Метрология және өлшеу

 

 Қасиет – бұл сапалық дәреже. Процестер мен физикалық денелердің әртүрлі қасиеттерін толығымен көрсету үшін шама деген ұғым енгізілген.

Шама – бұл қандай да бір нәрсенің басқа қасиеттері ішінен бөлініп шығатын және толығымен қандай да бір жолмен бағаланатын қасиеті болып табылады. Шама өздігінен берілмейді, ол осы берілген шамада көрсетілген қасиеті бар объектінің ішінен орын алады.

Шамалар екі түрге бөлінеді: нақты және идеалды болып.

Идеалды шамалар нақты ұғымдардың талдамасы (моделі) болып табылады. Олар әртүрлі жолдармен есептеледі.

Нақты шамалар физикалық  және физикалық емес болып екіге  бөлінеді. Физикалық шама, жалпы  жағдайда, табиғи (физика, химия) және техника  ғылымында оқытылатын өзіне тән  қасиеті бар материалдық объект (процесс, құбылыс) түрінде анықталуы мүмкін. Физикалық емес шамаларға қоғамдық (физикалық емес) ғылымға жататын – философия, социология, экономика және т.б. ғылымдарға тән шамаларды жатқызамыз.

МЕСТ 16263-70 стандарты физикалық  шаманы сапасы жағынан көптеген физикалық  объектілерге ортақ, ал мөлшері тұрғысынан – олардың әрбірінің жеке физикалық объектісінің бір қасиеті ретінде дәлелдейді. Мөлшері тұрғыдан дегенді бір объектінің қасиеті нақты шамада басқа объектіден жоғары немесе төмен болуы мүмкін деген мағынада түсінеміз. Сонда, физикалық шамалар – бұл физикалық объектілер мен процестердің өлшеп алынған қасиеттері, біз олардың көмегі арқылы сол объектіні оқып біле аламыз.

Физикалық шамаларды өлшенетін  және бағаланатын деп бөлген жөн. Өлшенетін физикалық шамалар  бекітілген өлшем бірлігінің мөлшерлі түрде анықталған саны түрінде берілуі мүмкін. Оларды енгізу мен пайдалану мүмкіндігі өлшенетін ФШ-ның ерекше белгісі болып табылады. Қандай да бір себептермен өлшем бірліктерін енгізуге болмайтын физикалық шамалар тек бағалана алады. Бұл жағдайда бағалану деген ұғым ретінде бекітілген ережелер бойынша алынған нақты сандарды берілген шамаға қою операциясын түсінеміз. Шамаларды бағалау шкалалар көмегімен жүзеге асады. Шаманың шкаласы – бұл дәл өлшеу нәтижелері негізінде келісіп алынған мәндердің реттеліп алынған тізбегі.

 

 Өлшем бірлігі енгізілмейтін  физикалық емес шамалар тек  қана бағалана алады. Физикалық  емес шамаларды бағалау теориялық  метрология есептеріне жатпайтынын  айта кеткен жөн. 

Физикалық шамаларды аса  талдап білу үшін оны топтап, олардың  жеке топтарының жалпы метрологиялық  ерекшеліктерін айқындау қажет.

Құбылыстың түрлеріне  қарай ФШ келесі топтарға бөлінеді:

 · айғақты; яғни заттардың, материалдардың және олардан алынған бұйымдардың физикалық немесе физика–химиялық қасиеттерін көрсетеді. Бұл топқа масса, тығыздық, электр кедергісі, сиымдылық, индуктивтілігі және т.б. жатады. Кейде бұл ФШ-ды пассивті деп те атайды. Оларды өлшеу үшін өлшеу ақпараттарының сигналы қалыптасатын көмекші энергия көзін пайдалану қажет. Осыдан пассивті ФШ активті түрге түрленеді де, өлшенеді.

 · энергетикалық; яғни өзгерту, беру және энергияны пайдалану процестерінің энергетикалық сипаттамаларын көрсететін шамалар. Оларға ток, кернеу, қуат, энергия жатады. Бұл шамаларды активті деп атайды. Олар өлшеу ақпараттарының сигналына энергия көзін қоспай-ақ түрлене алады.

· сипаттаушы, процестердің жүруін уақыт бойынша сипаттайды. Бұл топқа әртүрлі түрдегі спектралды сипаттамалар, корреляциялық функциялар және т.б. жатады.

Физикалық процестердің әртүрлі  топтарына тиістілігіне қарай ФШ кеңістікті-уақытша, механикалық, жылулы, электрлі және магнитті, акустикалы, жарықты, физика-химиялық, сәлеле-нуді иондаушы, атомды мен ядерлі физикалы болып бөлінеді.

Басқа шамалардан шартты тәуелсіздігінің  дәрежесіне қарай ФШ негізгі (шартты тәуелсіз), туынды (шартты тәуелді) және қосымша шамалар болып бөлінеді. Қазіргі уақытта ӨЖ жүйе-сінде негізгі шамалар ретінде алынған жеті физикалық шамалар қолданылып келеді, олар: ұзындық, уақыт, масса, температура, электр ток күші, жарық күші және заттың мөлшері. Қосымша физикалық шамаларға жазық және денелік бұрыштар жатады.

Өлшемділігіне қарай ФШ өлшемдік, яғни өлшемділігі бар, және өлшемсіз болып бөлінеді.

Өлшеу шкалалары

 Тәжірибеде денелердің, заттардың және құбылыс пен  процестердің қасиеттерін сипаттайтын  әртүрлі шамаларды өлшеу қажет.  Алдыңғы тарауда айтып өткендей, кейбір қасиеттер тек сапалы түрде, басқалары мөлшерлі түрде көрсетіледі. Кез-келген қасиеттің әртүрлі түрде көрсетілуі (мөлшерлі және сапалы) элементтері реттеліп алынған сандар көпмүшесін құрайды немесе жалпы жағдайда шартты белгілері осы қасиеттердің өлшеу шкалаларын құрайды. Көптеген қасиеттердің өлшеу шкалалары ФШ-ның шкаласы болып табылады. Физикалық шаманың шкаласы – бұл дәл өлшеу нәтижелері негізінде келісіп алынған физикалық шамалардың мәндерінің реттелген тізбегі.

Өлшеу ақпараты

 Өлшеу кезінде «Ақпарат»  ұғымы қолданылады. 

Ақпарат дегеніміз – объекті  туралы алғашқы анық емес ілімдерді  азайтатын мәліметтер жиынтығы болады. Ең маңызды болып саналатын мәліметтердің  бірі өлшеу жолымен алынатын объектілердің қасиеттерінің санаулы сипаттамалары туралы болып саналады. Осындай мәліметтер біздің біліміміздің жоғарлап, ал объектілер туралы ілімдердің анықсыздық дәрежесін азайтады, яғни өлшеу ақпараттық процесс болып табылады. Өлшенетін физикалық шамалар мәні ақпаратты өлшеу нәтижесі деп аталады.

Ақпараттың материалдық  тасымалдаушысы болып сигнал табылады. Жалпы мағынада, уақытта ағып жататын физикалық процесс дегеніміз сигнал екенін түсіндік. Өлшенетін физикалық шамамен қосыла өзгеретін сигналды өлшеудің ақпараттық сигналы деп, ал өлшенетін шамамен функционалды байланысы жоқ сигналды ақпаратық емес параметр деп айтамыз.

Физикалық шамалар  мен олардың бірліктер жүйесі

 Ғылымда, техникада  және күнделікті өмірде адам  бізді қоршаған физикалық объектілердің  әртүрлі қасиеттерімен кездеседі.  Бұл қасиеттерге объектілердің  бір-бірі арасындағы өзара әсерлесу процестері жатады. Олар тікелей физикалық шамалармен беріледі. Әрбір объект үшін физикалық шамамен берілген қасиеттерін мөлшерлі көлемде орнату үшін метрологияда олардың өлшемдері мен мәндері деген ұғым енгізілген.

Физикалық шаманың өлшемі – берілген объектінің “физикалық шама” деген ұғымға сәйкес алынған  қасиетінің мөлшерлі мәні. Мысалы, әрбір дененің нақты бір массасы болады, осыдан денелерді массасы бойынша ажыратуға болады, яғни бізді қызықтыратын ФШ-ның өлшемі бойынша.

 

Физикалық шаманың мәні –  ол оның бірлігі түрінде алынған қандай да бір сан түрінде берілген өлшемін бағалау. Оны өлшеу нәтижесін немесе ФШ-ның Q мәнін q санды мән мен өлшем бірлігі таңдап алынған [Q] араларын байланыстыратын Q = q[Q] негізгі өлшеу теңдеуіне сәйкес есепті шешу нәтижесінен аламыз. Өлшем бірлігіне байланысты ФШ-дың сандық мәні өзгереді де, өлшемі сол күйінде қалады.

Физикалық шамалардың бірліктері – бұл белгілі өлшемдегі ФШ, оның өлшемі бірге тең, ол біртекті ФШ-ды мөлшерлі түрде беру үшін қолданылады. ФШ бірліктерінің өлшемдері мемлекеттік метрологиялық басқармалардың заңға сәйкес бекітілген жолдарымен қойылады.

Жалпы еркін түрде негізгі  деп аталатын бірнеше ФШ дә-лелденген, қалған туынды деп аталатын шамалар негізгі бірліктер-мен арасындағы белгілі бір байланыс теңдеуі негізінде анықтала-ды. Туынды шамаларға мысал болып: заттың тығыздығы, ол көлем бірлігі болып табылады және заттың массасы ретінде анықталған, уақыт бойынша жылдамдықтың өзгеруінің үдеуі және т.б. жатады.

Физикалық шамалар жүйесінде  негізгі шамалардың символдары қолданылады. Мысалы, негізгі шамалар болып  ұзындық (L), масса (М) және уақыт (Т) алынатын механикалық шамалар жүйесі LMT жүйе деп аталады.

ФШ-дың ережелерге сәйкес алынған негізгі және туынды бірліктер  жиынтығы физикалық шамалардың бірліктер  жүйесі деп аталады. Негізгі ФШ-дың  бірлігі жүйенің негізгі өлшем бірліктері болып табылады.

 Қазіргі уақытта дүние  жүзінің көптеген мемлекеттері  халықаралық бірліктер жүйесі  – SI жүйесіне біріккен. Бұл жүйенің негізгі өлшем бірліктері

Қазіргі уақытта қолданылып жүрген мемлекеттік өлшеу жүйесіні негізгі шамаларға сәйкес LMTIQNJ белгілерімен белгіленуі тиіс, олар: ұзындық (L), масса (М), уақыт (Т), электр ток күші (І), температура (Q), заттың мөлшері (N) мен жарық күші (J).

Халықаралық бірліктер жүйесі құрамына екі қосымша бірліктерде  кіреді, олар:

Жазықтықтағы бұрыштың (плоский  угол) бірлігі – радиан (рад) - доғасы радиус ұзындығына тең болатын шеңбердің екі радиустері арасындағы бұрыш, оның мәні 57°17'48" бұрышына тең.

 

 Екінші қосымша бірлік  кеңістіктегі бұрыштың (телесный угол) өлшем бірлігі - стерадиан (ср) – төбесі сфера центріне орналасқан және осы сфераның биіктігінен қабырғалары сфера радусының ұзындығына тең квадраттың ауданына тең болатын аудан қиятын кеңістіктегі бұрыштың мәні.

Кеңістіктегі бұрышты жазықтықтағы бұрышты анықтау және қосымша есептеу жүргізулер арқылы төмендегі формуламен анықтайды:

мұндағы Q – кеңістіктегі бұрыш; -сфера ішінде осы кеңістіктегі бұрыш арқылы түзілген конус төбесіндегі жазық бұрыш.

1ср кеңістік бұрышына 65°32' мәніне тең жазықтықтағы бұрыш сәйкес келеді.

 Қосымша бірліктер  бұрыштық жылдамдық, үдеу және  де басқа шамаларды өлшеу үшін  қолданылады.

Негізгі өлшем бірліктерінен  басқа да осы негізгі өлшем  бірліктерінің арақатынасы арқылы қосымша есептеулер негізінде анықталатын  туынды өлшем бірліктерде қазіргі  уақытта кеңінен қолданылады.

 Физикалық шамаларды  өлшеу диапозоны өте кең аралықта  жүргізіледі, сондықтан өлшеулер  кезінде есептеулерді қолайлы  ету үшін өлшем бірліктерінің  еселік мәндерін пайдалану қабылданған. 

Негізгі бірліктер саны физикалық  заңдылықтар мен анықтамалардың өрнектерінде тұрған коэффициенттер санымен  тығыз байланыста. Негізгі бірліктерді таңдап алуға тәуелді және теңдеулерді анықтайтын пропорционалды коэффициенттер фундаментті немесе өмірлік тұрақты деп аталады. СИ жүйесінде оларға гравитациялық тұрақты, Планка тұрақтысы, Больцман тұрақтысы және жарық әсері жатады. Оларды жеке заттардың әртүрлі қасиеттерін сипаттайтын ерекше деп аталатын тұрақтылардан ажырату қажет, мысалы электрон массасы, оның заряды және т. б.

Фундаментті тұрақтылар физикалық  заңдылықтардың өрнектерінде болатынын  ұмытпаған жөн, бірақ бірліктерді  сәйкесінше таңдап алу кезінде олардың  нақты саны қандай да бір тұрақты сандарға, әсіресе бірге тең. Осыдан жүйені құру кезінде негізгі бірліктер көп алынған сайын, формулада сонша көп фундаментті тұрақтылар көрсетіледі.

 

 Жаңа бірліктер жүйесін  құру немесе енгізу кезінде  ғалымдар тек бір ғана принципке ортақтасады, ол – тәжірибелі мақсатка сәйкестік, яғни бірлікті адам қызметіне қолайлы етіп таңдап алу. Принципке келесі басты критериялар қойылған:

· туынды ФШ мен олардың бірліктерін тудыру қарапайымдылығы, яғни байланыс теңдеулеріндегі пропорционалды коэффициенттерді бірге теңестіру;

· негізгі мен туынды бірліктерді пайдалану және төменгі эталондармен оларға өлшем берудің жоғары дәлділігі;

· негізгі бірлік эталондарының жойылмауы, яғни жоғалтқан жағдайда оларады жаңадан қайта жасау мүмкіндігі;

· бірліктің орнын басу, олардың өлшемдерін сақтау және жаңа бірліктер жүйесін енгізген кезде оларға ат беру, бұл материалдық пен психологиялық шығындарды жоюға байланысты болады;

· негізгі мен туынды бірліктер өлшемінің тәжірибеде өте жиі кездесетін ФШ-дың өлшемдеріне жақындығы;

· негізгі мен туынды бірліктердің эталондармен бірге сақталуынның ұзақ уақыттылығы;

· материаның ең ортақ қасиетін бейнелейтін ФШ-дың негізгі минималды саны ретінде таңдап алу;