2.2 Негізгі ұғымдар мен анықтамалар
«Метрология» - деген сөз грек тілінен аударғанда «Metro» - өлшеу және «Logos» - білім деген екі сөзден құралған.
Метрология – бұл өлшемдер туралы, олардың бірлігін қамтамассыз етудін әдістері мен құралдары туралы және керекті дәлдікке жетудің жолдары туралы ғылым.
Метрологияның негізгі мақсаты – мемлекеттік және халықаралық негізде өлшем бірлігін жоғары денгейде қамтамассыз ету.
Метрология негізі үш тараудан тұрады:
1 Теориялық метрология (анықтамалық);
2 Қолданбалы метрология (практикалық);
3 Заңды метрология.
Теориялык метрология - метрологияның іргелі негіздерін зерттеп дайындаумен айналысады.
Заңды метрология - қолдануға жіберілген мемлекеттік талаптарды бекітеді.
Қолданбалы метрология - теориялық метрологиясы зеріттеп дайындаған тәжірибелерді қолданумен айналысады.
Метрология зат, нәрсе ретінде – объектілердің қасиеттері жөнінде және жүріп жатқан процесстердің берілген дәлдікте және сенімді түрде сандық ақпаратын алу болып табылады.
Метрологияның құралы – бұл өлшеу құралдарының және метрологиялық стандарттардың жиынтығы, оларды тиімді қолдануды қамтамасыз етеді.
Бірде - бір ғылым өлшеусіз болмайды, сондықтан да метрология барлық ғылымдармен тығыз байланысты. Метрологияның негізгі ұғымы - өлшем. ҚР СТ 2.1 бойынша өлшем – бұл физикалық шаманың мәндерін тәжірибе жолымен арнайы техникалық құралдар көмегімен табу. Өлшеудің мәнділігі үш аспектіде (құбылыс, көзқарас) көрсетіледі: философиялық, ғылыми және техникалық.
Өлшеу – бұл деректерді шартты белгілеу әдіс тұрғысында көрсететін, әр түрлі таным әдістер көмегімен алынған, яғни таным процесінің соңғы кезеңін, алынған ақпаратты тіркеумен байланысы.
Ғылыми көзқарас – ғылым мен практикалық байланыс көмегімен іске асырылады. Өлшеусіз ғылыми болжамдарды және ғылымның дамуына сәйкестікті тексеру мүмкін емес.
Өлшеу - басқару немесе бақылау объектілері жөнінде сандық ақпаратты алуды қамтамасыз етеді, онсыз барлық техникалық процесстермен берілген ережелер көшірмесін алу мүмкін емес, тиімді басқару объектісін және бұйымның жоғарғы сапасын қамтамасыз ету мүмкін емес. Бұның бәрін өлшеудің техникалық аспектісі құрастырады.
Әр түрлі жерде, әрбір уақытта әр түрлі өлшеу аспаптарымен өткізілген өлшеулердің нәтижелерін салыстыруға мүмкіндік алу үшін өлшеулердің бірлігі болуы қажет. Өлшемдердің нәтижелері заңды болып алынған бірліктермен көрсетілсе, ал өлшемдердің қателіктері берілген ықтималықпен анықталса, мұны - өлшем бірлігі деп түсінеді.
Метрология объектілеріне келесілер жатады: шама бірлігі; өлшеу құралдары; эталондар және өлшеуді орындау әдістері.
Метрологияның дәстүрлі объектілеріне физикалық шама жатады.
Өлшем – арнайы техникалық құралдар көмегімен, тәжірибелік жолмен физикалық шамалардың мәндерін табу.
Өлшеуді жүргізу үшін қажет:
1 Физикалық шамалар;
2 Өлшем әдістері;
3 Өлшем құралдары;
4 Операторлар, өлшеушілер;
5 Өлшем жүргізу үшін қажетті жағдайлар.
Өлшем мақсаты – қолдануға ең ыңғайлы түрдегі физикалық шамалар мәндерін алу.
ҚРСТ 2.1 бойынша өлшем объектісі (физикалық жүйе, процесс, құбылыс және т.б.) бір немесе бірнеше өлшенетін физикалық шамалармен сипатталады.
Барлық әлемді қоршаған объектілер өздерінің қасиеттерімен сипатталады.
Қасиет – сапалық категория, объектілердің (құбылыс, процесс) өзара байланысын немесе олардың бір-бірінен басқа объектілерге қарағанда айырмашылығы және оның басқаларға арақатынасы болып табылады. Қасиет – сапа категориясына жатады.
Физикалық денелерге және процесстердің сандық әр түрлі қасиеттерін баяндау үшін шама деген ұғым енгізіледі.
Шама – небір нәрсенің қасиеті, бұл қайсылары басқа қасиеттерден бөлініп шығуы мүмкін және сол немесе басқадай тәсілдермен бағалануы мүмкін, сандық ретінде.
Шама тек өз бетімен бола алмайды, ол тек қана объектінің қасиеттерінің арқасында ғана алатын орны болуымен сол шамамен келтірілгендіктен ғана өмір сүреді.
Шаманы талдап, оларды екі түрге бөлуге болады: ақиқатты (реалді) және идеалді (2.1-сурет).
ШАМАЛАР РЕАЛДІ (АҚИҚАТ) ИДЕАЛДІ ФИЗИКАЛЫҚ ӨЛШЕНЕТІН БАҒАЛАНАТЫН ФИЗИКАЛЫҚ ЕМЕС МАТЕМАТИКАЛЫҚ
Сурет 2.1 - Шамаларды жіктелдіру
Идеалді шамалар – математикалық жікке жатады, әрі нақты реалді ұғым (моделінің) жиынтығы болады. Олар сол жолдармен немесе басқадай тәсілдермен есептелінеді.
Реалді шамалар - өз кезегінде физикалық және физикалық емес шама болып бөлінеді. Физикалық шама жалпы түрде материалды объектілер қасиетіне тән (процесс, құбылыс) шама ретінде игерілетін табиғи (физика, химия) және техникалық ғылымдарда анықталады. Физикалық емес шамаларға қоғамдық ғылымдарды жатқызуға болады – философия, социология, экономика және т.б. ғылымдар.
ҚР СТ 2.1 бойынша физикалық шама – физикалық объектілердің сипаттамасы (физикалық жүйелердің, құбылыстың немесе процесстің), жалпы сапа түрінде көптеген физикалық объектілер үшін, ал сандық қатынаста жекеленген әр бірі үшін.
Сандық қатынаста жекеленгендікті келесі жағдайда түсінеді: бір объектіге арналған қасиет белгілі сан ретінде басқаларға қарағанда көп немесе аз болуы мүмкін. Сонымен физикалық шамалар – бұл физикалық объектілердің өлшенген қасиеттері.
Физикалық шамалар өлшенетіндер және бағаланатындар деп бөлінеді.
Өлшенетін физикалық шамалар сандық түрде көрсетіледі, белгіленген өлшеу бірлігінің анықталған сан түрінде.
Физикалық шамалар, кейде сондай немесе басқадай себептермен өлшеу бірлігіне енгізілмесе (белгіленбей), олар тек қана бағаланады. Бағалау деп –қашан операция белгілі деректі шамаға белгілі сан ретінде түсіндірілгенін белгіленген ережелерімен өткізілгенін түсіну керек.
Шамаларды бағалау шкала көмегімен орындалады.
ҚРСТ 2.1 сәйкес физикалық шамалар шкаласы – физикалық шамалар негіздерінің тәртіпке келтірілген жиынтығы, белгілі шамалардың бастапқы негізі ретінде – өлшеу үшін қызмет атқарады.
Өлшенетін физикалық шамалар арасында математикалық ара қатынаспен және формулалармен келтірілген байланыс пен тәуелділік бар.
Басқа шамалардан шартты тәуелсіздік дәрежесі бойынша физикалық шамалар осы топтардан негізгі болып (шартты тәуелсіздер), туынды (шартты тәуелділер) және қосымша болып бөлінеді.
ҚРСТ 2.1 анықтауы бойынша негізгі физикалық шамаларда бұл шама жүйесіне кіретін және шартты түрде бұл жүйенің басқадай шамаларынан тәуелсіз ретінде қабылданылатын физикалық шама.
Туынды физикалық шама – бұл жүйеге кіретін және бұл жүйенің негізгі шамалары арқылы анықталатын физикалық шама.
Мысалы, қазіргі заман барлық физикалары 7 негізгі шамалардан құрастырылған. Бұл шамалар қайсылары материалды әлемнің іргетасты қасиеттерін сипаттайды.
Бұлар: ұзындық, масса, уақыт, электр тоғының күші, термодинамикалық температуралар саны және жарық күші.
Өлшеудің мақсаты бұл физикалық шамалардың мәндерін тәжірибе жолымен, арнайы өлшеу құралдары арқылы табу және ол мәндерді қабылданған бірліктермен көрсету.
Физикалық шама (ФШ) дегеніміз, ол сапа жағынан қөптеген физикалық объектілерге тиісті, ал сандық жағынан әр объектіге дара болатын қасиет.
Мысалы: 1 Ауа-райы - физикалық объект, температура – сандық.
2 Солтүстікте - -40...-50оС, оңтүстікте - +40...+50оС.
Сонымен, физикалық шаманың өлшемі дегеніміз берілген объектідегі физикалық шама деген қасиетке сәйкес, сандық өлшемі.
Физикалық шаманы ГОСТ 16263 стандарты арқылы объектінің қасиеті ретінде анықтайды. Өлшенгеде қолданылатын нормаланған техникалық құрылғы (құрал) - өлшеу құрылғысы (құралы ӨҚ) деп аталады.
Халықаралық шама жүйесі бойынша (орысша система измерений СИ), физикалық шаманың 7 негізгі мөлшер шамалары бар, олар:
1 Метр – м (длина, ұзындық);
2 Килограмм – кг (масса, салмақ);
3 Секунда – с (время, уақыт);
4 Ампер – А (сила тока, тоқ күші);
5 Кельвин – К (термодинамическая температура, динамика жылу температурасы);
6 Моль – моль (количество вещества, зат саны);
7 Кандела – кд (сила света, жарық күші).
Сурет 2.2 - Физикалық шамалардың жіктелуі
ФШ құбылыс түрлері бойынша келесідей топтарға бөлінеді (2 сурет):
Заттық, яғни заттардың физикалық және физикалы-химиялық қасиеттерін, олардың жасалған материалдарды және бұйымдарды баяндайды. Бұл топқа жататындар: масса, тығыздық, электр кедергісі, сыйымдылық, индуктивтік және т.б.. Кейбір жағдайларда ФШ белсенсіз (пассивті) деп те атайды. Оларды өлшеу үшін қосымша энергия көзі керек, солардың көмегі арқылы өлшеуіш ақпарат сигналдары пайда болады. Бұл жағдайда пассивті ФШ активтіге түрленеді.
Энергетикалық, яғни шамалар энергетикалық түрлендіру процесстерін сипаттайды, энергияны беруді және қолдануды баяндайтын. Оларға жататындар: тоқ, кернеу, қуат, энергия. Бұл шамаларды активті деп атайды.
Процесстерді сипаттауыштар - бұл топқа жататындар әртүрлі спекторлі сипаттамалар, корреляционды функциялар және т.б.
Физикалық процестердің әртүрлі топтарға жатулары бойынша.- физикалық шамалар кеңістіктілік-уақыттылық, механикалық, жылулық, электрлік және магниттік, акустикалық, жарықтық, физикалы-химиялық, иониздаушы сәулемен, атомды және ядролық физика болып бөлінеді.
Физикалық шамалар объектілері шексіз сандық қасиеттерге ие бола алады.
Көптеген өзіне ғана тән қасиеттерінің ішінен Н.Р.Кэмпбелл барлық әртүрлі физикалық объектілердің қасиеттерінің ішінен үшеуі ең жалпы болатындығын белгілеген: эквиваленттілікті, ретімен және аддитивтілікті.
Аддитивті физикалық шама - әр түрлі мәні сандық коэффициентке қосылатын, көбейтілетін, бір - біріне бөлінетін физикалық шамалар.
Эквиваленттік қатынастағылар – әр түрлі А және В объектілерінде х-қасиеттері бірдей болу немесе бірдей емес қатынастар.
Басқа ғылымдар сияқты метрологияда бірқатар пастулаттар негізінде құрылады, оның негізі аксиома екенін айқындайды.
1 Қабылданған объекті моделінде, өлшенетін белгілі ФШ болары, оның ақиқат мәніндері;
2 Өлшенетін шаманың ақиқат (шын) мәнінің тұрақтылығы;
3 Өлшенетін шамалардың объектілерді зерттеу қасиетіне сәйкес келмеуі мүмкіндігі.
Өлшеу нәтижесі – бұл физикалық шаманың өлшемімен табылған мән.
Ол мәндер былай бөлінеді:
физикалық шаманың ақиқат, шындық мәні;
физикалық шаманың анықталған мәні.
Өлшеу принципі дегеніміз, өлшеулер негізделген физикалық құбылыстардың жиықтығы.
Өлшеу әдісі – бұл өлшеу принциптері мен құрылғыларының қолданудың тәсілдер жиынтығы. Өлшеу құралдарын дайындау кемшілігі, олардың бөлшектерінің дәлсіздігі, әсер ететін физикалық шамалардың әсерлері, өлшеу өткізіп отырған оператордың қатерліктері, т.б. факторлар – бұл өлшеу қателігінің пайда болу себебі болып табылады.
Өлшеу - арнайы техникалық құралдар көмегімен тәжірибе жолымен шама мәнін табу. Мысалға объектінің ұзындығын, биіктігін және баска параметрлерін өлшеу құралымен анықтау.
Өлшеу принципі - өлшеу негізіне физикалық құбылыс немесе физикалық құбылыстар жиынтығы алынған. Мысалы, массасына пропорционалды ауырлық күшін таразыға тарту арқылы дененің массасын өлшеу, термо электрлік әсерді пайдаланып, температураны өлшеу.
Өлшеу қателіктері - өлшеу кезінде алынған X мәні мен өлшенген шаманың Q нақты мәнінің айырмасы. Өлшеу қателігі ∆=Х-Q өрнекпен анықталады. Өлшеу қателіктері, өлшеу әдістерімен кұралдарының жетілмегендігінен, бақылау шартының тұрақсыздығынан, бақылаушы тәжірибесінің жетіспеуінен және оның сезім органдарының ерекшеліктерінен құралады.
Өлшеу дәлдігі - нәтижелері өлшенетін шаманың нақты мәнге жуықтығын көрсететін өлшеу көрсеткіштері. Дәлдікті сан ретінде ықтималды қателіктің модуліне кері шамамен көрсетуге болады.
Өлшеу дұрыстығы - нәтижелердің жүйелік қателіктерінің нөлге жуықтығын көрсететін (шаманы қайталап өлшегенде бірқалыпты қалатын немесе бір заңдылыққа сүйеніп өзгеріп отыратын қателіктер) өлшеудің сапасы ретінде анықталады. Өлшеудің дұрыстығы, өлшеу жүргізілген бірліктің нақты өлшемі оның шын өлшемінен (анықтама бойынша) айрықшылығына байланысты, атап айтқанда, осы өлшеу түріне алынған өлшеу құралдарының таңдалу дәрежесіне байланысты. Өлшеу сапасының маңызды бір көрсеткіші оның ақиқаттығы; ол өлшем нәтижесіне сенімдiлiкті сипаттайды және оларды екі категорияға бөледі: сәйкес шамалардың шын мәнінен ауытқуының ықтималды сипаттамаларының белгілі немесе белгісіздігіне байланысты ақиқатты және ақиқат емес. Акиқаттығы расталмаған өлшеу нәтижелерімен бағаланбайды.
Өлшеу құралы - нормаланған метрологиялық сипаттамалы, өлшеуге арналған техникалық құралы.
Шама бірлігінің эталоны - шама бірлігін қайта жаңғырту және сақтауға арналған өлшеу құралдары.
Өлшеу бірлігі - нәтижелері көрсетілген шама бірліктерінде берілген, өлшеу жағдайы, ал өлшеу қателігі берілген ықтималдықпен қойылған шектен шықпауы керек.
Метрологиялық кызмет - өлшеу бірлігін қамтамасыз етуге бағытталған субъектілер жиынтығының іс әрекеттерімен жұмыс түрлері.
Өлшеу құралдарын тексеру - қойылған талаптарға өлшеу құралдарының сәйкестілігін анықтау мен мақұлдау мақсатымен мемлекеттік метрологиялық қызмет органдары орындайтын операциялар жиынтығы.
Өлшеу құралдарын калибрлеу - мемлекеттік бақылау мен қадағалауға жатпайтын, өлшеу кұралдарының метрологиялык сипаттамалары мен нағыз мәндерін және қолдануға жарамдылығын анықтау мен мақұлдау мақсатымен орындалатын операциялар жиынтығы. Калибрлеу - заңды метрология саласында керекті техникалық процедура.
Физикалық шама кез келген ғылым саласында зерттелетін материалдық жүйе және объектілерді бейнелеуде колданылады.
Өлшем (мера) - берілген мөлшердің физикалық шамасын қайта қалпына келтіруге арналған өлшеу құралы. Мысалға тұрақты сыйымдылықты конденсатор бір мән өлшем рөлін атқарады, ал айнымалы сыйымдылықты конденсатор көп мәнді.
Өлшейтін приборлар - бакылаушымен тікелей кабылдай алатын түріндегі, өлшеу-ақпарат сапасын жасауға арналған өлшеу құралы. Өлшеу приборлары ұқсастықты және санды көрсететін және жазушы болуы мүмкін.
Өлшеу түрлендіргіші - беруге ыңғайлы және әрі карай түрлендіруге арналған түріндегі ақпарат сигналын жасауға арналған өлшеу кұралы, бірақ та бақылаушы сигналды тікелей қабылдай алмайды.
Өлшеу қондырғысы - бір жерде орналасқан және бақылаушымен тікелей қабылдауға ыңғайлы түрдегі өлшеу-ақпарат сигналын жасауға арналған өлшеу құралдары мен көмекшi кұралдары.
Өлшеу ақпарат жүйесі - объектіні қарау, өңдеу мен басқаруға болатын, бiр-бірімен өзара байланыс каналымен жалғастырылған және өлшеу ақпаратын алуға арналған өлшеу кұралдары мен көмекші құралдарының жиынтығы.
Стандартты үлгілер - бір немесе бірнеше шамалардың мәндерін метрологиялық аттестаттау нәтижесінде қойылған бұл заттардың құрамын немесе қасиетін сипаттайтын зат үлгісі.
Метрологиялык бақылау - метрологиялық қызметінің мемлекеттік басқару органдары мен заңды тұлғалардың метрологиялық ережелер мен нормалардың орындалуын тексеру мақсатымен жүргізіледі.
Мемлекеттік метрологиялық қадағалау бұл мемлекеттік қадағалау бойынша инспекторлардың өлшеу құралдарының жасалыну жағдайымен колданылуы, өлшеуді жүргізу әдістемесі, метрологиялық ережелер мен нормаларды орындау және т.б. қадағалау жатады.
Өлшеу құралын калибрлеу - бұл мемлекеттік қадағалауға жатпайтын өлшеу құралдарының жарамдылығы мен нағыз метрологиялык сипаттамасын қою мақсатымен, эталон көмегімен анықталған сәйкес шама мәнімен, өлшеу құралымен алынған шама мәні арасындағы қатынасты коятын операциялар жиынтығы.
Өлшеу құралдарын калибрлеуді өткізуге бекітілген тәртіпте аккредиттеуден өткен метрологиялық қызмет бөлімшесінің заңды түлғаларының құқысы бар.
Өлшеу құралын сынау - оларды сынау кезінде сыналатын объектіге әртүрлі сынау әсерлер (пайдалану кезінде оларға әсер ететін әсерлер) қолдану арқылы бекітілген нормаларға сәйкестілік дәрежесін анықтау үшін өткiзілетін операциялар жиынтығы.
Метрологияның негізгі мақсаты - физикалық шамалар бірліктерін (ГОСТ 16263), мемлекеттік эталондарды және үлгілі өлшеу құралдарын, әдістер мен өлшеу құралдарын және бақылауды зерттеп дайыңдау, өлшеудің бірлігін және бір тектес өлшеу құралдарын қамтамасыз ету, қате жіберушілікті бағалау әдістерін зерттеп дайындау, онымен қатар мөлшерлер бірліктерін эталоннан немесе үлгілі өлшеу құралдарынан жұмысшы өлшеу құралдарына беру. Физикалық шамаларды өлшеу іс жүзінде техникалық құралдармен тәжірибе жолымен орындалады. Өлшеу деп кез келген мәндерді шартты түрде бірлік ретінде бекітілген мәнмен салыстырып қарауды айтады.
Бақылау - өлшеудің бір түрі, мұнда физикалық шаманың жеткілікті шекті мәндерге сәйкестілігін анықтайды. Өлшеудiң дәлдігін қамтамасыз етудің метрологиялық нормативті заңды негізі, өлшеудің бірлігін қамтамасыз ету мемлекеттік өлшеу жүйесі болады (МӨЖ). МӨЖ-дің негізгі нормативті заңды құжаттары - мемлекеттік стандарттар.
СИ (SI) жүйесіндегі негізгі физикалық шамалар бірліктеріне келесілер жатады: ұзындық-метр (м), масса-килограмм (кг), уақыт-секунд (с), электр тогының күші-ампер (А), термодинамикалық температура-Кельвин (К), жарық күші-кандела (кд), зат саны-моль (моль).
Көрсетілуі қысқартылған орыс және латын әріптерімен берілген СИ жүйесінің негізгі бірліктері 1-кестеде көрсетілген.
Өлшем мен салмақ жөніндегі Бас конференцияның (01.01.80) шешімі бойынша негізгі бірліктердің анықтамалары:
Метр - 1/299792458 секундтың үлесінде жарықтың вакуумда өткен жолының ұзындығына тең ара қашықтық;
Килограмм - халықаралық килограмм массасының түпңұсқасына тең салмақ;
Ампер - бір-бірінен 1 м қашықтықта орналасқан шексіз ұзын және дөңгелек қимасы өте кішкентай көлемді екі параллельді түзу, вакуумда 1 м аралықта өзара 2х107, Н әсер беретін күшке тең өзгермейтін тоқтың күшіне тең;
Кельвин - судың үш еселенген нүктесінің термодинамикалық температурасының 1/273,16 бөлігіне тең температура;
Моль - массасы 0,012 кг 12 көміртегіндегі атомдар қүрамындағыдай элементтерден құрылған жүйе затының санына тең;
Кандела - жарық күшінің белгіленген бағытта шығарылатын монохроматикалық сәулеленуінің жиілігі540x10 Гц тең, осы бағытта жарықтың энергетикалық күші1/683 ВТ/ср тең жарық күші.
Хальқаралық бірлік жүйесінде екі қосымша - жазықты және дене бұрыштарын өлшейтін бірліктер бар.
Радиан (рад) - жазықты бүрыш өлшемі шеңбердің екірадиусының арасындағы бұрыштың, екеуінің арасындағы доғаның ұзындығы шеңбердің радиусының үзындығына тең. Градуспен өлшесек 1 радиан - 57°17' 44,811
Кесте 2.1 - СИ жүйесінің негізгі бірліктері
|
Шама
|
Өлшем бірлігі
|
Бірліктің қысқаша көрсетілуі | |
|
орысша |
халықаралық | ||
|
Ұзындық |
Метр |
м |
ІП |
|
Масса |
Килограмм |
кг |
ч |
|
Уақыт |
Секунд |
с |
8 |
|
Әлектр тогының куші |
Ампер |
А |
А |
|
Термодинамикалық температура |
Кельвин |
К |
К |
|
Жарық күші |
Кандела |
кд |
сй |
|
Заттың саны |
Моль |
моль |
тоі |
Стерадиан (ср) - дене бұрышының бірлігі. Дене бұрышын, бұрышының төбесі сфераның центрінде орналасқан және сфераның бетінде қабырғасының ұзындығы сферанын, радиусына тең қосымша.
СИ жүйесінің қосымша бірліктері бұрыштық жылдамдықтың, бұрыштық үдемелі жылдамдық және басқа да шамалардың бірліктерін құрастыруы қажет. Радиан да, стерадиан да көбіне теориялық есептеу мен сызбаларда қолданылады, ал тәжірибе жүзінде қажет емес.
СИ бірліктерімен қолданылатын жүйеге кірмейтін бірліктер:
масса-тонна - Т;
уақыт-минут - мин;
сағат - с;
тәулік - тау;
жазықты бұрыш-градус - °;
минут- мин';
секунд-сек;
көлем-литр - л;
аудан-гектар - га;
температура градус Цельсия - С;