на різних носіях, вироблення сигналу поточного значення для системи автоматичного регулювання. Деякі вторинні прилади містять контактну групу для сигналізації граничних значень параметра та інтегратор.

11. Вимі́рювальна систе́ма — різновид інформаційно-вимірювальної системи у вигляді сукупності вимірювальних каналів, вимірювальних пристроїв та інших технічних засобів, об'єднаних для створення сигналів вимірювальної інформації про декілька вимірюваних фізичних величин^[1]. Перераховані елементи вимірювальної системи об'єднані загальним алгоритмом функціювання для отримання даних про величини, що характеризують стан об'єкта дослідження.

Інформаційні системи можуть бути складовими розвиненіших структур вимірювальних інформаційних систем і систем управління, на які покладаються функції контролю, діагностики, розпізнавання образів, автоматичного керування науковими експериментами, випробуваннями складних об'єктів і технологічними процесами.

12. Комплекс вимірювальний (рос. комплекс измерительный, англ. measuring complex) – набір вимірювальних приладів автоматичної дії з самописами або інш. реєструючими пристроями, об'єднаних у єдиний агрегат для одночасного виконання вимірювань декількох параметрів. Вимірювальними комплексами є, наприклад, апаратура станції СІ, що виконує зйомку профілю провідників і запис ширини колії провідників у вертикальних шахтнихстволах; колієвимірювальний комплекс ПКШ, що виконує запис поздовжнього профілю колії, ширини колії й перевищення рейки над рейкою

13. Вимірювання - - це експериментальний процес, і тому результат вимірювання завжди відрізняється від істинно­го значення фізичної величини.

За фізичною природою вимірюваних величин вимірювання розподіляють на області і види. Під областю вимірювань фізичних величин розуміють фізичні величини, які властиві певній галузі науки та техніки й виділяються своєю специфікою. Вид вимірювань є частиною області вимірювань, що має свої особливості й відрізняється однорідністю вимірюваних величин. Поділ вимірювань на області та види не є сталим, він залежить від об'єктивних і суб'єктивних факторів. Один із варіантів такого поділу вимірювань, прийнятий Держстандартом України^[10] розглядає вимірювання:

· геометричних величин (довжини, переміщення, кутів, плоских і складних геометричних форм, шорсткості, круглості та ін.);

· механічних величин (маси, густини, сили, крутного моменту, деформації та ін.);

· параметрів потоку, витрат, рівня й об'єму речовин;

· тиску, вакуумні вимірювання;

· оптичних і оптико-фізичних величин;

· теплофізичних величин і температури;

· часу і частоти;

· електричних і магнітних величин;

· в радіоелектроніці;

· акустичних величин;

· фізико-хімічного складу і властивостей речовин;

· характеристик іонізуючих випромінювань і ядерних констант.

Крім цього вимірювання класифікують за наступними ознаками:

· за характеристиками точності числових значень вимірюваної величини вимірювання поділяються на два види:

· Метрологічні вимірювання, котрі поділяються на:

· Вимірювання з максимально можливою точністю відповідно до наявного технічного рівня. Це вимірювання за допомогою еталонів і спрямовані насамперед на відтворення встановлених одиниць фізичних величин або ж фізичних констант.

· Контрольно-повірочні вимірювання, похибки вимірювання яких не перевищують деяких наперед заданих значень. До них відносяться лабораторні вимірювання фізичних величин за допомогою зразкових засобів вимірювання високої точності.

· Технічні вимірювання — вимірювання що проводяться у промислових умовах і визначаються зазвичай нижчим класом точності засобів вимірювання, ніж у попередніх двох випадках.

· за числом вимірювань у ряді вимірювань — на разові та багаторазові. Найпоширенішими є одноразові вимірювання, тобто вимірювання фізичної величини виконані один раз. Проте в цілій низці практичних випадків, зокрема при використанні результатів вимірювань для прийняття рішень про стан якогось об'єкта або при виконанні вимірювань з підвищеною точністю, вимірювання одного і того самого розміру фізичної величини здійснюються декілька разів, тобто багаторазово. Отже, до багаторазових вимірювань слід віднести ті вимірювання, результат яких отримують шляхом обробки результатів повторних вимірювань фізичної величини одного і того самого розміру, виконаних більше трьох разів. Це пояснюється тим, що саме за таких умов для обробки результатів вимірювань можуть бути використані методи математичної статистики. Вимірювання одного і того самого розміру фізичної величини, які повторюються два або три рази, допускається називати дво- або триразовими;

· за характером зміни вимірюваної величини в часі — на статичні та динамічні:

· Статичні вимірювання — це вимірювання, при яких протягом певного проміжку часу вимірювана величина майже не змінюється або ж її значення змінюється поступово згідно з технологічним процесом.

· Динамічні вимірювання — вимірювання, які показують зміну вимірюваної величини в часі при різних збуреннях, що впливають на об'єкт дослідження або ж на спосіб вимірювання. Динамічні вимірювання дають можливість вивчати динамічні властивості об'єкта і засобів вимірювальної техніки, особливо давачів (первиннихвимірювальних перетворювачів).

· за відображенням результатів вимірювання — абсолютні та відносні:

· Абсолютними називаються вимірювання, значення яких подані у абсолютних одиницях фізичних величин (тиск у паскалях, довжина у метрах, час у секундахі т. д.).

· Відносними називаються вимірювання, значення яких подані як відношення вимірюваної величини до однойменної, умовно прийнятої за одиницю, або ж у відсотках (наприклад, швидкість руху виражена числом Маха, вологість повітря у відсотках від повного насичення).

· за способом одержання числового значення вимірюваної величини — прямі; непрямі (опосередковані, сумісні та сукупні):

· При прямому вимірюванні результат одержують безпосередньо за експериментальними даними (вимірювання довжини лінійкою, вимірювання температуритермометром, вимірювання тиску манометром). Вони є найпоширенішими.

· При непрямому вимірюванні числове значення величини відшукують не безпосередньо, а на основі вимірювання інших величин, пов'язаних з вимірюваною величиною відомою математичною залежністю (визначення об'єму рідини у циліндричній посудині за висотою рідини в ній та площею дна ; густинирідини за масою і її об'ємом — ).

· Опосередковане вимірювання — непряме вимірювання однієї величини з перетворенням її роду чи обчисленнями за результатами вимірювань інших величин, з якими вимірювана величина пов'язана явною функційною залежністю^[2]. Характерним для опосередкованих вимірювань є функціональне вимірювальне перетворення, яке здійснюється або шляхом фізичного вимірювального перетворення, або шляхом числового вимірювального перетворення.

· При сумісних вимірюваннях значення декількох одночасно вимірюваних різнорідних величин отримують розв'язанням рівнянь, які пов'язують їх з іншими величинами, що вимірюються прямо чи опосередковано^[2]. Переважно, результати таких вимірювань використовують у наукових дослідженнях.

· При сукупних вимірюваннях значення декількох одночасно вимірюваних однорідних величин отримують розв'язанням рівнянь, що пов'язують їх різні сполучення, що вимірюються прямо чи опосередковано^[2] (наприклад, визначення коефіцієнта лінійного теплового розширення).