Объекты и методы измерений

Юридическая ответственность за нарушение нормативных требований по метрологии

Статья 25 ФЗ «Об обеспечении единства измерений» предусматривает возможность привлечения юридических и физических лиц, а также государственных органов управления РФ, виновных в нарушении положений этого Закона к административной, гражданской, правовой или уголовной ответственности в соответствии с действующим законодательством.

Кодексом об административных нарушениях и, в частности, статьи 170 «Нарушение обязательных требований государственных стандартов, правил обязательной сертификации, нарушение требований нормативных документов по обеспечению единства измерений» предусмотрено наложение штрафа от пяти до ста минимальных размеров оплаты труда.

Гражданско-правовая ответственность наступает в ситуациях, когда в результате нарушений метрологических правил и норм юридическим или физическим лицам причинён имущественный или иной ущерб. Причинённый ущерб подлежит возмещению по иску потерпевшего на основании соответствующих актов гражданского законодательства.

К уголовной ответственности нарушители метрологических требований привлекаются в тех случаях, когда имеются признаки состава преступления, предусмотренные Уголовным кодексом.

Дисциплинарная ответственность за нарушение метрологических правил и норм определяется решением администрации (организации) на основании Трудового кодекса.

Измерения являются инструментом познания объектов и явлений окружающего мира. Объектами измерений являются физические объекты и процессы окружающего нас мира. Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. Свойство – это 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, что 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.

Величины можно разделить на два вида: реальные и идеальные (рис. …)

ВЕЛИЧИНЫ

Реальные Идеальные

Физические Нефизические Математические

Измеряемые Оцениваемые

Рисунок … 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), которые изучают в естественных (физика, химия) и технических науках. К нефизическим следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам – философии, социологии, экономике и другим.

Рекомендации РМГ 29 – 99 определяют физическую величину, как свойство физических объектов (систем) общее в качественном отношении многим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта, то есть как свойство, которое может быть для одного объекта в то или иное число раз больше или меньше, чем для другого (например, длина, масса, плотность, температура, сила, скорость). Таким образом, физические величины – это измеряемые свойства физических объектов и процессов, с помощью которых они могут быть изучены. Количественное содержание свойства, соответствующего понятию физическая величина, в данном объекте – это размер физической величины. Размер физической величины существует объективно, вне зависимости от того, что о нём известно.

Совокупность величин, связанных между собой зависимостями, образуют систему физических величин. Объективно существующие зависимости между физическими величинами представляют рядом независимых уравнений. Число уравнений m всегда меньше числа величин n. Поэтому m величин данной системы определяют через другие величины, а n величин – независимо друг от других. Последние величины принято называть основными физическими величинами, а остальные - производными физическими величинами.

Физические величины целесообразно разделить 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 – это упорядоченная последовательность её 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.

Для более детального изучения ФВ необходимо классифицировать (рис. …) и выявить общие метрологические особенности их отдельных групп.

По видам явлений ФВ делятся на следующие группы:

- вещественные, то есть описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, ёмкость, индуктивность и другие. 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, то есть 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 другие.

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. Вся современная физика может быть построена на семи основных величинах, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. К ним относятся: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. К дополнительным физическим величинам относятся плоский и телесный углы.

По наличию размерности ФВ делятся на размерные, то есть имеющие размерность, и безразмерные.

Совокупность чисел Q, отображающая различные по размеру однородные величины, должна быть совокупностью одинаково именованных чисел. Это именование является единицей ФВ или её доли. Единица физической величины [Q] – это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, применяется для количественного выражения однородных ФВ.

Значение физической величины Q – это оценка её размера в виде некоторого числа принятых для неё единиц.

Числовое значение физической величины q – это отвлечённое число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной ФВ.

Уравнение

Q = q[Q]

называют основным уравнением измерения. Суть простейшего измерения состоит в сравнении ФВ Q с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q[Q]. В результате сравнения устанавливают, что q[Q]<Q<(q +1)[Q].

Измерение – это отображение эмпирической системы в числовую систему, сохраняющую порядок отношений между объектами, то есть это познавательный процесс, заключающийся в сравнении путём физического эксперимента данной ФВ с известной ФВ, принятой за единицу измерения, или совокупность операций по применению системы измерений для получения значения измеряемой физической величины.

Качество измерений представляет собой совокупность свойств состояния измерений, обеспечивающих результаты измерений с требуемыми точностными характеристиками, получаемые в необходимом виде за определённый отрезок времени.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

Энергетические Вещественные Характеризующие процессы

(активные) (пассивные)

Пространственно- Механические Тепловые Электрические Акустические Световые

временные и магнитные

Ионизирующих Атомной и ядерной Физико-химические

излучений

Основные Производные Дополнительные

Размерные Безразмерные

Рисунок …. Классификация физических величин

Основные свойства состояния измерений:

- точность результатов измерений;

- воспроизводимость результатов измерений;

- сходимость результатов измерений;

- быстрота получения результатов;

- единство измерений.

При этом под воспроизводимостью результатов измерений понимается близость результатов измерений одной и той же величины, полученные в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, однако в одних и тех же условиях измерений (температуре, давлении, влажности и т. д.).

Сходимость результатов измерений – это близость результатов измерений одной и той же величины, проведённых повторно с применением одних и тех же средств, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с той же тщательностью.

Любое измерение или количественное оценивание чего-либо осуществляется, используя соответствующие шкалы. Шкала измерений количественного свойства является шкалой ФВ.

Шкала – это упорядоченный ряд отметок, соответствующий соотношению последовательных значений измеряемых величин. Шкалой измерений называется принятая по соглашению последовательность значений одноимённых величин различного размера.

Термины и определения теории шкал измерений изложены в нормативном документе МИ 2365 – 96.

В метрологии шкала измерений является средством адекватного сопоставления и определения численных значений отдельных свойств и качеств различных объектов. Практически используют пять основных видов шкал измерений.

1. Шкала наименований (шкала классификации или номинальная шкала). 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 имён.

В шкалах наименований, в которых отнесение отражаемого свойства к тому или иному классу эквивалентности осуществляется с помощью органов чувств человека, - это наиболее адекватный результат, выбранный большинством экспертов. При этом большое значение имеет правильный выбор классов эквивалентной шкалы – они должны 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 только для определения вероятности или частоты появления данного объекта, но их нельзя применять для суммирования или других математических операций.

Поскольку данные шкалы характеризуются только отношениями эквивалентности, то в них отсутствуют понятия нуля, больше или меньше и единицы измерения. Примером шкал наименований являются 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, лучше / хуже 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 измерения силы ветра.

Широкое распространение получили шкалы порядка с нанесёнными на них реперными точками (точками бифуркации). К таким шкалам, например, относится шкала Мооса для определения твёрдости минералов, которая содержит 10 опорных (реперных) минералов с различными условными числами твёрдости: тальк – 1; гипс – 2; кальций – 3; флюрит – 4; апатит – 5; ортоклаз – 6; кварц – 7; топаз – 8; корунд – 9; алмаз -10. Отнесение минерала к той или иной градации твёрдости осуществляется на основании эксперимента, который состоит в том, что испытуемый материал царапается опорным. Если после царапанья испытуемого минерала кварцем (7) на нём остаётся след, а после ортоклаза (6) – не остаётся, то твёрдость испытуемого материала составляет более 6, но менее 7.

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.

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 относятся летоисчисление по различным календарям, в которых за начало отсчёта 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. По шкале времени интервалы можно суммировать или вычитать и сравнивать, во сколько раз один интервал больше другого.

Шкалы интервалов величины Q можно представить в виде уравнения

Q = Qo + q[Q],

где q – числовое значение величины;

Qo – начало отсчёта шкалы;

[Q] – единица рассматриваемой величины.

Такая шкала полностью определяется заданием начала отсчёта Qo шкалы и единицы данной величины [Q].

Задать шкалу можно двумя вариантами. При первом выбираются два значения Qo и Q величины, которые относительно просто реализованы физически. Эти значения называются опорными точками, или основными реперами, а интервал (Q – Qo) – основным интервалом. Точка Qo принимается за начало отсчёта, а величина (Q – Qo) /n = [Q] за единицу Q. При этом число единиц n выбирается таким, чтобы [Q] было целой величиной.

Перевод одной шкалы интервалов Q = Qo + q[Q] в другую Q = Qo + q[Q] осуществляется по формуле

q =

При втором варианте единица воспроизводится непосредственно как интервал, его некоторая доля или некоторое число интервалов размеров данной величины, а начало отсчёта 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 отсчёта 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 единицы измерений. С формальной точки зрения шкала отношений является шкалой интервалов с естественным началом отсчёта. К значениям, полученным по этой шкале, применимы все арифметические действия, что имеет важное значение при измерении ФВ.

Шкалы отношений – это самые совершенные шкалы. Они описываются уравнением

Q = q[Q],

где Q – это ФВ, для которой строится шкала;

[Q] – это её единица измерений;

q – это числовое значение ФВ.

Переход от одной шкалы отношений к другой происходит в соответствии с уравнением

q = q[Q] / [Q].

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 другим. Для образования многих производных единиц в системе СИ используются безразмерные и счётные единицы абсолютных шкал.

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

Измерение (сравнение неизвестного с известным) происходит под влиянием множества случайных и неслучайных, аддитивных (прибавляемых) и мультипликативных (умножаемых) факторов, точный учёт которых невозможен, а результат совместного воздействия непредсказуем.

Основной постулат метрологии – отсчёт является случайным числом.

Математическая модель измерения по шкале сравнения имеет вид

q = (Q + V) / [Q] + U,

где q – результат измерения (числовое значение величины Q);

Q – значение измеряемой величины;

[Q] – единица данной физической величины;

V – масса тары (например, при взвешивании);

U – слагаемая от аддитивного воздействия

Q = q[Q] - U[Q] – V.

При однократном измерении

Q = q[Q] +,

где q[Q] - результат измерения (однократного);

= - U[Q] – V – суммарная поправка.

Значение измеряемой величины при многократном измерении

Q = 1 / Q

Дата добавления: 2014-01-06