Измерения — один из основных способов познания явлений и законов природы. Физический закон — это математическое соотношение между значениями физических величин. Под значением физической величины понимается ее оценка, выраженная в виде некоторого числа принятых для этой величины единиц, названных в предыдущей беседе мерами (напомним: метрологи обычно употребляют термин „мера в другом значении) . Например, если секундомер показал 3 с, измеренное время составляет трехкратное повторение секунды.

Самый первый электроизмерительный прибор был изобретен всего лишь 243 года назад академиком Рихманом Г.В., соратником Михаила Васильевича Ломоносова. Это был электрометр, который предназначался для исследований атмосферного электричества как ,,указатель электрической силы .

Через 81 год после изобретения электрометра Георг Ом экспериментально открыл основной закон электрической цепи (закон Ома), свлзашший между собой напряжение, силу тока и сопротивление. Соотношение пик величин можно было открыть и без измерений, теоретически. Но, чтобы соотношение стало законом, его обязательно нужно подтвердить ЖСПври ментами. С законом Ома, кстати, было наоборот: георетичвСКИЙ 1Ы10Д последовал через год после экспериментального открытия

В наши дни любая лаборатория поражает обилием приборов. Приборы вездесущи.

Подводный магнитометр позволил поднять с затонувшего в 1622 г. испанского корабля „Святая Маргарита множество богатых предметов утвари, украшений, золотых слитков и монет после их пребывания в воде более 350 лет. Применялись магнитометры и при поисках затонувшего парохода „Титаник .

Первый магнитометр для спутников, изготовленный в Ленинграде в НПО „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева , был установлен на борту искусственного спутника ,,Интеркосмос-10 . Советской автоматической лабораторией ,,Луноход-2 с помощью магнитометра определялась намагниченность лунных пород и раскрыто внутреннее строение Луны до глубин порядка сотен кмлометров.

В этих примерах применения магнитометра использованы так называемые прямые измерения, поскольку магнитометрами измерялись напряженности или индукции магнитных полей. Данные приборы и предназначены для этих целей. Аналогичные действия — прямые измерения — мы совершаем, пользуясь линейкой для измерения длины, термометром — для измерения температуры, амперметром — для измерения силы тока.

При косвенных же измерениях сначала получают не результат измерения, а промежуточную величину, связанную с результатом известной зависимостью. Вот, например, как используется магнитометр при раскрытии преступлений.

Сыщики из старых детективных романов обычно долго и задумчиво нюхают стволы пистолетов или ружей, пытаясь таким образом выявить оружие, из которого был сделан роковой выстрел. Гораздо надежнее современный способ — определение времени, прошедшего с момента последнего выстрела.

Оружейные стволы сделаны из стали, которая обязательно намагничивается естественным магнитным полем Земли. Только во время выстрела сталь ствола полностью размагничивается под действием высоких температур и давлений. После выстрела ствол снова постепенно намагничивается.

Теперь, очевидно, вам стал ясен метод установления давности выстрела. У изъятого или обнаруженного на месте происшествия оружия измеряют магнитометром намагниченность ствола. Производят так называемый контрольный отстрел, тем самым размагничивая сталь ствола. После отстрела осуществляют последовательные во времени замеры намагниченности (например, через каждые двенадцать часов) до тех пор, пока показание магнитометра не окажется приблизительно равным первоначальному, полученному до контрольного отстрела. Давность выстрела равна времени, которое прошло от контрольного отстрела до искомого момента.

Таким образом, в описанном косвенном методе измерения времени использована промежуточная величина — намагниченность ствола, связанная с определяемым временем кривой намагничивания, индивидуальной для каждого экземпляра оружия.

. . .С помощью косвенных измерений мы определяем объем комнаты, замеряя ее длину, ширину, высоту и перемножая их. Используя вольтметр

В примерах с магнитометром, как при прямых, так и при косвенных измерениях, параметры магнитного поля определяются по показаниям этого измерительного прибора, не содержащего меры (средства измерений, воспроизводящего единицу физической величины).

Действительно, далеко не все измерительные приборы включают в себя меры. Однако, как отмечалось в 1-й беседе, шкалу прибора можно считать запоминающим устройством, в памяти которого хранится, например, тесла (Тл) — единица индукции магнитного поля. Ведь прибор при его создании градуируется по многозначной мере, и деления его шкалы „держат в памяти кратные и дольные значения единицы измеряемой величины. Конечно, с определенной, заданной классом прибора, точностью.

Итак, точность измерений. . . На протяжении всей истории своего существования человечество стремилось к абсолютной точности определения значений физических величин. Но не зря говорят: чтобы никогда не совершать ошибок, нужно ничего не делать. Напрашивается аналогия: чтобы избежать погрешностей, нужно отказаться от измерений. А без измерений человеку не прожить. Измерения поставляют информацию, в которой кроется могущество человечества.

Метрологам оказалось гораздо удобнее оценивать количественно не значения точности, а значения погрешности. Погрешность измерения не нужно путать с ошибкой измерения. Ошибку в большинстве случаев устранить можно, а полностью устранить погрешность, к сожалению, нельзя (даже вводя поправку) .

Хотя эта книга — не учебник, нам все же Придется прибегать к хрестоматийным определениям. Напомним, что абсолютная погрешность результата измерения — это алгебраическая разность между полученным при измерении и истинным значением искомой величины.

У всех средств измерений погрешности нормированы. Это значит, что для реальных погрешностей существуют нормы, установлен „коридор , в который они должны вписаться. Мы говорили, что по мере развития науки и техники в каждом из видов измерений упомянутые нормы для пределов погрешностей неуклонно понижаются. А почему нельзя для самых ответственных измерений и самых точных приборов сузить этот „коридор до нуля? Измерять самые что ни на есть истинные значения величин?

Прежде, чем ответить на этот вопрос, вспомним древнегреческий миф о поединке Геракла с лернейской гидрой.

Борьба с девятиголовой гидрой была опасна, потому что одна из голов ее была бессмертна. Отправился в путь Геракл с сыном Ификла Иолаем. Придя к болоту у города Л ерны, Геракл оставил Иолая с колесницей в близлежащей роще, а сам отправился искать гидру. Он нашел ее в окруженной болотом пещере. Раскалив докрасна свои стрелы, СТ1Л I бракл пускать их одну за другой в гидру. В ярость припеки г идру < фолы Геракла .

Когда экспериментатор пытается с помощью гочнайшаго* рвД1 гва устранить все виды погрешностей и измерить истинно»! ему приходится не легче, чем Гераклу.

Вот ползущий по шкале прибора указатель (стрелка, нить или световой луч) остановился между двумя отметками. Экспериментатор определил количество делений шкалы (например, 22,5) и умножил его на цену одного деления, скажем на 0,04 Тл/дел. Получилась магнитная индукция, равная 0,9 Тл. Истинное ли это значение?

Опытный приборист знает, что погрешности из-за влияния внешних факторов неизбежны. Колебания температуры в лаборатории, изменения влажности и давления, непостоянство напряжения питающей сети, внешние электрические и магнитные поля, вибрации, близость человека — все это влияет на результат измерения точным (прецизионным) прибором.

Допустим, что наш сражающийся с погрешностями герой старается учесть абсолютно все. Его лаборатория находится в экранированном термостатированном помещении, в подвале с нормальной влажностью, работает он ночью, одежда его не электризуется, сам он заземлен, прибор питается стабилизированным напряжением и т.п. Более того, в результат измерения введены поправки на реальные значения климатических факторов. В итоге получилось значение индукции, равное 0,905 Тл.

,, . . .Гидра обвилась хвостом вокруг ног Геракла и старалась свалить его. Как непоколебимая скала, стоял герой и взмахами своей тяжелой палицы одну за другой сбивал головы гидры. Как вихрь, свистела в воздухе палица; слетали головы гидры, но гидра все-таки была жива .

Метролог должен также помнить о систематических и случайных погрешностях измерительного прибора. Систематическую погрешность он устраняет путем введения поправки. Таблица поправок составляется для каждого прибора индивидуально с помощью образцового средства измерений, в несколько раз более точного, чем используемый прибор.

Случайную погрешность прибора, которая проявляется в разбросе показаний, на данном этапе развития метрологии предсказать нельзя. Парадоксально, но многие точные измерения, осуществляемые в одинаковых условиях, дают разные результаты. Основная причина, видимо, кроется в дискретности материи и в двойственной природе микрочастиц — волн. Ведь даже расстояния между атомами в молекуле не являются постоянными. Что уж тогда говорить об электрическом токе, создающемся большим количеством движущихся заряженных микрочастиц! Сила тока может иметь лишь среднестатистическое значение. Кстати, метролог и борется со случайной погрешностью с помощью статистики. Вместо одного измерения приходится делать целый ряд измерений, а затем их усреднять.

И все же, поскольку бесчисленное множество повторных измерений практически произвести невозможно, полностью устранить случайную погрешность нельзя. Как тут не вспомнить о том, что одна из голов у лер-нейской гидры была бессмертной! ...

„ . . .На месте каждой сбитой головы у гидры вырастали две новые. Явилась и помощь гидре. Из болота выполз чудовищный рак и впился своими клешнями в ногу Геракла.

Так как мы приняли, что экспериментатор весьма опытен, на субъективных погрешностях из-за неправильного отсчета результата заострять внимание не будем. Отметим только, что недостаток зрения может стать

причиной появления систематических погрешностей от параллакса у любого измерителя. Параллакс — это кажущееся смещение объекта, вызванное изменением точки наблюдения. Например, показание прибора, снятое левым глазом, обычно не равно показанию, снятому правым глазом. Чтобы исключить погрешности от параллакса, угол зрения по отношению к плоскости шкалы должен быть строго прямым. Это условие особенно важно, если шкала профильная.

Наличие трения в опорах стрелочного прибора приводит к погрешности из-за вариации, если не учитывать направление движения указателя к его конечному положению. . .

■ Много голов у нашей гидры, имя которой — погрешность. Несколько уменьшить их количество можно, используя цифровой прибор вместо стрелочного. Цифровые приборы точнее. В большинстве из них можно не учитывать вариацию. Кроме того, пользуясь ими, мы избавляемся от субъективной погрешности отсчета показаний прибора.

Однако у цифровых средств возможности также не безграничны. Допустим, работник, производивший измерения, имел в распоряжении цифровой магнитометр и получил результат измерения магнитной индукции, равный 0,9048 Тл. Если бы у прибора был еще один разряд, неизвестно, какая бы цифра высветилась в нем: 0 или 9. Такая погрешность объясняется квантованием измерительной величины.

Квантование величины по уровню означает использование только определенных дискретных (прерывных) значений этой величины. Например, число приборов на предприятии дискретно, поскольку это целое число. Оно может быть равным 9048 или 9049, но никак не 9048,3. Показание упомянутого цифрового магнитометра также дискретно из-за ограниченного числа разрядов. Оно может оказаться равным 0,9048 или 0,9049, но не 0,90483.

Наш затянувшийся разговор о врагах истинного значения измеряемой величины требует назвать и динамические погрешности. Ведь если прибор не будет успевать реагировать на изменения входного сигнала, все усилия по ликвидации систематических и случайных погрешностей вообще напрасны.

Справедливо возмутятся метрологи и в том случае, если не упомянуть методические погрешности. Правда, их яркий представитель — погрешность квантования — нами не забыт. Название методических погрешностей раскрывает физическую природу этих погрешностей: они заложены в методе, то есть в теоретической основе измерений. Скажем, магнитометр, помещенный в магнитное поле для оценки параметров последнего, искажает это поле, что неизбежно приводит к методической погрешности. А попробуйте придумать такой метод, который гарантирует полное отсутствие влияния измерительной аппаратуры на исследуемый объект! . ..

„ . . .Тогда герой призвал на помощь Иолая. Иолай убил чудовищного рака, зажег часть ближней рощи и горящими стволами деревьев прижигал гидре шеи, с которых Геракл сбивал головы. Новые головы перестали вырастать у гидры. Все слабее и слабее сопротивлялась она сыну Зевса. Наконец, и бессмертная голова слетела у гидры. Чудовищная гидра была побеждена и рухнула мертвой на землю .