Сергеев - Метрология. В. Г. Фирстов Кандидат физикоматематических наук

• Название: В. Г. Фирстов Кандидат физикоматематических наук
• Анкор: Сергеев - Метрология.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 4.38 Mb.
• Имя файла: Сергеев - Метрология.doc
• Тип: Документы; #707
• страница: 3 из 37

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МЕТРОЛОГИИ

2.1. Физические свойства и величины

2.1.1. Классификация величин

Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. Свойство — философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обуславливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство — категория качественная. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины. Величина — это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.

Анализ величин [21, 22] позволяет разделить их на два вида: реальные и идеальные (рис. 2.1).



Рис. 2.1. Классификация величин
Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Они вычисляются тем или иным способом.

Реальные величины в свою очередь делятся на физические и нефизические. Физическая величина вобщем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. К нефизическим следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам — философии, социологии, экономике и т.п.

Стандарт ГОСТ 16263-70 трактует физическую величину, как одно из свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном — индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого. Таким образом, физические величины — это измеренные свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены.

Физические величины целесообразно разделить на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения Возможность введения и использования последних является важным отличительным признаком измеряемых ФВ. Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Под оце-нчвачием в таком случае понимается операция приписывания данной величине определенного числа, проводимая по установленным пря.вилам. Оценивание величины осуществляется при помощи шкал. Шкчла величины — упорядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оценены. Следует отметить, что оценивание нефизических величин не входит в ладачи теоретической метрологии.

Для более детального изучения ФВ необходимо классифицировать, выявить общие метрологические особенности их отдельных групп. Возможные классификации ФВ показаны на рис. 2.2.

По видам явлений они делятся на следующие группы:

- общественные, т.е. описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой гуппе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда указанные ФВ называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать вспомогательный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные ФВ преобразуются в активные, которые и измеряются;

* энергетические, т.е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. 1C ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют активными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии;

• характеризующие протекание процессов во времени. К этой группе относятся различного вида спектральные характеристики, корреляционные функции и др.

По принадлежности к различным группам физических процессов ФВ делятся на пространственно-временные, механические, тепловые, электрические и магнитные, акустические, световые, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.

По степени условной независимости от других величин данной группы ФВ делятся на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные. В настоящее время в системе СИ используется семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количества вещества. К дополнительным физическим величинам относятся плоский и телесный углы. Подробно деление ФВ по этому признаку рассмотрено в гл. 3.

По наличию размерности ФВ делятся на размерные, т.е. имеющие размерность, и безразмерные.

Физические объекты обладают неограниченным числом свойств, которые проявляются с бесконечным разнообразием. Это затрудняет их отражение совокупностями чисел с ограниченной разрядностью, возникающее при их измерении. Среди множества специфических проявлений свойств есть и несколько общих. Н.Р. Кэмпбелл [13] установил для всего разнообразия свойств X физического объекта наличие трех наиболее общих проявлений в отношениях эквивалентности, порядка и аддитивности. Эти отношения в математической логике аналитически описываются простейшими постулатами.

1. Отношение эквивалентности — это отношение, в котором данное свойство X у различных объектов А и В оказывается одинаковым или неодинаковым. Постулаты отношения эквивалентности:

а) дихотомии (сходства и различия): либо Х(А)  Х(В), либо Х(А) ≉Х(В);

б) симметричности (симметричности отношения эквивалентности): если Х(А)  Х(В), то Х(В)  Х(А);

в) транзитивности по качеству (перехода отношения эквивалентности): если Х(А)  Х(В) и Х(В)  Х(С), то Х(А)  Х(С).

2. Отношение порядка — это отношение, в котором данное свойство X у различных объектов оказывается больше или меньше. Постулаты отношения порядка:

а) антисимметричности: если Х(А) > Х(В), то Х(В) <Х(А);

б) транзитивности по интенсивности свойства (переход отношения порядка): если Х(А) > Х(В) и Х(В) > Х(С), то Х(А) > Х(С).

3. Отношение аддитивности — это отношение, когда однородные свойства различных объектов могут суммироваться. Постулаты отношения аддитивности:

а) монотонности (однонаправленности аддитивности): если Х(А) = Х(С) и Х(В) > 0, то Х(А) + Х(В) > Х(С);

б) коммутативности (переместимости слагаемых): Х(А) + Х(В) = = Х(В) + Х(А);

в) дистрибутивности: Х(А) + Х(В) = Х(А + В);

г) ассоциативности: [Х(А) + Х(В)] + Х(С) = Х(А) + [Х(В) + Х(С)]. Кэмпбелл показал, что в зависимости от проявления наиболее общих отношений эквивалентности, порядка и аддитивности следует различать три вида свойств и величин: Х_экв — свойства, проявляющие себя только в отношении эквивалентности; Х_инт — интенсивные величины, проявляющие себя в отношении эквивалентности и порядка; Х_экс— экстенсивные величины, проявляющие себя в отношении эквивалентности, порядка и аддитивности.

2.1.2. Свойства, проявляющие себя только в отношении

эквивалентности. Понятие счета

Если свойство проявляет себя только в отношении эквивалентности, то обладающие им объекты могут быть: обнаружены, классифицированы, подвергнуты контролю по классам свойств эквивалентности, отражены соответствующими формальными объектами — числами.

Примером объектов, обладающих Свойствами эквивалентности, могут служить, например, виды животных: заяц, медведь и др. Каждая группа таких объектов отличается характерными свойствами, наименованиями и распознается по эквивалентности тем или иным способом.

Свойства, проявляющиеся в отношении эквивалентности, отображаются изоморфно, т. е. взаимооднозначно в обоих направлениях. При этом данному эмпирическому объекту X₁ соответствует только данный формальный объект N₁, например в виде числа из множества натуральных чисел N_H, и наоборот:

X₁  X_экв  N₁  (1...N_H). Для отображения числами объектов, которые обладают свойствами, проявляющими себя лишь в отношении эквивалентности, используется шкала наименований (рассматривается далее).

Основным информативным параметром совокупности объектов с отношением эквивалентности является их количество, которое определяется путем счета. При счете численность качественно однотипных объектов отображается соответствующим числом из натурального ряда чисел. Счет — это процедура определения численности качественно однотипных объектов в данной их совокупности. Для проведения счета необходимо [20] априорно реализовать последовательность теоретических и эмпирических методов, а именно:

• наблюдения за объектом счета;

• абстрагирования от всех свойств объектов, кроме учитываемого;

• анализа и сравнения — для выявления отдельного объекта;

• индукции — для установления повторяемости объектов;

• обобщения — для выделения группы общих свойств.

После этого становится возможным применение эмпирико-теорети-ческих методов формализации представлений о множестве объектов в виде ряда целых чисел. Результатом счета является число объектов. Основными характеристиками счета являются достоверность и скорость.

2.1.3. Интенсивные величины, удовлетворяющие

отношениям эквивалентности и порядка.

Понятия величины и контроля

Многие свойства, помимо отношения эквивалентности, проявляют себя и в отношении наличия у них количественной ординаты свойства — интенсивности. При расчленении объекта такие свойства обычно не изменяются и называются интенсивными величинами. Путем сравнения интенсивных величин можно определить их соотношение, упорядочить по интенсивности данного свойства. При сравнении интенсивных величин выявляется отношение порядка (больше, меньше или равно), т.е. определяется соотношение между величинами. Примерами интенсивных величин являются твердость материала, запах и др.

Интенсивные величины могут быть обнаружены, классифицированы по интенсивности, подвергнуты контролю, количественно оценены монотонно возрастающими или убывающими числами.

На основании понятия "интенсивная величина" вводятся понятия физической величины (см. 2.1.1) и ее размера. Размер физической величины — количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию ФВ.

Интенсивные величины отображаются путем количественного, главным образом экспертного, оценивания, при котором свойства с большим размером отображаются большим числом, чем свойства с меньшим размером. Интенсивные величины оцениваются при помощи шкал порядка и интервалов, рассмотренных далее.

Объекты, характеризующиеся интенсивными величинами, могут быть подвергнуты контролю. Контроль — это процедура установления соответствия между состоянием объекта и нормой. Для реализации процедуры простейшего однопараметрового контроля свойства X необходимы образцовые объекты, которые характеризуют параметры, равные соответственно нижней X и верхней x_d границам нормы, и устройство сравнения. Результат контроля Q определяется следующим уравнением:

2.1.4. Экстенсивные величины, удовлетворяющие

отношениям, эквивалентности, порядка и

аддитивности. Понятия о единице величины и

измерении

Если физическая величина проявляется в отношениях эквивалентности, порядка и аддитивности, то она может быть: обнаружена, классифицирована, проконтролирована и измерена. Эти величины, называемые экстенсивными, характеризуют обычно физические вещественные или энергетические свойства объекта, например массу тела, электрическое сопротивление проводника и др.

При измерении экстенсивной величины несчетное множество ее размеров отображается на счетное подмножество в виде совокупности чисел Q, которое также должно удовлетворять отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности. Числа Q — это результаты измерений, они могут быть использованы для любых математических операций. Совокупность таких чисел Q должна обладать следующими свойствами:

1. Для проявления в отношении эквивалентности совокупность чисел Q, отображающая различные по размеру однородные величины, должна быть совокупностью одинаково именованных чисел. Это наименование является единицей ФВ или ее доли. Единица физической величины, [Q] — это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице. Она применяется для количественного выражения однородных ФВ.

2. Для проявления в отношениях эквивалентности и порядка число q_1? отображающее большую по размеру величину Q₁ > Q₂, выбирается большим, чем число q₂ , отображающее меньшую по размеру величину Q₂. При этом в обоих случаях используется одна единица ФВ. Для выполнения данного условия в качестве искомой совокупности q,,..., q_n выбирают упорядоченное множество действительных чисел с естественным отношением порядка.

3. Для проявления в отношениях эквивалентности, порядка и аддитивности отвлеченное число, равное оценке суммарной измеряемой величины Q, возникающей в результате сложения составляющих однородных величин Q_i, должно быть равно сумме числовых оценок q_i этих составляющих. Сумма именованных чисел Q_i, отражающих составляющие, должна быть равна именованному числу Q, отражающему суммарную величину:



Если реализовано условие [Q] = [Q_i], т.е. имеет место равенство размеров единиц у всех именованных чисем, отражающих суммарную величину Q и ее составляющие Q_i, то в этом случае вводятся следующие понятия:

значение физической величины Q — это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц;

числовое значение физической величины q — отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной ФВ.

Уравнение

называют основным уравнением измерения. Суть простейшего измерения состоит в сравнении размера ФВ Q с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q[Q]. В результате сравнения устанавливают, что q[Q] < Q < (q + 1)[Q]. Отсюда следует, что q = Int(Q/[Q]), где Int(X) — функция, выделяющая целую часть числа X.

Условием реализации процедуры элементарного прямого измерения является выполнение следующих операций:

• воспроизведение ФВ заданного размера q[Q];

• сравнение измеряемой ФВ Q с воспроизводимой мерой величиной q[Q].

Таким образом, на основе использования общих постулатов эквивалентности, порядка и аддитивности получено понятие прямого измерения, которое может быть сформулировано следующим образом: измерение — познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной ФВ с известной ФВ, принятой за единицу измерения.

Ограниченность числового значения q измеряемой величины Q приводит при отображении к гомоморфизму, т.е. к неоднозначности при отображении. Измерение является гомоморфным отображением, так как данному размеру Q в диапазоне от q [Q] до (q+1) [Q] соответствует только одно значение Q₀= q [Q] (рис. 2.3), а данному Q₀ — множество размеров Q в указанном диапазоне.


Рис. 2.3. Гомоморфизм операции измерения
Гомоморфизм вносит вероятностный аспект в отображение не только случайной, но и постоянной величины и является причиной появления неизбежной методической погрешности измерения — погрешности квантования. Эта погрешность возникает из-за принципиального несовершенства измерения как метода отображения непрерывного размера величины числом с ограниченным количеством разрядов.

2.1.5. Шкалы измерений

В практической деятельности необходимо проводить измерения различных величин, характеризующих свойства тел, веществ, явлений и процессов. Как было показано в предыдущих разделах, некоторые свойства проявляются только качественно, другие — количественно. Разнообразные проявления (количественные или качественные) любого свойства образуют множества, отображения элементов которых на упорядоченное множество чисел или в более общем случае условных знаков образуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений количественного свойства является шкалой ФВ. Шкала физической величины — это упорядоченная последовательность значений ФВ, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений. Термины и определения теории шкал измерений изложены в документе МИ 2365—96.

В соответствии с логической структурой проявления свойств различают пять основных типов шкал измерений.

1. Шкала наименований (шкала классификации). Такие шкалы используются для классификации эмпирических объектов, свойства которых проявляются только в отношении эквивалентности. Эти свойства нельзя считать физическими величинами, поэтому шкалы такого вида не являются шкалами ФВ. Это самый простой тип шкал, основанный на приписывании качественным свойствам объектов чисел, играющих роль имен.

В шкалах наименований, в которых отнесение отражаемого свойства к тому или иному классу эквивалентности осуществляется с использованием органов чувств человека, наиболее адекватен результат, выбранный большинством экспертов. При этом большое значение имеет правильный выбор классов эквивалентной шкалы — они должны надежно различаться наблюдателями, экспертами, оценивающими данное свойство. Нумерация объектов по шкале наименований осуществляется по принципу: "не приписывай одну и ту же цифру разным объектам". Числа, приписанные объектам, могут быть использованы для определения вероятности или частоты появления данного объекта, но их нельзя использовать для суммирования и других математических операций.

Поскольку данные шкалы характеризуются только отношениями эквивалентности, то в них отсутствует понятия нуля, "больше" или "меньше" и единицы измерения. Примером шкал наименований являются широко распространенные атласы цветов, предназначенные для идентификации цвета.

2. Шкала порядка (шкала рангов). Если свойство данного эмпирического объекта проявляет себя в отношении эквивалентности и порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства, то для него может быть построена шкала порядка. Она является монотонно возрастающей или убывающей и позволяет установить отношение больше/меньше между величинами, характеризующими указанное свойство. В шкалах порядка существует или не существует нуль, но принципиально нельзя ввести единицы измерения, так как для них не установлено отношение пропорциональности и соответственно нет возможности судить во сколько раз больше или меньше конкретные проявления свойства.

В случаях, когда уровень познания явления не позволяет точно установить отношения, существующие между величинами данной характеристики, либо применение шкалы удобно и достаточно для практики, используют условные (эмпирические) шкалы порядка. Условная шкала — это шкала ФВ, исходные значения которой выражены в условных единицах. Например, шкала вязкости Энглера, 12-бальная шкала Бофорта для силы морского ветра.

Широкое распространение получили шкалы порядка с нанесенными на них реперными точками. К таким шкалам, например, относится шкала Мооса для определения твердости минералов, которая содержит 10 опорных (реперных) минералов с различными условными числами твердости: тальк — 1; гипс — 2; кальций — 3; флюорит — 4; апатит — 5; ортоклаз — 6; кварц — 7; топаз — 8; корунд — 9; алмаз — 10. Отнесение минерала к той или иной градации твердости осуществляется на основании эксперимента, который состоит в том, что испытуемый материал царапается опорным. Если после царапанья испытуемого минерала кварцем (7) на нем остается след, а после ортоклаза (6) — не остается, то твердость испытуемого материала составляет более 6, но менее 7. Более точного ответа в этом случае дать невозможно.

В условных шкалах одинаковым интервалам между размерами данной величины не соответствуют одинаковые размерности чисел, отображающих размеры. С помощью этих чисел можно найти вероятности, моды, медианы, квантили, однако их нельзя использовать для суммирования, умножения и других математических операций.

Определение значения величин при помощи шкал порядка нельзя считать измерением, так как на этих шкалах не могут быть введены единицы измерения. Операцию по приписыванию числа требуемой величине следует считать оцениванием. Оценивание по шкалам порядка является неоднозначным и весьма условным, о чем свидетельствует рассмотренный пример.

3. Шкала интервалов (шкала разностей). Эти шкалы являются дальнейшим развитием шкал порядка и применяются для объектов, свойства которых удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности. Шкала интервалов состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало — нулевую точку. К таким шкалам относится летоисчисление по различным календарям, в которых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо рождество Христово и т.д. Температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта и Реомюра также являются шкалами интервалов.

На шкале интервалов определены действия сложения и вычитания интервалов. Действительно, по шкале времени интервалы можно суммировать или вычитать и сравнивать, во сколько раз один интервал больше другого, но складывать даты каких-либо событий просто бессмысленно.

Шкала интервалов величины Q описывается уравнением

Q = Q₀ + q[Q], где q — числовое значение величины; Q₀ — начало отсчета шкалы; [Q] — единица рассматриваемой величины. Такая шкала полностью определяется заданием начала отсчета Q₀ шкалы и единицы данной величины [Q].

Задать шкалу практически можно двумя путями. При первом из них выбираются два значения Q₀₎ и Q₁ величины, которые относительно просто реализованы физически. Эти значения называются опорными точками, или основными реперами, а интервал (Q₁ - Q₀) — основным интервалом. Точка Q₀ принимается за начало отсчета, а величина (Q₁ -Q₀)/n = [Q] за единицу Q. При этом n выбирается таким, чтобы [Q] было целой величиной.

Перевод одной шкалы интервалов Q = Q₀₁ + q₁[Q]₁ в другую

Q = Q₀₂ + q₂[Q]₂ осуществляется по формуле

Пример 2.1. Шкала Фаренгейта является шкалой интервалов. На ней Q₀—температура смеси льда, поваренной соли и нашатыря, Q₁— температура человеческого тела. Единица измерения - - градус Фаренгейта :


Температура таяния смеси льда, соли и нашатыря оказалась равной 32°F, а температура кипения воды — 212 F.

На шкале Цельсия Q₀ — температура таяния льда, Q₁ — температура кипения воды. Градус Цельсия [Q_c] = (Q₁— Q₂) / 100 = 1°С .

Требуется получить формулу для перехода от одной шкалы к другой.

Формула для перехода определяется в соответствии с выражением (2.2). Значение разности температур по шкале Фаренгейта между точкой кипения воды и точкой таяния льда составляет 212 F-32 F = 180 F. По шкале Цельсия этот интервал температур равен 100 С. Следовательно, 100 °С = 180 °F и отношение размеров единиц



Числовое значение интервала между началами отсчета по рассматриваемым шкалам, измеренного в градусах Фаренгейта ([Q],=°F), равно 32. Переход от температуры по шкале Фаренгейта к температуре по шкале Цельсия производится по формуле

При втором пути задания шкалы единица воспроизводится непосредственно как интервал, его некоторая доля или некоторое число интервалов размеров данной величины, а начало отсчета выбирают каждый раз по-разному в зависимости от конкретных условий изучаемого явления. Пример такого подхода — шкала времени, в которой 1 с = 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. За начало отсчета принимается начало изучаемого явления.

4. Шкала отношений. Эти шкалы описывают свойства эмпирических объектов, которые удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности (шкалы второго рода — аддитивные), а в ряде случаев и пропорциональности (шкалы первого рода — пропорциональные). Их примерами являются шкала массы (второго рода), термодинамической температуры (первого рода).

В шкалах отношений существует однозначный естественный критерий нулевого количественного проявления свойства и единица измерений, установленная по соглашению. С формальной точки зрения шкала отношений является шкалой интервалов с естественным началом отсчета. К значениям, полученным по этой шкале, применимы все арифметические действия, что имеет важное значение при измерении ФВ.

Шкалы отношений — самые совершенные. Они описываются уравнением Q = q[Q], где Q — ФВ, для которой строится шкала, [Q] — ее единица измерения, q — числовое знамение ФВ. Переход от одной шкалы отношений к другой происходит в соответствии с уравнением q₂ = q1[Q₁]/ [Q₂].

5. Абсолютные шкалы. Некоторые авторы [22,23] используют понятие абсолютных шкал, под которыми понимают шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеющие естественное однозначное определение единицы измерения и не зависящие от принятой системы единиц измерения. Тякие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициентам усиления, ослабления и др. Для образования многих производиых единиц в системе СИ используются безразмерные и счетные единицы абсолютных шкал.

Отметим, что шкалы наименований и порядка называют неметрическими (концептуальными), а шкалы интервалов и отношений — метрическими (материальными). Абсолютные и метрические шкалы относятся к разряду линейных. Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стандартизации как самих шкал и единиц измерений, так и, в необходимых случаях, способов и условий их однозначного воспроизведения.