Измерение - От действительности к абстракции через шкалы - 2003
.pdfБиблиографический 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