Общая характеристика объектов измерений

Основным объектом измерения в метрологии яв­ляются физические величины.

Физическая величина (краткая форма термина — «величина») применяется для описания материаль­ных систем и объектов (явлений, процессов и т.п.), изучаемых в любых науках (физике, химии и др.). Как известно, существуют основные и производные величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. Механика базируется на трех основных величинах, теплотехника — на четырех, физика — на семи. ГОСТ 8.417 устанавливает семь основных физических величин — длина, масса, вре­мя, термодинамическая температура, количество ве­щества, сила света, сила электрического тока, с по­мощью которых создается все многообразие произ­водных физических величин и обеспечивается описа­ние любых свойств физических объектов и явлений.

Измеряемые величины имеют качественную и ко­личественную характеристики.

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

dim l =L; dim m = М; dim t = Т.

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

dim X= L^a • М¹³ • Т^у ...,

где L, M, T — размерности соответствующих основ­ных физических величин; а, b, с — показатели раз­мерности (показатели степени, в которую возведены размерности основных физических величин).

Каждый показатель размерности может быть по­ложительным или отрицательным, целым или дроб­ным, нулем. Если 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 или 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 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. Операция расстановки разме­ров в порядке их возрастания или убывания с целью получения измерительной информации по шкале_порядка называется ранжированием. Для обеспечения измерений по шкале порядка некоторые точки на ней можно зафиксировать в качестве опорных (реперных). Точкам шкалы могут быть присвоены_цифры, часто называемы 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 двенадцатибалльной 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, a другая наиболее мягкому – тальку, нельзя

сделать заключение о соотношении эталонных материалов по твердости. Так, если твердость алмаза по шкале 10, а кварца — 7, то это не означает, что пер­вый тверже второго в 1,4 раза. Определение твердости путем вдавливания алмазной пирамиды- (метод М.М.Хрущева) показывает, что твердость алмаза 10060, а кварца — 1120, т.е. в 9 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, 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 °СЦ1р шкале отношений можно определить не только на сколько один размер больше или меньше другого, но и во сколько раз 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 физической 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 физической величины получают в ре­зультате ее измерения или вычисления в соответст­вии с основным уравнением измерения:

Q = X[Q],(2)

где Q— значение физической 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 Q = 10 см при Х = 10 и [Q] = 1 см;

Q₂ = 100 мм при Х₂ = 100 и [Q₂]= 1 мм; Q = Q₂, так как 10 см. =100 мм. Приме­нение различных единиц (1 см и 1 мм) привело кизменению числового значения результата изме­рений.