О понятии "ВЕЛИЧИНА" в метрологии

В настоящей статье приводится и обсуждается функциональное для метрологии понятия «величина». Определение понятия «величина» является одним из основных с точки зрения построение теории измерений.
Приведем определения величины в известных источниках.

В [1] термин «физическая величина, величина»: Одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Термины «измеряемая физическая величина, измеряемая величина».

Физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи.

В [2] термин «Величина (измеряемая)»: Свойство явления, тела или вещества, которое может быть различимо качественно и определено количественно.

В [3] термин «измеряемая величина»: Конкретная величина, подлежащая измерению.

В [4] термин «величина»: Свойство явления, тела и вещества, которое может быть выражено количественно в виде числа с указанием репера1 (как основы для сравнения). Значение величины.

В [1] термин «значение физической величины»: Выражение физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

В [2]: Количественное значение величины, обычно в форме произведения единицы измерения на некоторое число.

В [3] термин «значение величины» отсутствует.

В [4] термин «значение величины» отсутствует. Однако, трактовка этого термина следует из вышеприведенного Примечания 1 к термину «величина».

Из изложенного следует важное отличие в подходе, принятом в [1], [2] и [3], с одной стороны, и в [4] с другой, относительно способа представления значения величины. Если в первых трех документах оно выражается только в единицах измерения, то в [4] это значение выражается в реперах (англ. reference), разновидностью которых может быть единица измерения, методика измерения, стандартный образец или их комбинация.

Приведенные термины и определения дают возможность сравнить концепцию неопределенности и концепцию погрешности.

В основе различий двух концепций метрологии лежит, прежде всего, различие в принципиальных подходах к фундаментальному понятию метрологии, именно к понятию «величина». В концепции погрешности величина рассматривается свойство явления, тела или вещества, имеющее единственное (уникальное) значение. В соответствии с этим и результат измерения имеет единственное значение, которое находится в некотором доверительном интервале. Принимается, что в пределах этого интервала с некоторой вероятностью находится уникальное значение измеряемой величины. Разность между результатом измерения и этим истинным значением представляет собой погрешность результата измерения. Эта разность, в силу того, что и истинное значение и результат измерения являются единственными, представляет собой действительную величину. Следовательно, упомянутый интервал или область представляет собой погрешность результата измерения. В силу того, что истинное значение величины неизвестно, указанная погрешность также является неизвестной величиной.

В концепции неопределенности [5] понятие «погрешность» сохранилось, однако претерпело существенное изменение. Погрешность может использоваться только в тех случаях, когда измерению подлежит величина, имеющая условное (приписанное) значение. В этих случаях погрешность, как разность результата измерения и измеряемой величины, является известной.

В концепции неопределенности можно обходиться без понятия истинного значения величины,применяя просто термин «величина».

Кроме того, в концепции неопределенности величины характеризуется не единственным значениям, а совокупностью значений, ограниченных некоторым интервалом, представляющим собой неопределенность измеряемой величины.

В отличие от концепции погрешности, где результат измерения имеет единственное значение, в концепции неопределенности результат измерения представляет собой интервал значений, включающий неопределеность измеряемой величины, нeoпределенность, связанную с процессом измерения, и неопределенность калибровки средства измерения.

Анализ определений величины в приведенных документах свидетельствует о том, что понятие «величина» не рассматривается с точки зрения ее зависимости от времени и пространства.

Вместе с тем с теоретической точки зрения признание объекта измерения неизменяемым и, следовательно, характеризуемым неизменными величинами, с физической точки зрения является неприемлемым.

Появление новых видов измерений, например, измерений переменного тока, вибрации, удара, переменных сил, переменных давлений, геометрических параметров поверхности, а также необходимость повышения точности измерений привели к созданию средств измерений, с помощью которых можно было измерять переменные во времени и пространстве физические величины. Однако, до сих пор, несмотря на то, что в отдельных видах измерений физических величин, переменных во времени и пространстве, созданы соответствующие средства измерений и нормативно-техническая база для их проведения, важнейшие метрологические проблемы общего характера остаются практически незатронутыми. К таким вопросам относятся: связь между статическими и динамическими измерениями, методология оценки погрешности и неопределенности измерений, методы корректировки динамических характеристик средств измерений и т. п.

Анализ определений величины и ее разновидностей в приведенных документах свидетельствует об отсутствии в них указания о связи величины с временем и пространством, т.е. с формами существования материальных объектов. Это можно расценить как указание на то, что величина всегда является неизменной во времени и пространстве. Между тем, с точки зрения физики гораздо более приемлемым является утверждение о том, что величины всегда являются переменными во времени и пространстве, что является фундаментальным свойством как величин, так и объектов измерения, ими характеризуемых. Закономерности изменения величины в пространстве и времени могут быть разнообразными и, с математической точки зрения, могут описываться различными зависимостями. Однако, можно попытаться на основе законов физики предложить обобщенную математическую модель величины, по меньшей мере, не противоречащую этим законам и дающую возможность на основе этой обобщенной модели создавать частные модели, описывающие все разнообразие форм изменения величин во времени и пространстве.

Признавая изменчивость величины во времени и пространстве, следует к основному определению величины добавить следующие положения:

- величина изменяется во времени и пространстве, т. е. в разные моменты времени и в разных координатах пространства величина имеет различные значения;
- обобщенная математическая модель представляет собой нецентрированный случайный процесс, т.е. случайный процесс, математическое ожидание которого не равно нулю;
- значение величины можно представить суммой ее математического ожидания и центрированной случайной величины;
параметр величины-комбинация значения величины за интервал времени или пространственной координаты в соответствии с определенным алгоритмом. Параметр величины не является физической (материально) величиной,так как он представляет собой результат вычисления значения входной или преобразованной в процессе измерений входной величины.В соответствии с этим величина описывается следующей формулой:

где х(£) - нецентрированная случайная величина,

е(£) - математическое ожидание величины,

х(£)~ центрированная случайная величина, т.е. случайная величина с математическим ожиданием, равным нулю,
координата времени или пространства.

Реализация случайной величины является детерминированной величиной. Одной из реализаций случайной величины (наиболее вероятной) является ее математическое ожидание.

Из этого вытекает, что величина может рассматриваться двояко: как ее возможная реализация и как совокупность ее возможных реализаций. Этот факт является весьма значимым как с точки зрения философской стороны измерения, так и с точки зрения практической метрологии.

Из формулы следует, что чем меньше х(£), тем более узкий «коридор», в котором могут находиться возможные реализации случайной величины. В пределе этот коридор может быть достаточно малым, чтобы пренебречь им. В этом случае можно, с практической точки зрения, полагать, что величина описывается только одной реализацией, которая является ее математическим ожиданием.

В общем случае математическое ожидание случайного процесса нельзя рассматривать как физически реализуемую (материальную) величину. Оно находится расчетным путем с применением соответствующего алгоритма обработки значений случайного процесса, т.е. ее следует рассматривать как параметр величины. То же самое следует сказать и о корреляционной функции случайного процесса. Однако, математическое ожидание становится физической величиной, если случайной составляющей величины (центрированной случайной величиной) можно пренебречь.

В этом случае х(£) = 0 и г({) ~ x{t).

Введение указанной математической модели основывается на следующих положениях. В физике состояние макроскопических объектов рассматривается сточки зрения поведения подсистем, входящих в макроскопическую систему. С физической точки зрения поведения подсистем имеет вероятностный характер [6]. Макроскопический объект, состоящий из большого числа подсистем, описывается преимущественно математическим ожиданием физических характеристик, что соответствует его статистическому равновесию.

Не смотря на то, что теоретически в поведении макроскопических объектов имеет место и случайная составляющая, в условиях статистического равновесия с окружающими воздействиями, она пренебрежимо мала по сравнению со средним значением физических величин, характеризующих объект.

В частном случае, когда случайная центрированная составляющая величины пренебрежимо мала, величину можно считать адекватной ее математическому ожиданию.

Вместе с тем процесс измерения проходит в условиях взаимодействия объекта измерения с окружающей средой. Это взаимодействие не изменяет в принципе приведенную аналитическую модель величины, но может существенно повлиять на характер изменения величины во времени и в пространстве.

Следует обратить внимание на то, что, как в концепции погрешности, так и в концепции неопределенности в их современном виде в определениях величины не учитывают изменчивости величины во времени и в пространстве. Такой подход является неадекватным с физической точки зрения и требует расширения с учетом признания указанной выше изменчивости величин, характеризующих состояние объекта измерения.

Рассмотрим приведенные физическую и математическую модели величины с точки зрения двух обсуждаемых концепций. Рассмотрение указанной проблемы сточки зрения концепции погрешности приводит к выводу, что истинное значение величины тождественно реализации случайной величины, которая является детерминированной величиной и, следовательно, имеет уникальное значение в каждый момент времени и в каждой координате пространства. С этой точки зрения непризнание концепцией неопределенности уникального истинного значения является сомнительным.

В концепции неопределенности величина, по существу, трактуется как совокупность истинных значений, ограниченных некоторым вероятностным интервалом. Принимая во внимание математическую модель величины, можно сделать вывод о том, что в этом случае за величину принимается совокупность реализаций случайной величины. Эта совокупность означает «интервальность» истинного значения в концепции неопределенности и является физической основой неопределенности.

В тоже время концепция неопределенности признает понятие «существенно уникального значения», которое, с точки зрения принятой математической модели, означает узость интервала, в пределах которого могут находится реализации случайной величины. В этом случае можно ставить вопрос о такой модели разброса реализаций величины, которая позволяет пренебрегать этим разбросом.

Приведенные рассуждения означают возможность «компромисса» двух концепций, который основывается на достаточной малости этого разброса. Кроме того, отметим, что в этом смысле концепцию погрешности можно рассматривать как частный случай концепции неопределенности, что позволяет пользоваться первой при оценке результата измерения величины, которая имеет пренебрежимо малый разброс.

Приведенные выше соображения о физической и соответствующей математической природе величины позволяют утверждать, что неопределенность величины объясняется ее случайным характером и, следовательно, является ее фундаментальным свойством. «Интервальность» величины не означает одновременного наличия совокупности значений величины в некотором интервале. Она предполагает, что каждая пространственно-временная ячейка, т. е. некоторый фиксированный момент времени и некоторая фиксированная пространственная координата, характеризуются доверительным интервалом, в пределах которого с разной вероятностью могут содержаться разные значения величины.

Кроме того, отсюда следует, что неопределенность величины является ее физической сущностью и не может рассматриваться как «неопределенность определения» величины или как составляющая неопределенности определения. В связи с этим нельзя признать трактовку «неопределенности определения» величины, возникающую вследствие различных значений величины в различных координатах пространства или в различные моменты времени, что утверждается в GUM-9 на примере различной толщин листа в его различных местах

ЛИТЕРАТУРА
1. РМГ 29-99* ГСИ. Метрология. Основные термины и определения
2. Международный словарь основных и общих терминов в метрологии. «International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology» 2nd edition (VIM 2);
3. Международный электротехнический словарь. Электрические и электронные измерения и измерительные приборы. Часть 311. Общие термины, относящиеся к измерениям.
4. Международный словарь по метрологии. Основные и общие понятия и соответствующие термины. «International Vocabulary of Metrology - Basic and General Concepts and Associated Terms» 3rd edition (VIM 3);
5. В. Я. Бараш, О. Ю. Третьякова «Неопределенность и погрешность в современной метрологии». «Законодательная и прикладная метрология», N° 5, 2009 г.
6. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц «Статистическая физика», 1964 г.

Автор: В. Я. Бараш
Источник: Metrob.ru

Комментарии

Комментарии не найдены ...
Добавлять комментарии могут только
зарегистрированные пользователи!
 
Имя или номер: Пароль:
Регистрация » Забыли пароль?
 
© decoder.ru 2003 - 2019, создание портала - Vinchi Group & MySites
ЧИСТЫЙ ИНТЕРНЕТ - logoSlovo.RU