Измерение - От действительности к абстракции через шкалы - 2003

Библиографический список

1Пфанцагль И. Теория измерений. - М.: Мир, 1976.

2Пиатровский Я. Теория измерений для инженеров. - М.:

Мир, 1989.

3Кнорринг В.Г. Теоретические основы информационноизмерительной техники. Основные понятия теории шкал: Конспект лекций. - Л.: Изд-во ЛПИ, 1983.

4Орнатский П.П. Общенаучные методы познания. - Киев: Общество "Знание", 1984.

5Философский словарь/ Под ред. И.Т.Фролова. - М.: Политиздат, 1980.

6Корнеева Т.В. Толковый словарь по метрологии, измерительной технике и управлению качеством. Основные термины. -

М.: Рус.яз., 1990.

7РМГ 29-99 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.

8Кузнецов В.А Общая метрология/ Г.В.Ялунина. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2001.

9Сергеев А.Г. Метрология. Карманная энциклопедия студента/ Крохан В.В.. - М.: Логос, 2001.

10Гордов А.Н. Основы температурных измерений/ О.М.Жагулло, А.Г. Иванова. - М.: Энергоатомиздат, 1992.

24

Министерство образования Российской Федерации Пензенский государственный университет Факультет автоматики и информационной техники Кафедра метрологии и систем качества

Г.П. Шлыков

ИЗМЕРЕНИЕ

ОТ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТИ К АБСТРАКЦИИ ЧЕРЕЗ ШКАЛЫ

Лекция

Рекомендовано к использованию в учебном процессе решением кафедры "Метрология и системы качества"

от 15 октября 2003 г., протокол № 2

2003

УДК 51: 53.08

Шлыков Г.П. Измерение. От действительности к абстракции через шкалы: Лекция.– Пенза: ПГУ, каф. МСК, 2003. – 25 с. (В помощь студенту, серия "Метрология", Вып. 5).

Переход от философского понятия "познание" к техническому понятию "измерение" рассматривается в разделе "Теория измерений".

Приводятся виды шкал, устанавливающие соотношения между эмпирически получаемыми значениями величин, как отображениями состояний свойств объектов в действительности, и являющиеся фундаментом для дальнейшего рассмотрения процессов измерений, а от них к технологиям измерений.

Лекция предназначена для студентов направления 653800 "Стандартизация, сертификация и метрология" при изучении фундаментальной дисциплины "Метрология".

Рецензент: А.А.Данилов, доктор тех. наук.

© Г.П. Шлыков, 2003

Издательский комплекс кафедры МСК ПГУ.

Компьютерная верстка Н.Ю. Белоглазовой, М.В. Перевертиной Технический редактор Н.Ю.Белоглазова Внутрикафедральное издание Заказ №6 от 9 сентября 2003 г. Тираж 15 экз. http://.stup.ac.ru

2

ТШГТС, основанная на зависимости сопротивления германиевого термометра от температуры.

Считается, что температуры, полученные по ВПТШ-76, отличаются от термодинамических не более чем на 0,001 К.

Для дальнейшего сближения МПТШ и термодинамической температурной шкалы Консультативный комитет по термометрии в 1989 г. внес некоторые изменения в рекомендуемые методы ее воспроизведения. Уточнение приведено в Положении о воспроизведении шкалы, получившей название Международной температурной шкалы — 90 (МТШ-90).

Среди импортных приборов можно встретить такие, у которых шкалы отградуированы в градусах Фаренгейта (°F). Точно так же в зарубежной технической литературе нередко приводятся результаты измерений или расчетов температур, выраженные в градусах Фаренгейта. В современной шкале Фаренгейта от первоначальной шкалы жидкостно-стеклянного термометра сохранились только числовые значения реперных точек: точке таяния льда приписано значение 32 °F, а точке кипения воды — значение 212 °F. В промежутке между этими температурами шкала наносится способом, предусмотренным МПТШ, и она утратила свойства, присущие первоначальной эмпирической шкале. Интервал температур между точками кипения воды и таяния льда делится на 180 равных частей.

Для перевода числовых значений температур, выраженных в градусах Фаренгейта, в градусы Цельсия применяется со-

отношение °С = 5/9(°F ─ 32).

В зарубежной литературе можно также встретить выражение температур в градусах Ренкина, для перехода от которых к Кельвинам применяется соотношение К=5/9°Rn.

Так, для температуры таяния льда в градусах Ренкина будем иметь 273,15·9/5 = 491,67 °Rn.

На рисунке 4 (страница 12) показаны для сопоставления шкалы Цельсия, Реомюра, Фаренгейта и Кельвина.

23

Реперные точки	Т, К
Точка перехода сверхпроводимости кадмия	0,519
Точка перехода сверхпроводимости цинка	0,851
Точка перехода сверхпроводимости алюминия	1,1796
Точка перехода сверхпроводимости индия	3,4145
Точка кипения гелия	4,2221
Точка перехода сверхпроводимости свинца	7,1999
Тройная точка водорода	13,8044
Точка кипения водорода при нормальном
давлении	20,2735
Тройная точка неона	24,5591
Точка кипения неона	27,102

Интерполирование значений температур между реперными точками рекомендовано производить следующими способами:

1)выше Т = 13,91 К используется МПТШ-68 с введением поправок, максимальное значение которых не превышает 7,4 мК при 19 К;

2)ниже Т = 13,81 К используются предложенные Национальным бюро эталонов США шкалы "4Не 1958" и "3Не 1962", основанные на изменении с температурой давления насыщенных паров гелия с введением соответствующих поправок, максимальное значение которых достигает 7,1 мК при 5 К.

В СССР и в России в соответствии с ГОСТ 8.157-75 "Шкалы температурные практические" для интервала температур от 0,01 до 0,8 К установлена шкала термометра магнитной восприимчивости ТШТМВ, основанная на зависимости магнитной восприимчивости термометра из церий-магниевого нитрата от температуры. Эта зависимость выражается законом Кюри.

Для интервала температур от 0,8 до 1,5 К установлена шкала 3Не 1962, основанная на зависимости давления насыщен-

ных паров изотопа гелия-3 от температуры, а для интервала температур от 1,5 до 4,2 К установлена шкала 4Не 1958, использующая зависимость давления насыщенных паров изотопа Не от температуры.

Для интервала температур от 4,2 до 13,81 К установлена шкала германиевого термометра электрического сопротивления

22

Вместо введения

(Из книги И. Пфанцагля "Теория измерений")

Объектами измерений являются свойства. Вес, цвет, умственные способности - типичные примеры для иллюстрации смысла, который здесь придается слову "свойства". Если мы говорим о различных проявлениях свойства, то имеем в виду, например, красный, голубой, зеленый, …

Конечно, свойства существуют только в связи с эмпирическими объектами (подвергшимися опыту - Г.Ш.), такими, как физические тела, электромагнитные волны, люди. Электромагнитные волны, например, обладают свойством "цвет". Обычно один объект проявляет различные свойства: тон, например, обладает громкостью, высотой и тембром. Измеряя одно свойство, мы пренебрегаем всеми другими свойствами, которыми может обладать объект. При измерении веса, например, мы пренебрегаем такими свойствами тел, как форма и цвет. При измерении оттенка мы пренебрегаем яркостью и насыщенностью, а также временем и местом восприятия цвета. Таким образом, совершенно несходные объекты могут стать эквивалентными, если наше рассмотрение ограничено одним свойством: например, все тела одного веса считаются эквивалентными безотносительно к их форме и цвету.

Когда мы говорим, что свойство обладает определенной структурой, мы имеем в виду любую структуру, детерминированную (обусловленную - Г.Ш.) эмпирическими отношениями между эмпирическими объектами. Эта общая формулировка также распространяется на случай "эмпирических отношений" … В качестве примера рассмотрим свойство, называемое "высотой тона". Простейшим эмпирическим отношением между двумя тонами, связанным со структурой этого свойства, является утверждение испытуемого о том, какой из двух тонов выше. Далее, испытуемый может определить высоту тона, лежащую между двумя данными высотами. Рассмотрим в качестве другого примера свойство "электрическое сопротивление". Простым сравнением мы можем определить, имеют ли два реостата одинаковое электрическое сопротивление, и если нет, то сопротивление какого из них больше. Кроме того, реостаты можно включить последовательно, и такая операция придаёт свойству сопротивление" определённую структуру, формально эквивалентную аддитивности (сложению - Г.Ш.).

Несмотря на то, что мы всегда исходим из отношений между объектами, предмет измерения составляют свойства, ане сами объекты.

3

1 Основные понятия измерения как процесса познания

Формально-логические принципы создания образов реальногомира рассмотрим поработам Я. Пиотровского иВ.Г. Кнорринга.

Напомним, что такое измерение.

Измерение - познавательный процесс, имеющий целью определение характеристик материальных объектов с помощью соответствующих измерительных приборов. Осуществляется процесс на эмпирическом уровне.

Так трактуют понятие "измерение" философы.

В соответствии с нормативным терминологическим документом по метрологии:

измерение физической величины - совокупность опера-

ций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с её единицей и получение значения этой величины.

Раскроем термины, входящие в данное определение.

Значение физической величины - оценка размера физи-

ческой величины в виде некоторого числа принятых для неё единиц.

Оценка – это некоторое приближение к истинному значению. Принятых – означает соглашение, договоренность.

Единица физической величины – физическая величина,

которой по определению присвоено числовое значение, равное единице.

Размер физической величины – количественное содер-

жание в данном объекте свойства, соответствующего понятию "физическая величина".

Но теперь надо раскрыть еще один термин:

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Согласитесь, что приведенные определения терминов свидетельствуют о сложности понятия "измерение". Поэтому вернемся к философским рассуждениям.

4

Реперная точка	Принятое значение		Оценка по-
	температуры		грешности,
	К	°С	К
Тройная точка равновесного	13,81	(-259,34)	± 0,01
водорода
Точка кипения равновесного	17,042	(-256,108)	± 0,01
водорода при давлении 25/76
нормального (33,33 кПа)
Точка кипения равновесного	20,23	(-252,87)	± 0,01
водорода при нормальном
давлении
Точка кипения неона	27,102	(-246,048)	± 0,01
Тройная точка кислорода	54,361	(-218,789)	± 0,01
Точка кипения кислорода	90,188	(-182,962)	± 0,01
Тройная точка воды	273,16	(0,01)	Точно по
			определению
Точка кипения воды	373,15	100	± 0,005
Точка затвердевания олова	505,1181	(231,9681)	± 0,015
Точка затвердевания цинка	692,73	(419,58)	± 0,03
Точка затвердевания серебра	1235,08	(961,93)	± 0,2
Точка затвердевания золота	1337,58	(1064,43)	± 0,2

Кроме того, в состав Положения об МПТШ-68 входит таблица рекомендуемых значений дополнительно еще 25 реперных точек в интервале от 24,546 До 3694,15 К (3421 °С), названных вторичными. По этим точкам шкала не строится, а их значения рекомендованы для использования в различных исследовательских работах.

Что касается точности воспроизведения термодинамической шкалы с помощью МПТШ-68, то она характеризуется оценками погрешности принятых значений реперных точек.

Для области температур от 0,5 до 30 К в 1978 г. Консультативным комитетом по термометрии была рекомендована Временная практическая температурная шкала (ВПТШ-76). Она основана на следующих условно принятых значениях ряда реперных точек:

21

Достигнутое практическое совпадение шкал МПТШ-68 и термодинамической позволяет в научной и технической литературе применять только обозначения Т и t.

Разности температур Т1 - Т2 или t1 - t2, так же как и погрешности T или t, выражаются либо в Кельвинах, либо в градусах Цельсия (предпочтительнее в Кельвинах). В размерностях производных величин используется только единица температуры - Кельвин, например [с] = Дж/(кг·К).

Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68) с учетом рекомендаций Консультативного комитета по термометрии 1984 г. основывается на:

1)группе из 12 воспроизводимых температур фазовых переходов (реперных точек), числовые значения которых были получены как наиболее достоверные по результатам газотермических измерений в ряде стран (см. таблицу на странице 21). Эти значения охватывают интервал шкалы от 13,81 до 1337,58 К (1064,43 °С);

2)интерполяционных приборах, предназначенных для интерполирования значений температур между реперными точками. В интервале температур от 13,81 до 903,89 К (630,74 °С) таким интерполяционным прибором является платиновый термометр сопротивления. В интервале температур от 630,74 до 1064,43°С интерполяционным прибором является платинородий (10%) - платиновая термопара. Наконец, выше 1064,43°С — температуры затвердевания золота - температура экстраполируется с помощью монохроматического яркостного пирометра;

3)интерполяционных формулах, значения коэффициентов

вкоторых по поддиапазонам определяются путем эталонирования каждого прибора в соответствующих реперных точках, охватывающих данный поддиапазон, и из условия равенства производных градуировочных кривых на границах соседних температурных участков;

4)рекомендациях по осуществлению отдельных реперных точек, обеспечивающих высокую их воспроизводимость, и требованиях к выбору интерполяционных приборов.

20

Познание – процесс отражения и воспроизведения человеческим мышлением (или машиной) действительности, т.е. процесс перехода от действительности к абстракции.

Итак, в философии измерение есть инструмент познания. Теория познания занимается формами поиска и получения

информации об окружающей действительности. Можно выделить две формы познания: чувственное и логическое.

Чувственное познание – субъект (человек) получает чувственное впечатление, представляющее образ действительности, т.е. переход от действительности к абстракции. Ощущения, восприятия, представления – первая чувственная ступень. Впечатления могут быть выражены в форме определенных суждений – вторая ступень чувственного познания.

Логическое познание включает анализ, синтез, умозаключение, построенные на образах действительности, т.е. оно совершается в области абстракции.

В результате формируются вопросы, гипотезы, вскрывающие отношения между явлениями и объектами.

Основа чувственного и логического познания – наблюде-

ния и эксперимент.

Если восприятие отражает количественные отношения, то наблюдение есть измерение.

Взаимосвязь рассмотренных понятий схематично представлена на рисунке 1.

2 Переход от свойства объекта к его оценке

С измерительными процедурами мы хорошо знакомы. Из практики известно, что в измерительном эксперименте участвуют минимум три звена, что отображено на рисунке 2.

Объект, свойства которого нужно определить, находится в определенных условиях и под воздействием ряда факторов.

Реакция объекта на воздействие выражается в виде сигнала, несущего информацию о свойствах объекта. Передаётся эта информация на вход измерительного прибора всегда за счет энергоносителя (электрический ток, световое излучение, тепловой поток и т.д.).

5