Изопределения метрологии следует, что основным понятием её и ее производных – стандартизации и сертификации, является единица измерения физической величины ( для некоторых величин – шкала). В дальнейшем будем говорить «физическая единица», или просто – единица.
Единица измерения - это физическая величина (конкретная), числовое значение которой по условию принято равным 1.
Шкалой величиныназывается принятая по соглашению последовательность значений одноимённых величин различного размера (напр., температурная шкала, шкала твёрдости по Бринеллю).
В метрологии, как и в физике, величина трактуется, как общее свойство в качественном и в количественном отношении для многих объектов (систем), а также как индивидуальное свойство для каждого объекта. Т. е. как свойство, которое может быть для одного объекта в то или иное число раз больше или меньше, чем для другого (напр., длина, масса, плотность, температура, сила, скорость).
Величины можно разделить на два вида: реальные и идеальные (рис. 1.1).
Рис.1.1. Классификация величин
Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий.
Реальные величины делятся, в свою очередь, на физические и нефизические.
Физическая величина (ФВ) в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках.
К нефизическим относятся величины, присущие общественным (нефизическим) наукам - философии, социологии, экономике и т.д.
Рекомендации по межгосударственной стандартизации (РМГ 29-99) трактуют 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 и про цессов, с помощью которых они могут быть изучены.
Физические величины подразделяются на измеряемые и оцениваемые.
Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде определённого 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. Величины оценивают при помощи шкал.
Шкала 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. Стоит отметить, что оценивание нефизических величин не входит в задачи теоретической метрологии.
Физические величины классифицируются (рис.1.2)
По видам явлений ФВ делятся на следующие группы:
- вещественные, т.е. описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе 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. К 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 рода 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.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
Энергетические (активные) |
Вещественные (пассивные) |
Характеризующие процессы |
Пространственно-временные |
Механические |
Тепловые |
Электрические и магнитные |
Акустические |
Световые |
Ионизирующих излучений |
Атомной и ядерной физики |
Физико-химические |
Основные |
Производные |
Дополнительные |
Размерные |
Безразмерные |
Рис. 1.2. Классификация физических величин |
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 количество вещества. К дополнительным физическим величинам относятся плоский и телесный углы.
По наличию размерности ФВ делятся на размерные величины, т. е. имеющие размерность, и безразмерные.
Измерение — познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной ФВ с известной ФВ, принятой за единицу измерения.
В практической деятельности необходимо проводить измерения различных величин, характеризующих свойства тел, веществ, явлений и процессов. 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 метрологической инструкции 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.
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-балльная шкала Бофорта для измерения силы морского ветра.
Широкое распространение получили шкалы порядка с нане сенными 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.
2. 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 летосчисление по различным календарям, в которых за начало отсчета Принято либо сотворение мира, либо Рождество Христово и т.д. [1] Температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта, Реомюра также являются шкалами интервалов.
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. 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.
5. Абсолютные шкалы.
Под абсолютными понимают шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеющие естественное однозначное определение единицы измерения и не зависящие от принятой системы единиц измерения.
Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, ослабления и др. Для образования многих производных единиц в системе СИ используются безразмерные и счетные единицы абсолютных шкал.
Отметим, что шкалы наименований и порядка называют неметрическими (концептуальными), а шкалы интервалов и отноше ний — метрическими (материальными).
Абсолютные и метричес кие 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.