Еще одна группа шкал — биофизические. Это шкалы, сконструированные так, чтобы по значениям величин можно было примерно предсказать реакцию биологического объекта. Например, таковы шкалы громкости. Опять же, здесь метрология сильно граничит с физиологией и рассказывать об этом можно долго.
Известна великая философская проблема «качественного и количественного». Философы написали на эту тему тома. Так вот, по нашему скромному метрологическому мнению «качественное» — это неметрические шкалы, а «количественное» — метрические. И все.
Выбор системы единиц
Если словарь физики — это величины, то правила языка — это правила написания уравнений и оперирования с величинами, а сами уравнения, связывающие величины — тексты. Правил много, среди них есть формальные (например, ограничения на размерности и преобразование размерностей при операциях) и неформальные (например, использование величин из одного раздела физики, или относящихся к одному типу процессов). Скажем, при умножении, делении и возведении в степень преобразуется так же, при сложении и вычитании не изменяется. Связь размерностей с допустимостью операций — складывать и вычитать можно величины одинаковой размерности.
Выбор системы единиц можно сделать по-разному. Он зависит от легкости построения эталона, отвечающего условиям стабильности, идентичности эталонов одного уровня и удобства передачи подчиненным средствам измерений. Выбор основных единиц и эталонов для них изменяется со временем по мере того, как новые методы измерений и эталоны, совершенствуясь, становятся лучше старых. На нижних этажах метрологической пирамиды, на уровне конкретного производства или конкретного исследования это неощутимо.
Сейчас стандартна система СИ (SI, фр. Systеme International d'Unitеs) — метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела. Метр определяется через секунду и скорость света как расстояние проходимое светом (в вакууме) за определенное время, килограмм — искусственный эталон, секунда определяется через частоту излучения определенного перехода в атоме, ампер — через силу взаимодействия при определенной геометрии токов, то есть от метра и килограмма, кельвин — от тройной точки воды, моль — от числа атомов в килограмме определенного изотопа, кандела — искусственный эталон. В метрологии постоянно идет обсуждение и совершенствование системы единиц и эталонов и их развитие системы. Можно предположить, что в ближайшее годы произойдет исключение моля из основных единиц, далее — переход от канделы к люмену, то есть к энергии, еще позже возможен переход к естественному эталону массы, то есть массе атома. Но поскольку построить цепочку приборов, передающих массу от атома к технически интересным значениям пока не представляется возможным, предполагается создать эталон килограмма на основе метра и чистого вещества, то есть в виде шара известного диаметра из очень чистого кремния.
Подробнее об эталонах рассказано ниже, сейчас же важно следующее. Изменение эталонов и определений делается так, чтобы не требовать переделки всех реально эксплуатирующихся приборов, но так, чтобы обеспечить возможность дальнейшего увеличения точности (в том числе и стабильности) и легкости переносимости.
Производные единицы таковы: радиан и стерадиан (общеизвестное геометрическое определение), давление (определяется через силу и площадь), работа и энергия (определяется через силу и путь), мощность (определяется через энергию и время), заряд (определяется через ток и время), напряжение и потенциал (определяется через заряд и работу), напряженность электрического поля (определяется через силу и заряд), емкость (определяется через заряд и потенциал), сопротивление (определяется через напряжение и ток), магнитный поток (определяется через заряд, протекший по контуру), магнитная индукция (определяется через поток и площадь), напряженность магнитного поля (определяется через ток и метр), индуктивность (определяется через ток и индуктивность). Все эти определения есть в учебнике даже не метрологии, а физики.
Методы и средства измерений: термины и смыслы
Измерения бывают прямые и косвенные. На самом деле то, что обычно считается прямыми измерениями, является косвенными, осуществляемыми посредством сложной цепочки преобразований. Например, в стрелочном приборе это напряжение-ток-сила-момент-угол поворота. Если считать человека прибором, то прямым измерением является только сравнение цвета, насыщенности и яркости глазом, температуры — кожей, громкости и спектра звука ухом, остроты кнопки попой, да сексапильности лица иного пола не тем, чем вы подумали, а производной от частоты пульса по времени.
Измерения бывают совокупные, когда измеряются однородные величины и производится вычисление, и совместные, когда измеряются неоднородные величины и производится вычисление. Большой разницы между ними нет, а от всех прочих они отличаются тем, что приходится иначе вычислять погрешности. На самом же деле, в любом измерении принимает участие — в метрологическом смысле, то есть влияя на точность — много величин, и погрешности всех их надо учитывать. Другое дело, что когда мы берем в руки прибор, на котором написано «+/- 1 %», то погрешности всей названной выше («напряжение-ток-сила-момент-угол поворота») цепочки уже посчитаны разработчиком прибора и засунуты внутрь этого 1 %.
Измерения бывают статические и динамические. В этом и многих других случаях формальное определение отсутствует, но и присутствовать ему смысла нет. Ну скажем мы, что динамические измерения — это когда величина контролируется чаще 137 раз в секунду. Почему? И какой смысл в таком определении? А никакого. Фактическое употребление терминов «статические» и «динамические» определяется «похожестью» объектов, в данном случае — приборов и методов измерений. А они зависят не только от требуемой частоты замеров, а от множества вещей — от конкретной величины, от диапазона измерений, от точности, от других условий. Можно было бы сказать, что «статичность» и «динамичность».
Измерения бывают однократные и многократные. Эта разница еще более условна, нежели прочие. С одной стороны, величина может меняться настолько быстро, что измеряя через минуту, я реально измеряю нечто другое, а может не изменяться и за год. То есть не имея какой-то предварительной информации (об этой конкретной величине или об этом классе ситуаций), трудно что-либо сказать. Например, измеряя вес монет одного достоинства мы измеряем номинально одну величину — они должны быть одинаковыми, но фактически разные — они разное время были в обращении. Но даже измеряя последовательно вес одной и той же монетки, мы смешиваем погрешности весов и реальное изменение измеряемой величины от упавшей пылинки, отвалившейся частички грязи и чиха комара, пролетевшего над монеткой, как Матиас Руст над административной единицей «Московский Кремль» (http://2002.novayagazeta.ru/nomer/2002/38n/n38n-s00.shtml).
Измерения бывают — непосредственным сравнением, нулевым методом, дифференциальным и методом замещения. Непосредственное сравнение — это когда мы прикладываем калибр к изделию и говорим — не лезет. Нулевой метод — это когда у нас есть что-то, что выдает управляемую и точно (достаточно точно для нас в данном случае) определенную величину. Например, портновский «сантиметр» — мера длины явно изменяемая — когда мы огибаем им, скажем, талию и медленно скользим по нему… по ним… пальцем. Дифференциальный или разностный метод — когда определяют разность между измеряемой и известной величинами. Скажем, прикладывают к столу метровую палку без делений, а потом линеечкой с деленьицами измеряют остаток. А вот в радиоэлектронике измерения часто ведут именно так, потому что сделать точную меру управляемой намного труднее, чем фиксированного размера. А точность измерений при этом очевидно можно увеличить. Наконец, метод замещения — это метод, при котором мы предъявляем прибору по очереди эталон и измеряемую величину и сравниваем показания. Хрестоматийный пример — взвешивания на неравноплечих (неправильно — неравноплечных) весах. Если использовать одно плечо и для объекта и для гирь, то неравно… это самое… перестает сказываться.
Далее, метрологи используют термины «измерительные установки», «системы» и «принадлежности». Слов вокруг этих понятий можно произнести много, но смысл довольно понятен. Принадлежности — нечто «маленькое» — или не все время нужное, или не несущее именно измерительных функций (например, источники питания) или несущее какие-то дополнительные функции, например, накопитель данных или устройство защиты приборов от каких-то вредных влияний. Разумеется, если показать конкретному специалисту конкретный прибор, он, скорее всего скажет, что вот это, вон то и, пожалуй то — принадлежности. Но вопросу несколько удивится — какая разница, как называть? Важно, чтобы работало. На самом деле, прок от этих названий есть — их наличие позволяет как-то структурировать материал, облегчает как изложение, так и усвоение.