Измерения, исходя из применяемых средств измерения и цели измерения, подразделяются на технические и метрологические.

Технические - это измерения с помощью рабочих средств измерения. Они применяются в науке и технике с целью контроля параметров изделий, технологических процессов, для диагностики заболеваний, контроля загрязненности окружающей среды и др.

Метрологические - измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерения.

Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины. Физическая величина применяется для описания материальных систем, объектов (явлений, процессов и т.п.), изучаемых в любых науках. Существуют основные и производные величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. Например, механика базируется на трех основных величинах, теплотехника — на четырех.

Измеряемые величины имеют качественную и количественную характеристики.

Формализованным отражением качественного различия изме­ряемых величин является их размерность. В соответствии с ИСО 31/0 размерность обозначается символом  dim. Размерность основных физических величин — длины, массы и времени обозначается соответствующими заглавными буквами:

dim 1 = L; dim m = M; dim t = T.

Размерность производной физической величины выражается через размерность основных физических величин с помощью степенного одночлена:

где L, M, T — размерности соответствующих основных физических величин;

α,β,γ - показатели размерности (показатели степени, в которую возведены размерности основных физических величин).

Показатель размерности может быть различным. Если все показатели размерности равны нулю, то величина называется безразмерной.

Количественной характеристикой измеряемой величины служит ее размер. Получение информации о размере физической или нефизической величины является содержанием любого измерения. Простейший способ получения информации, который позволяет составить некоторое представление о размере измеряемой величины, заключается в сравнении его с другим по принципу "что больше (меньше)?" или "что лучше (хуже)?" При этом число сравниваемых между собой размеров может быть достаточно большим. Расположенные в порядке возрастания или убывания размеры измеряемых величин образуют шкалы порядка. Они бывают:

а) шкалы реперные;

б) шкалы интервалов;

в) шкалы отношений.

Операция расстановки размеров в порядке их возрастания или убывания с целью получения измерительной информации по шкале порядка называется ранжированием. Для облегчения измерений по шкале порядка некоторые точки на ней можно зафиксировать в качестве опорных (реперных). Точкам шкалы могут быть присвоены цифры, часто называемые баллами. Знания учащихся, например, оценивают по четырехбалльной реперной шкале, имеющей следующий вид: неудовлетворительно, удовлетворительно, хорошо, отлично. По реперным шкалам измеряются твердость минералов, чувствительность пленок и др. Недостатком реперных шкал является неопределенность интервалов между реперными точками.

Более совершенна в этом отношении шкала интервалов. Примером ее может служить шкала измерения времени, которая разбита на крупные интервалы (годы), равные периоду обращения Земли вокруг Солнца; на более мелкие (сутки), равные периоду обращения Земли вокруг своей оси. По шкале интервалов можно судить не только о том, что один размер больше другого, но и о том, на сколько больше. Однако по шкале интервалов нельзя оценить, во сколько раз один размер больше другого. Это обусловлено тем, что на шкале интервалов известен только масштаб, а начало отсчета может быть выбрано произвольно.

Наиболее совершенной является шкала отношений. Примером ее может служить температурная шкала Кельвина. В ней за начало отсчета принят абсолютный нуль температуры, при котором прекращается тепловое движение молекул; более низкой температуры быть не может. Второй реперной точкой служит температура таяния льда. По шкале Цельсия интервал между этими реперами равен 273,16 °С. По шкале отношений можно определить не только, на сколько один размер больше или меньше другого, но и во сколько раз больше или меньше.

Значение физической величины получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерения

где Q — значение физической величины;

Х — числовое значение измеряемой величины в принятой единице;

[Q] — выбранная для измерения единица.

Например, измеряется длина отрезка прямой в 10 см с линейки, имеющей деления в сантиметрах. Для данного случая Q = 10 см при X = 10 и [Q,] = 1 см.

Под измерением физической величины понимают совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в сравнении измеряемой величины с ее единицей. Измерения могут быть классифицированы:

а) по характеристике точности — равноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности СИ и в одних и тех условиях), неравноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности СИ и в нескольких разных условиях);

б) по числу измерений в ряду измерений — однократные, многократные;

в) по отношению к изменению измеряемой величины — статические (измерение неизменной во времени физической величины, например, измерение длины детали при нормальной температуре), динамические (измерение изменяющейся по размеру физической величины, например, измерение переменного напряжения электрического тока);

г) по выражению результата измерений — абсолютные (измерение, основанное на прямых измерениях величин и использовании значений физических констант, например, измерение силы F основано на измерении основной величины — массы m и использовании физической постоянной — ускорения свободного падения –g и относительные (измерения отношения величины к одноименной величине, исполняющей роль единицы);

д) по общим приемам получения результатов измерений — прямые (измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно, например измерение массы на весах), косвенные (измерение, при котором искомое значение величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной, например определение твердости НВ металлов путем вдавливания стального шарика определенного диаметра D с определенной нагрузкой Р и получения при этом определенной глубины отпечатка h: НВ = Р (π D· h).

 В отличие от таких технических средств, как индикаторы, предназначенных только для обнаружения физических свойств (лакмусовая бумага, осветительная электрическая лампочка), средства измерения позволяют не только обнаружить физическую величину, но и измерить ее, т.е. сопоставить неизвестный размер с известным. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосредственно используется для сравнения. Если же физической величины нет, то сравнивается реакция (отклик) прибора на воздействие измеряемой величины с проявившейся ранее реакцией на воздействие той же величины, но известного размера. Для облегчения сравнения еще на стадии изготовления прибора отклик на известное воздействие фиксируют на шкале отчетного устройства, после чего разбивают шкалу на деления в кратном и дольном отношении. Описанная процедура называется градуировкой шкалы. При измерении она позволяет по положению указателя получать результат сравнением непосредственно по шкале отношений.

Средствами измерения производятся две операции: обнаружение физической величины; сравнение неизвестного размера с известным или сравнение откликов на воздействие известного и неизвестного размеров. По конструктивному исполнению средства измерения подразделяют на меры; измерительные преобразователи; измерительные приборы; измерительные установки; измерительные системы.

Меры физической величины – средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров. Различают меры однозначные (гиря 1 кг, калибр);

многозначные (масштабная линейка, конденсатор переменной емкости) и наборы мер (набор гирь, набор калибров). Набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях, называется магазином мер. Примером такого набора может быть магазин электрических сопротивлений. Сравнение с мерой выполняют с помощью специальных технических средств — компараторов (рычажные весы, измерительный мост и т.д.).

Измерительные преобразователи – средство измерения, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований. По характеру преобразования различают аналоговые, цифро- аналоговые, аналого-цифровые  преобразователи.

Измерительный прибор- средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Прибор содержит устройство для преобразования измеряемой величины и ее индикации в форме, наиболее доступной для восприятия. Во многих случаях устройство для индикации имеет шкалу со стрелкой или другим устройством, диаграмму с пером или цифроуказатель, с помощью которых может быть произведен отсчет или регистрация значений физической величины. По степени индикации значений измеряемой величины измерительные приборы подразделяют на:

а) показывающие;

б) регистрирующие.

Показывающий прибор допускает только отсчитывание показаний измеряемой величины (микрометр, аналоговый или цифровой вольтметр). В регистрирующем приборе предусмотрена регистрация показаний на носителе.

Измерительная установка- совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте. Примером являются установка для измерения удельного сопротивления электротехнических материалов, установка для испытаний магнитных материалов. Измерительную установку, предназначенную для испытаний каких-либо изделий, иногда называют испытательным стендом.

Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого пространства с целью измерений одной или нескольких физических величин.

Многообразие средств измерения обуславливает необходимость применения специальных мер по обеспечению единства измерений.

Единство измерений — характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, а погрешности результатов не выходят за установ­ленные пределы. Первое требование обычно выполняется благо­даря тому, что результаты измерений выражаются в единицах Международной системы (единицах СИ), второе — за счет установления для средств измерения определенных (нормированных) метрологических характеристик.

Метрологические характеристики — это показатели, определяющие свойства средств измерения, влияющие на результаты измерений или их погрешность. Метрологические характеристики нормируют раздельно для нормальных и рабочих условий применения средств измерения. Нормальными считаются условия, при которых изменением характеристик под воздействием внешних факторов (температура, влажность и пр.) принято пренебрегать. Так, для многих типов СИ нормальными условиями применения являются: температура (293⁰ ± 5) К; атмосферное давление (100±4) кПа и т.д. Рабочие условия отличаются от нормальных более широкими диапазонами изменения влияющих величин. И те и другие метрологические характеристики указываются в нормативно-технической документации.

Основные метрологические характеристики:

1) диапазон измерений;

2 )порог чувствительности; 

3) различные составляющие погрешности средств измерения.

Диапазон измерений - область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху, называют нижним пределом или верхним пределом измерений.

Порог чувствительности - наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменении массы, как 10 мг.

Погрешность - это разность между показаниями средства измерения и истинным значением измеряемой физической величины. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением. Для рабочего средства измерения за действительное значение принимают показания образцового средства измерения, для образцового — значение физической величины, полученное с помощью эталона. Погрешность образцового прибора значительно меньше, и при сличении ею нередко пренебрегают.

Погрешности средства измерения могут быть классифицированы по следующим признакам:

а) по отношению к условиям применения - основные, дополнительные;

б) по отношению к изменяемости измеряемой величины — динамические, статические;

в) по характеру проявления — систематические, случайные;

г) по способу выражения — абсолютные, относительные, приведенные.

Основная погрешность средства измерения — погрешность, определяемая в нормальных условиях его применения. Дополнительная погрешность- составляющая погрешности, дополнительно возникающая вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения.

Номенклатура нормируемых метрологических характеристик средств измерения определяется назначением, условиями эксплуатации и многими другими факторами. Нормы на основные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации на средства измерения. Учет всех нормируемых характеристик необходим при измерениях высокой точности и в метрологической практике. В повседневной производственной практике широко пользуются обобщенной характеристикой — классом точности.

Класс точности средства измерения - обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых (основной и дополнительной) погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа средства измерения устанавливают в нормативной документации. При этом для каждого класса точности устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам. У плоскопараллельных концевых мер длины такими характеристиками являются пределы допускаемых откло­нений от номинальной длины и плоскопараллельности; пределы допускаемого изменения длины в течение года. У мер электродвижущей силы (нормальных элементов) нормируют пределы допускаемой нестабильности в течение года. Класс точности обозначают числом (римской или арабской цифрой). Так, класс точности 0,001 нормальных элементов свидетельствует о том, что их нестабильность за год не превышает 0,001%. Обозначения класса точности наносят на циферблаты, щитки и корпуса средств измерения, приводят в технической документации. Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств измерения.

При рассмотрении количественной характеристики измеряемых величин было использовано уравнение измерения, в котором отражена процедура сравнения неизвестного размера с известным. В качестве единицы измерения при измерении физических величин выступает соответствующая единица Международной системы. Теоретически отношение двух размеров должно быть вполне определенным, не случайном числом. Но практически размеры сравниваются в условиях множества случайных и неслучайных обстоятельств, точный учет которых невозможен. Поэтому при многократном измерении одной и той же величины постоянного размера результат, называемый отсчетом по шкале отношений, получается все время разным. Это положение, установленное практикой, формулируется в виде аксиомы, являющейся основным постулатом метрологии: отсчет является случайным числом.

Отсюда отсчет по шкале отношений невозможно представить одним числом, его можно лишь описать словами или математическими зависимостями, представить графически, аналитическими выражениями. Например, распределение вероятности Р (х) является исчерпывающим эмпирическим описанием отсчета у цифрового и аналогового измерительных приборов.

При подготовке и проведении высокоточных измерений в метрологической практике учитывают:

1) влияние объекта измерения;

2) субъекта (эксперта или экспериментатора);

3) способа измерения;

4) средства измерения;

5) условий измерения.

Объект измерения должен быть всесторонне изучен. В зависимости от характера объекта и цели измерения учитывают (или отвергают) необходимость корректировки измерений.

Эксперт привносит в результат измерения элемент субъективизма, который по возможности должен быть сведен к минимуму. Он зависит от квалификации эксперта, санитарно-гигиенических условий труда, его психофизического состояния, учета эргономических требований при взаимодействии оператора со средствами измерения. Санитарно-гигиенические условия включают такие факторы, как освещение, уровень шума, чистота воздуха, микроклимат. Измерительные приборы размещают в поле зрения оператора в зоне, ограниченной углами ±30° от оси в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Отсчетные устройства должны располагаться перпендикулярно линии зрения оператора. Оптимальное расстояние от шкалы до глаз оператора определяется высотой знака, подлежащего считыванию. По контрастности отметки шкал должны на порядок отличаться от фона. Наиболее благоприятным является естественное освещение, производительность труда при котором на 10% выше, чем при искусственном. Дневной свет должен быть рассеянным, без бликов. Искусственное освещение помещений должно быть люминесцентным, рассеянным. Максимальная острота зрения наступает при освещенности 600 — 1000 лк. В оптимальных условиях продолжительность ясного видения (с хорошей остротой) при непрерывной работе составляет 3 ч. В зависимости от индивидуальных особенностей операторов, связанных с их реакцией, измерительными навыками и т.п., неточность глазомерного отсчета по шкалам измерительных приборов достигнет ±0,1 деления шкалы.

Очень часто измерение одной и той же величины постоянного размера разными способами дает различные результаты, причем каждый из этих способов имеет свои недостатки и достоинства. Искусство эксперта состоит в том, чтобы соответствующими способами исключить, компенсировать или учесть факторы, искажающие результаты. Если измерение не удается выполнить так, чтобы исключить или компенсировать какой-либо фактор, влияющий на результат, то в последний в ряде случаев вносят поправку. Поправки могут быть аддитивными (от лат. additivus - прибавляемый) и мультипликационными (от лат. multipico -умножаю).

Влияние средств  на измеряемую величину во многих случаях проявляется как возмущающий фактор. Например, ртутный термометр, опущенный в пробирку с охлажденной жидкостью, подогревает ее и показывает не первоначальную температуру жидкости, а температуру, при которой устанавливается термодинамическое равновесие. Другим фактором является инерционность средств измерения. Некоторые средства измерения дают постоянно завышенные или постоянно заниженные показания, что может быть результатом дефекта изготовления, некоторой нелинейности преобразования. Эти особенности СИ выявляются при их аттестации — всестороннем метрологическом исследовании. По итогам аттестации устанавливается аддитивная или мультипликативная поправка в виде числа или функции.

Условия измерения как влияющий на результат фактор включают такие параметры: температура окружающей среды, влажность, атмосферное давление, напряжение в сети и многое другое.

Появление ошибок вызвано недостаточной надежностью системы, в которую входят оператор, объект измерения, средства измерения и окружающая среда. При однократном измерении ошибка может быть выявлена при сопоставлении результата с априорным представлением о нем или путем логического анализа. Измерения повторяют для устранения причины ошибки. При многократном измерении одной и той же величины ошибки проявляются в том, что результаты отдельных измерений заметно отличаются от остальных. Если отличие велико, ошибочный результат необходимо отбросить. При этом руководствуются "правилом трех сигм": если при многократном измерении сомнительный результат отдельного измерения отличается от среднего больше чем на 3 σ (σ - среднее квадратичное отклонение значения измеряемой величины от среднего значения), то с вероятностью 0,997 он является ошибочным и его следует отбросить.