1.2. Объекты измерений и их меры

Основополагающим понятием метрологии является измерение. Измерения количественно характеризуют окружающий нас мир, позволяют раскрывать действующие в природе закономерности. "Наука начинается... с тех пор, как начинают измерять ", - так образно отметил роль измерений один из основоположников отечественной метрологии Дмитрий Иванович Менделеев. К понятию "измерение" как познавательному процессу, заключающемуся в сравнении неизвестной величины с однородной ей величиной, принятой за единицу, мы возвратимся в следующей главе. А пока продолжим рассмотрение других понятий, терминов и определений.

Объект измерения - это тело, физическая система, процесс, явление и так далее, которые характеризуются одной или несколькими измеряемыми или подлежащими измерению физическими величинами.

Например, вал, у которого измеряют диаметр; технологический процесс производства изделия из твердого сплава, в котором измеряют массу изделия, температуры спекания, давление прессования. В данных случаях вал и технологический процесс являются объектами измерения.

Объектами измерений могут быть не только физические величины (длина, время, температура, энергия активации процесса, теплота превращения), но и экономические (экономические показатели), например, стоимость, а также показатели качества в квалиметрии, балльные оценки знаний учащихся учебных заведений (см. Приложение 3), балльные показатели загрязненности стали неметаллическими включениями, балльные оценки карбидной полосчатости и другие. В металловедении балльные оценки, особенно при описании структур (строения) металлов и сплавов, как нигде в других отраслях знаний, получили широкое распространение. Балльные оценки обладают очевидными достоинствами (простота, экспрессность), но они достаточно субъективны, так как выражают отношение к объекту измерений, определяемое личными взглядами, вкусами, интересами оператора – человека, который не вполне точно и всесторонне воспроизводит объект измерений.

Физическая величина (ФВ) - одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Так диаметр является характеристикой многих объектов измерений. Диаметр, как одна из характеристик, может быть у проволоки, колеса, атома, планеты. Индивидуальность в количественном отношении будет проявляться в том, что значение измеряемой величины (диаметра) будет для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем у другого. Количественно индивидуальное свойство характеризуют размером.

Размер физической величины - это количественная характеристика физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению, процессу.

Например, скорость, температура, твёрдость - свойства, присущие самым разным объектам измерений, но у одних объектов данного свойства больше, у других меньше. Следовательно, и размеры скорости, температуры, твёрдости у одних физических объектов больше, чем у других.

Очень часто в словосочетании "размер физической величины" слово "размер" опускают или заменяют его словосочетанием "значение физической величины". Действительно, в повседневной жизни мы редко говорим о "размере температуры у больного", "размере атмосферного давления". Но, строго говоря, метрология требует этого.

Два любых размера одной и той же физической величины (например, диаметра) можно легко сравнить между собой, то есть найти, во сколько раз один размер больше другого. Если же надо сравнить между собой m размеров Q₁,Q₂,...,Q_m, то при таком подходе общее количество сравниваемых пар размеров будет равно числу сочетаний из m размеров по два, то есть . Например, для 5 размеров надо сделать сравнений. Это неудобно, сложно и долго. Значительно легче сравнить каждый из размеров ФВ с одним размером [Q] однородной ФВ, если принять его за единицу размера ФВ или сокращенно - за единицу ФВ. В результате такого сравнения получаем выражение размеров Q₁, Q₂... Q_m в виде некоторых чисел n₁, n₂,..., n_m единиц ФВ: Q₁=n₁[Q]; Q₂=n₂[Q];...; Q_m=n_m[Q].

Если сравнение выполняется экспериментально, то потребуется всего m экспериментов, а не . Сравнение размеров Q₁, Q₂,…, Q_m между собой в этом случае может быть выполнено просто путем вычислений типа

.

Уравнение (1.1)

где Q - размер ФВ (или значение ФВ), n – числовое значение размера ФВ, [Q] - единица ФВ, называют основным уравнением измерения. Значение ФВ здесь уже представляет именованное число, состоящее из числового значения размера ФВ (числового значения ФВ) и наименования единицы ФВ.

Числовое значение ФВ (синонимы: числовое значение величины, числовое значение) - это число (n_i), входящее в значение физической величины. Например, при n = 3,8 и [Q] = грамм, размер массы тела Q = 3,8 грамма; при n = 0,7 и [Q] = ампер, размер силы тока равен 0,7 ампера. Обычно, вместо "размер массы равен 3,8 грамма", "размер силы тока равен 0,7 ампера" говорят и пишут кратко: "масса равна 3,8 грамма", "сила тока равна 0,7 ампера".

Один и тот же размер Q может быть выражен разными числовыми значениями в зависимости от единицы ФВ. Например, Q = 2 часа = 120 минут = 7200 секунд = 1/12 суток.

Если теперь взять две различные единицы [Q₁] и [Q₂], то можно записать Q=n₁[Q₁]=n₂ [Q₂], откуда , то есть числовое значение ФВ (n_i) обратно пропорционально ее единице [Q_i].

Размер ФВ не зависит от выбранной единицы ФВ, а числовое значение зависит - из этого вытекает условие однозначности измерений, заключающееся в том, что отношение двух значений ФВ не должно зависеть от того, какие единицы использовали при измерении. Например, отношение скорости автомобиля к скорости лошади не зависит от того, выражены ли эти скорости в км/час или в м/с.

Это очевидное и непреложное правило метрологии пока не удается соблюсти при измерениях некоторых ФВ, относящихся к материаловедению (твёрдость, светочувствительность).

То есть: тогда как .

Поэтому, строго говоря, единицы твёрдости, светочувствительности есть не единицы ФВ, а некоторые условные числовые характеристики, называемые условными единицами ФВ.