Тема 2. Физические величины, средства и методы их измерения

Физические величины. Единицы величин

 

Физическая величина - это свойство, общее в качественном отно­шении для многих физических объектов, но в количественном отноше­нии индивидуальное для каждого из них.

Значение физической величины - это количественная оценка размера физической величи­ны, представленная в виде некоторого числа принятых для нее еди­ниц (например, значение сопротивления проводника 5 Ом).

Различают истинное значение физической величины, идеально от­ражающее свойство объекта, и действительное, найденное эксперимен­тально, достаточно близкое к истинному значению, которое можно ис­пользовать вместо него, и измеренное значение, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерения.

Совокупность величин, связанных между собой зависимостями, об­разуют систему физических величин, в которой имеются основные и производные величины.

Основная физическая величина - это вели­чина, входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.

Производная физическая величина - это величина, входящая в систему и определяемая через основные ве­личины этой системы.

Важной характеристикой физической величины является ее размер­ность (dim). Размерность - это выражение в форме степенного одно­члена, составленного из произведений символов основных физических величин и отражающее связь данной физической величины с физиче­скими величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, равным единице.

Единица физической вели­чины - это конкретная физическая величина, определенная и принятая по соглашению, с которой сравниваются другие величины того же рода.

В установленном порядке допускаются к применению единицы величин Международной системы единиц (СИ), принятой Генеральной конференцией по мерам и весам, рекомендованные Международной ор­ганизацией законодательной метрологии.

Различают основные, производные, кратные, дольные, когерент­ные, системные и внесистемные единицы.

Основная единица системы единиц - единица основной физической величины, выбранная при построении системы единиц.

Метр - длина пути, проходимая светом в вакууме за интервал вре­мени 1/299792458 доли секунды.

Килограмм - единица массы, равная массе международного про­тотипа килограмма.

Секунда - время, равное 9192631770 периодам излучения, соот­ветствующим переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия-133.

Ампер - сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположен­ным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 ∙ 10^-7 Н.

Кельвин - единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Моль - количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 мас­сой 0,012 кг.

Кандела - сила света в заданном направлении источника, испус­кающего монохроматическое излучение частотой 540 ∙ 10¹² Гц, энергети­ческая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Предусмотрены также две дополнительные единицы.

Радиан - угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.

Стерадиан - телесный угол с вершиной в центре сферы, выреза­ющий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Производная единица системы единиц - единица производной фи­зической величины системы единиц, образованная в соответствии с урав­нением, связывающим ее с основными единицами или же с основными и уже определенными производными. Например, единица мощности, выраженная через единицы СИ, 1Вт = м² ∙ кг ∙ с^-3.

Наряду с единицами СИ Закон «Об обеспечении единства из­мерений» допускает применение внесистемных единиц, т.е. единиц, не входящих ни в одну из существующих систем. Принято выделять не­сколько видов внесистемных единиц:

- единицы, допускаемые наравне с единицами СИ (минута, час, сутки, литр и др.);

- единицы, применяемые в специальных областях науки и техники
(световой год, парсек, диоптрия, электрон-вольт и др.);

- единицы, изъятые из употребления (миллиметр ртутного столба,
лошадиная сила и др.)

К числу внесистемных относят также кратные и дольные едини­цы измерения, имеющие иногда собственные наименования, например единица массы - тонна (т). В общем случае десятичные, кратные и дольные единицы образуются с помощью множителей и приставок.

Средства измерений

 

Под средством измерений (СИ) понимается устройство, предназна­ченное для измерений и имеющее нормированные метрологические ха­рактеристики.

По функциональному назначению СИ подразделяются на: меры, из­мерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведе­ния и хранения физической величины одного или нескольких раз­меров с необходимой точностью. Мера может быть представлена в виде тела или устройства.

Измерительный прибор (ИП) - средство измерения, предназначенное для извлечения измерительной информации и преобразования
ее в форму, доступную для непосредственного восприятия оператором. Измерительные приборы, как правило, имеют в своем составе
меру. По принципу действия различают ИП аналоговые и цифровые. По способу представления измерительной информации измеритель­ные приборы относятся либо к показывающим, либо к регистрирующим.

В зависимости от способа преобразования сигнала измерительной информации различают приборы прямого преобразования (прямого дей­ствия) и приборы уравновешивающего преобразования (сравнения). В приборах прямого преобразования сигнал измерительной информации преобразуется необходимое количество раз в одном направлении без применения обратной связи. В приборах уравновешивающего преобразо­вания, наряду с цепью прямого преобразования, имеется цепь обратного преобразования и измеряемая величина сравнивается с извест­ной величиной, однородной с измеряемой.

В зависимости от степени усреднения измеряемой величины выде­ляют приборы, дающие показания мгновенных значений измеряемой ве­личины, и приборы интегрирующие, показания которых определяются интегралом по времени от измеряемой величины.

Измерительный преобразователь - средство измерений, предназна­ченное для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, даль­нейших преобразований, индикации или передачи.

В зависимости от места в измерительной цепи различают преобразо­ватели первичные и промежуточные. Первичные преобразователи - это те, к которым подводится измеряемая величина. Если первичные пре­образователи размещаются непосредственно на объекте исследования, удаленном от места обработки, то они называются иногда датчиками.

В зависимости от вида входного сигнала преобразователи подразде­ляют на аналоговые, аналого-цифровые и цифроаналоговые. Широко распространены масштабные измерительные преобразова­тели, предназначенные для изменения размера величины в заданное число раз.

Измерительная установка - это совокупность функционально объ­единенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измери­тельных преобразователей) и вспомогательных устройств (сопряжения, питания и др.), предназначенных для одной или несколь­ких физических величин и расположенных в одном месте.

Измерительная система - совокупность функционально объеди­ненных мер, измерительных преобразователей, ЭВМ и других техни­ческих средств, размещенных в разных точках контролируемого объ­екта, с целью измерения одной или нескольких физических величин.

Виды и методы измерений

 

В метрологии измерение определяется как совокупность операций, выполняемых с помощью технического+- средства, хранящего единицу фи­зической величины, позволяющего сопоставить измеряемую величину с ее единицей и получить значение этой величины.

Классификация видов измерений по основным классификационным признакам представлена в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Виды измерений

Признак	Вид измерений
По виду измеряемой величины   По способу нахождения измеряемой величины По способу выражения результата По характеру зависимости измеряемой величины от времени По точности измерения	Измерения электрического сопротивления, напряжения, мощности и т.д. Прямые, косвенные, совместные, совокупные   Абсолютные, относительные Статические, динамические   Максимально возможной точности, технические

 

Прямое измерение - измерение, при котором исходное значение величины находят непосредственно из опытных данных в результате вы­полнения измерения. Например, измерение амперметром силы тока.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой ве­личиной и величинами, которые подвергаются прямым измерениям. На­пример, измерение сопротивления резистора с помощью амперметра и вольтметра с использованием зависимости, связывающей сопротивле­ние с напряжением и током.

Совместные измерения - это измерения двух или более неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. Классическим примером совместных измерений является нахождение зависимости сопротивления резистора от температуры;

Совокупные измерения - это измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения ве­личин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях и различных сочетаниях этих величин.

Например, нахождение со­противлений двух резисторов по результатам измерений сопротивлений последовательного и параллельного соединений этих резисторов.

Абсолютные измерения - измерения, основанные на прямых изме­рениях одной или нескольких величин и использовании значений физи­ческих констант, например, измерения силы тока в амперах.

Относительные измерения — измерения отношения значения физи­ческой величины к одноименной величине или изменения значения ве­личины по отношению к одноименной величине, принятой за исходную.

К статическим измерениям относят измерение, при котором СИ работает в статическом режиме, т.е. когда его выходной сигнал (на­пример, отклонение указателя) остается неизменным в течение време­ни измерения.

К динамическим измерениям относят измерения, выполненные СИ в динамическом режиме, т.е. когда его показания зависят от динами­ческих свойств. Динамические свойства СИ проявляются в том, что уровень переменного воздействия на него в какой-либо момент времени обуславливает выходной сигнал СИ в последующий момент времени.

Измерения максимально возможной точности, достигаемой при су­ществующем уровне развития науки и техники. Такие измерения прово­дят при создании эталонов и измерениях физических констант. Харак­терными для таких измерений являются оценка погрешностей и анализ источников их возникновения.

Технические измерения - это измерения, проводимые в заданных условиях по определенной методике и проводимые во всех отраслях народного хозяйства, за исключением научных исследова­ний.

Совокупность приемов использования принципа и средств измерений называется ме­тодом измерения (рис.2.1).

Все без исключения методы измерений основаны на сравнении из­меряемой величины с величиной, воспроизводимой мерой (однозначной или многозначной).

Метод непосредственной оценки характеризуется тем, что значе­ния измеряемой величины отсчитывают непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Шкала прибора заранее градуируется с помощью многозначной меры в единицах измеря­емой величины.

Методы сравнения с мерой предполагают сравнение измеряемой ве­личины и величины, воспроизводимой мерой. Наиболее распространены следующие мето­ды сравнения: дифференциальный, нулевой, замещения, совпадения.

 

Рисунок 2.1 – Классификация методов измерений

При нулевом методе измерения разность измеряемой величины и из­вестной величины сводится в процессе измерения к нулю, что фиксиру­ется высокочувствительным нуль-индикатором.

При дифференциальном методе по шкале измерительного прибора отсчитывают разность измеряемой величины и величины, воспроизводи­мой мерой. Неизвестную величину определяют по известной величине и измеренной разности.

Метод замещения предусматривает поочередное подключение на вход индикатора измеряемой и известной величин, т.е. измерения про­водят в два приема. Наименьшая погрешность измерения получается в том случае, когда в результате подбора известной величины индика­тор дает такой же отсчет, что и при неизвестной величине.

Метод совпадения основан на измерении разности между измеря­емой величиной и величиной, воспроизводимой мерой. При измере­нии используют совпадения отметок шкал или периодических сигна­лов. Метод применяется, например, при измерении частоты и времени по эталонным сигналам.

Измерения вы­полняют с однократным либо с многократными наблюдениями. Под наблюдением здесь понимается экспериментальная операция, выполня­емая в процессе измерения, в результате которой получают одно зна­чение величины, имеющее всегда случайный характер. При измерениях с многократными наблюдениями для получения результата измерения требуется статистическая обработка результатов наблюдений.