Общая характеристика объектов измерения

Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины (ФВ). ФВ применяются для описания материальных систем и объектов (явлений, процессов и т.п.), изучаемых в любых науках (физике, химии и др.)

Совокупность ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами (когда одни величины принимаются за независимые, а другие являются их функциями), называется системой физических величин.

Развитие промышленного производства вызвало необходимость унификации размеров ФВ, создание системы единиц. Первой системой единиц ФВ была метрическая система. Вначале она была введена во Франции (1840), затем в других странах (Великобритании, США, России и пр.). Наряду с метрической системой в этих и других странах применялись и применяются в настоящее время и национальные системы [1, c. 160].

В Российской Федерации применяются в настоящее время единицы величин Международной системы единиц, обозначаемой сокращенно SI (начальные буквы французского наименования «Systeme International d' Unites»). На территории нашей страны SI действует с 1 января 1982 г. в соответствии с ГОСТ 8.417 «ГСИ. Единицы физических величин». В качестве основных единиц приняты:

- метр,

- килограмм,

- секунда,

- ампер,

- кельвин,

- моль и кандела.

Единицы ФВ делятся на системные и внесистемные. Системная единица — единица ФВ, входящая в одну из принятых систем. Внесистемная единица — единица ФВ, не входящая ни в одну из принятых систем.

Внесистемные единицы по отношению к единицам SI разделяют на четыре вида:

· допускаемые наравне с единицами SI (например, тон на, градус, минута, секунда, литр);

· допускаемые к применению в специальных областях (например, световой год — единица длины в астрономии; диоптрия — единица оптической силы в оптике и т.д.);

· временно допускаемые к применению наравне с единицами SI (например, карат — единица массы в ювелирно деле). Эти единицы должны изыматься из употребления соответствии с международными соглашениями;

· изъятые из употребления (например, миллиметр ртутного столба — единица давления; лошадиная сила — едница мощности и некоторые другие).

Измеряемые величины имеют качественную и количественную характеристики.

Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность. Согласно международному стандарту ИСО размерность обозначается символом dim. Размерность основных величин —длины, массы и времени - обозначается соответствующими заглавными буквами:

dim l =L; dim m = М; dim t=T

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

dim X = L^a *М^b * Т^c (1)

где L, М, Т — размерности соответствующих основных физических величин; а,b,c — показатели размерности (показатели степени, в которую возведены размерности основных величин).

Каждый показатель размерности может быть положительным или отрицательным, целым или дробным, нулем, ели все показатели размерности равны нулю, то величина называется безразмерной. Она может быть относительной, определяемой как отношение одноименных величин (например, относительная диэлектрическая проницаемость) и логарифмической, определяемой как логарифм относительной величины (например, логарифм отношения мощностей и напряжений).

Количественной характеристикой измеряемой величины служит ее размер. Получение информации о размере физической или нефизической величины является содержанием любого измерения.

Простейший способ получения информации, который дозволяет составить некоторое представление о размере измеряемой величины, заключается в сравнении его с другимпо 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. Операция расстановки размеров в порядке их возрастания или убывания с целью получения измерительной информации по шкале порядка называетсяранжированием. Для обеспечения измерений по шкале порядка некоторые точки на ней можно зафиксировать вкачестве опорных (реперных). Точкам шкалы могут быть присвоены цифры, часто называемые баллами. Знания, например, оценивают по четырехбалльной реперной шкале, имеющей следующий вид: неудовлетворительно, удовлетворительно, хорошо, отлично. По реперным шкалам измеряются твердость минералов, чувствительность пленок и другие величины (интенсивность землетрясений измеряется по 12-балльной шкале, называемой международной сейсмической шкалой).

Недостатком реперных шкал является неопределенность интервалов между реперными точками. Например, по шкале твердости, в которой одна крайняя точка соответствует наиболее твердому минералу — алмазу, а другая наиболее мягкому — тальку, нельзя сделать заключение о соотношении эталонных материалов по твердости. Так, если твердость алмаза по шкале 10, а кварца — семь, то это не означает, что первый тверже второго в 1,4 раза. Определение твердости путем вдавливания алмазной пирамиды (метод Хрущева) показывает, что твердость алмаза — 10 060, а кварца — 1120, т.е. в девять раз больше.

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 том, насколько 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 ре перной точкой служит температура таяния льда. По шкалеЦельсия интервал между этими реперами равен 273,16^о СПо шкале отношений можно определить не только, насколько один размер больше или меньше другого, но и во сколько раз он больше или меньше.

В зависимости от того, на какие интервалы разбита шкала, один и тот же размер представляется по-разному. Например, длина перемещения некоторого тела на 1 м может быть представлена как L = 1 м = 100 см = 1000 мм. Отмеченные три варианта являются значениями измеряемой величины оценками размера величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Входящее в него отвлеченное число называется числовым значением. В приведенном примере это 1, 100, 1000.

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

Q=X[Q], (2)

где [Q] — значение величины; X — числовое значение измеряемой величины в принятой единице; Q — выбранная для измерения единица.

Допустим, измеряется длина отрезка прямой в 10 см [С помощью линейки, имеющей деления в сантиметрах и миллиметрах. Для данного случая Q₁ =10 см при X₁ = 10 и Q₁ = 1 см; Q₂ =100 мм при X, - 100 и Q₂ = Q₁ так как 10 см = 100 мм. Применение различных единиц (1 см и 1 мм) не привело к изменению числового значения результата измерений.