Шкалы физических величин

Шкала измерений - основополагающее понятие метрологии. Шкала представляет собой упорядоченную последовательность значений измеряемой величины. Наибольшее распространение имеют шкалы физических величин, применяемые по соглашению на основании результатов точных измерений, имеющие физически обоснованные единицы измерений.

Шкалы измерений необходимы как для количественных (длина, температура), так и для качественных (вкус, цвет) проявлений свойств объектов (тел, веществ, явлений, процессов). Проявления свойства образуют множество, элементы которого находятся в определенных логических отношениях между собой.

В соответствии с логической структурой свойств в теории измерений принято различать 5 типов измерительных шкал: шкалы наименований, порядка, разностей (интервалов), отношений и абсолютные шкалы.

Шкала наименований является наименее совершенной шкалой, она характеризуется только отношением эквивалентности различных качественных проявлений свойства. Пример шкал наименований - классификация (оценка) цвета объекта по наименованиям (красный, белый, сине-зелёный и т. д.), опирающаяся на стандартные атласы цветов (в атласах цвета могут обозначаться условными номерами). Измерения выполняются путём сравнения при определенном освещении образцов цвета из атласа с исследуемым цветом и установления их эквивалентности. Для таких шкал не имеют смысла отношения (суждения) типа «больше-меньше».

Шкалы порядка описывают свойства, для которых имеют смысл не только отношение эквивалентности, но и отношение порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства («больше-меньше»). В шкалах порядка может быть (иметь смысл) нуль или его может не быть. Так, шкалы твёрдости начинаются с некоторого ненулевого значения, сейсмическая шкала начинается с одного балла, а шкала Бофорта для силы ветра - с нулевого значения. В шкалах порядка невозможно ввести физически обоснованные единицы измерений, так как для таких шкал не установлено отношение пропорциональности, т.е. нет возможности судить во сколько раз одна измеренная величина больше другой. Такие шкалы обычно имеют условные единицы (баллы). Примеры шкал порядка - шкалы чисел твёрдости тел, шкалы баллов землетрясений, шкалы баллов ветра. Сюда следует отнести и шкалы органолептической оценки.

Шкала разностей (интервалов) отличается от шкалы порядка тем, что для описываемого ею свойства имеют смысл не только отношения эквивалентности и порядка, но и пропорциональности или суммирования интервалов (разностей) между различными количественными проявлениями свойства. Характерный пример - шкалы времени; интервалы времени можно суммировать (вычитать). Шкалы разностей имеют условный нуль, опирающийся на какой-либо репер (например, шкала Цельсия ).

Шкала отношений описывает свойства, ко множеству количественных проявлений которых применимы отношения эквивалентности, порядка, пропорциональности или суммирования (а следовательно, и вычитания, и умножения). В шкале отношений существует естественный критерий нулевого количественного проявления свойства, т. е. нуль имеет не условное значение, а вполне определенный физический смысл. Примеры шкал отношений - шкала массы, термодинамическая температурная шкала (шкала Кельвина), силы электрического тока и его напряжения и т.д.

Абсолютные шкалы обладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно в них существует естественное однозначное определение единицы измерения. Такие шкалы измерений соответствуют относительным величинам - отношениям одноимённых физических величин, описываемых шкалами отношений. К таким величинам относятся коэффициенты усиления, полезного действия, светоотражения, светопропускания, амплитудной модуляции и т.п.

Большинство свойств, которые рассматривают в практической метрологии, описывается одномерными шкалами измерений. Однако имеются свойства, которые в принципе можно описать только многомерными шкалами. Таковы, например, трёхмерные шкалы цвета в колориметрии. Шкалы сортности изделий и продуктов в общем случае являются многомерными шкалами наименований и опираются на ряд факторов, каждый из которых определяется по специализированным шкалам наименований порядка или по общим шкалам интервалов, отношений и абсолютным, описывающим общепринятые физические величины и параметры (например, размеры изделия).