Леонид Ашкинази - Очень общая метрология
Эталон температуры
В физике есть несколько разных «температур», высокая метрология знает одну — термодинамическую температуру. Это та самая, которя однозначно связана с энергией через постоянную Больцмана (поэтому физики часто измеряют температуру в единицах энергии — Джоулях, или, того страшнее, в электронВольтах:) Она же входит в универсальный газовый закон. Поскольку для температуры нет естественного эталона, шкала температур условна и таких шкал много. Наиболее распространены сегодня шкалы Кельвина (наука), Цельсия (быт, Европа), Фаренгейта (быт, Америка). В некоторых регионах используется более простая шкала температур с тремя температурами — холодно, терпимо, жарко. На шкале Кельвина ноль совпадает с абсолютным нулем, а реперная точка — тройная точка воды. Значение температуры в этой точке выбрано так, чтобы деление шкалы (Кельвин) совпадал с делением шкалы Цельсия (градус Цельсия), для упрощения пересчета. Другие реперные точки — точки фазовых переходов чистых веществ, интерполяция между точками делается термометрами сопротивления и газовым термометром.
Эталон тока
Исторически эталонами электрических величин сначала были ток (через гальванопроцесс и вес осадка) и сопротивление (через сопротивление ртутного цилиндрика), напряжение определялось законом Ома, а передавалось — особо стабильным гальваническим элементом («нормальный элемент»).
Позже ампер определили через взаимодействие токов и эталоном стали токовые весы, в которых измеряется сила притяжения между двумя катушками с «эталонируемым» током, а эталоном напряжения стал нормальный элемент.
Ну а потом, как и следовало ожидать (скажем мы теперь, растопырив пальцы) произошел переход к квантовым стандартам. А именно, было показано, что при увеличении тока, протекающего через переход сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник, облучаемый СВЧ с некоторой частотой, напряжение на переходе увеличивается скачками величиной, зависящей от этой частоты, постоянной Планка и заряда электрона (эффект Джозефсона). Поскольку частота измеряется с высокой точностью, возникла возможность построения квантового эталона напряжения.
Далее, было показано, что на переходе металл-диэлектрик-полупроводник при низких температурах имеет место квантовый эффект Холла — при увеличении магнитного поля сопротивление изменяется скачками, зависящими только от постоянной Планка и заряда электрона. Таким образом, появляется возможность построения квантового эталона сопротивления. В обозримом будущем это, по-видимому, и произойдет. Соответственно, при наличии квантового эталона напряжения и тока, на их основе может быть дано новое определение ампера.
Эталон силы света
Свет — это электромагнитное излучение в диапазоне непосредственного восприятия человеком. Поэтому в технике и, соответственно, метрологии, ему уделяется большее внимание. Световых единиц, как известно, четыре — световой поток, сила света, светимость и яркость. С точки зрения физики, никаких новых единиц и новых эталонов для описания света не нужно вообще, это соответственно, Вт, Вт/стер, Вт/м2 и Вт/ м2стер, и смысл величин ясен из размерностей. Но в этом случае нам нужны измерители мощности и энергии, с достаточной точностью измеряющие эти величины в оптическом диапазоне. На протяжении значительной части истории техники таким прибором, весьма чувствительным, хотя пригодным только для сравнительных измерений, был глаз человека. Система оптических величин базировалась на эталоне силы света, но сравнение силы света эталона и исследуемого источника проводилось «на глаз». Остальные единицы определялись через силу света и все четыре именовались, соответственно, люмен, кандела, люкс и кандела/м2. Кандела эталонировалась излучением абсолютно черного тела при фиксированной температуре, потребность перевода «ваттных» единиц в оптические и обратно повлекла стандартизацию так называемой «кривой видности» — стандартной характеристики чувствительности глаза. В настоящее время кандела уже определяется через ватт, хотя как единица сохраняется по инерции. По-видимому, в обозримом будущем система единиц, базирующаяся на канделе, будет понемногу выходить из употребления.
В заключение раздела отметим, что бегать с каждой ученической линейкой в гости к эталону метра не удастся. Поэтому эталоны и средства измерений для каждой величины представляют пирамидальную структуру высокой сложности и стоимости. На вершине которой находятся государственные эталоны основных величин, много миллионные установки, изолированные комнаты, сложнейшие процедуры, ниже — рабочие эталоны разных классов, потом рабочие средства измерений, и наконец — напольные весы, на шкалу которых с ненужным трепетом смотрит лучшая часть человечества.
Погрешности: философия
На интуитивном уровне мы понимаем, что знание наше во многих случаях не точно. Можно осторожно предположить, что точным наше знание вообще может быть только при дискретной шкале. Можно точно знать, сколько шариков в мешке, но нельзя — каков их вес, можно точно знать, какая оцека, но нельзя — какие знания. Можно точно знать, было или нет (и то не всегда), но нельзя — насколько любит.
Это тривиально, но от тривиального до непостижимого — что в жизни, что в метрологии — один шаг. Как оценить точность наших знаний? Если мы знаем точное значение — это легко; но если мы знаем точное, то нам не надо оценивать точность не точного. В реальной ситуации точного значения мы не знаем, и не факт, что это самое точное значене вообще существует. Что если реальная величина слегка изменяется со временем, а мы, производя измерения на коротком интервале и с ограниченной точностью, просто этого не замечаем. Что в этом случае «точное значение»?
Поэтому, употребляя всуе слово «точность» и рассуждая на эту тему, надо понимать некоторую условность всех этих рассуждений. Тем не менее физики и инженеры, занимаясь измерениями, не вдаются в философию и правильно делают. Потому что за каждым их метрологическим действием стоит огромный (часто — вековой) опыт и накопленная касающаяся этого объекта или объектов этого класса информация. Другое дело, что никакой опыт не гарантирует от ошибок.
Тут уместно следующее замечание. В большинстве книг и пособий по метрологии говорится, что однократных измерений не бывает, что любое измерение нужно повторять многократно. Между тем на практике большинство измерений делается один раз. Дело в том, что за спиной измерителя стоит — и часто огромный — опыт. Например, измеряя напряжение в сети хорошим поверенным вольтметром мы получаем 215 вольт и нам и в голову не приходит перемерять. Потому что мы прекрасно знаем, что должно быть немного меньше 220 и примерно знаем, сколько в какое время суток в нашем районе.
В старой советской терминологии различали значение истинное (сокровенное, скрытое от нашего слабого разума, доступное только Великому Метрологу) и действительное — то, к которому мы подползаем в процессе познания истины. Странно, что этого буржуазно-философского извращения не заметили борцы за чистоту великого учения! На растленном Западе, не вдаваясь в философию, называют то, к чему мы приближаемся — условным значением.
В советской терминологии различали погрешность, вызванную объективными обстоятельствами и ошибку, вызванную субъективными обстоятельствами. Это деление условно, например субъективное дрожание рук, увеличивающее ошибку, вполне объективно — причина его известна (паленая водочка), да и параметры поддаются измерению и управлению (правильный опохмел). Другой пример — при визуальном определении момента прохождения звезды через меридиан объективно существует индивидуальная погрешность, так называемая «личная разность».
Погрешности: модели
Когда мы что-то измеряем, имеющуюся к моменту начала измерений информацию (как осознанная, так и неосознанная) удобно представить в виде моделей объекта или явления. Модель «нулевого уровня» — это модель наличия величины. Мы верим в то, что она есть — раз ее измеряем! Модель «первого уровня» — это модель постоянства значений и независимости от пространства и прочих факторов, например температуры катода от условий эксплуатации, от дрейфа параметров, толщины покрытия в некоторых катодах и далее. В некоторых случаях мы знаем, что это упрощение и идем на него, если нам не нужна высокая точность. В иных случаях мы не знаем этого, и работаем с простой моделью, пока не наткнемся на противоречие. Тогда мы привлекаем более сложные зависимости. Причем какие именно зависимости привлекать и вообще привлекать их или просто тщательнее вести измерения и уменьшать разброс показаний — вопрос интуиции и опыта человека, эти процедуры трудно формализовать.
