Тема 2. Физические величины и их единицы

Физические величины

 

 

Физические величины разделяют:

1) основные – физические величины, входящие в систему величин и условно принятые в качестве независи­мых от других величин этой системы (пример – масса m);

2) производные – физические величины, входящие в систему величин и определяемые через основные величины этой системы (пример – сила F = m·a).

К основным величинам относятся: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества, сила света. К производным – такие, как сила, частота и т.д.

 

 

Единицы физических величин. Система единиц СИ

Единица измерения физической величины – физическая величина фиксированного раз­мера, которой условно присвоено числовое зна­чение, равное 1, и применяемая для количествен­ного выражения однородных с ней физических величин.

Совокупность основных и производных еди­ниц физических величин, образованная в соот­ветствии с принципами для заданной системы физических величин называется системой единиц физических величин.

Единица физической величины, входящая в принятую систему единиц, называется системной.

В РФ используется международная система единиц СИ, устанавливаемая ГОСТ 8.417 – 2002 «ГСИ. Единицы величин».

Единицы, входящие в систему, делятся на основные (единица основной физической величины в данной системе) и производные (единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными).

Производные единицы бывают когерентными – производная единица физической величины, связанная с другими единицами системы единиц уравнением, в котором числовой коэффициент равен 1. Пример: единица «ньютон» является когерентной единицам «метр, килограмм, секунда»: 1 Н = м·кг·с^-2.

 

 

Таблица 2.1 – Основные единицы системы СИ

Величина	Единица
наименование	рекомендуе-мое обозна-чение	наименование	обозначение
Длина	l	метр	м
Масса	m	килограмм	кг
Время	t	секунда	с
Сила электрического тока	I	ампер	А
Термодинамическая температура	T	кельвин	К
Количество вещества	n, ν	моль	моль
Сила света	J	кандела	кд

 

Таблица 2.2 – Пример производных единиц системы СИ

Величина	Единица
наименование	обозна-чение	выражение через основные единицы
Плоский угол	радиан	рад	м·м^-1 = 1
Телесный угол	стерадиан	ср	м^2·м^-2 = 1
Частота	герц	Гц	с^-1
Сила	ньютон	Н	м·кг·с^-2
Давление	паскаль	Па	м^-1·кг·с^-2
Энергия, работа, количество теплоты	джоуль	Дж	м^2·кг·с^-2
Мощность	ватт	Вт	м^2·кг·с^-3
Электрическое напряжение, электрический потенциал, разность электрических потенциалов, ЭДС	вольт	В	м^2·кг·с^-3·А^-1
Электрическая емкость	фарад	Ф	м^-2·кг^-1·с^4·А^2
Электрическое сопротивление	ом	Ом	м^2·кг·с^-3·А^-2

 

ГОСТ 8.417 устанавливает разрешенные к применению наравне с единицами СИ единицы других систем и внесистемные единицы – единица физической величины, не входящая в принятую систему единиц (таблица 2.3).

 

Таблица 2.3 – Пример внесистемных единиц, допускаемых к применению наравне с единицами системы СИ

Величина	Единица
наименование	обозна-чение	выражение через единицы СИ
Масса	тонна	т	1·10^-3 кг
Объем, вместимость	литр	л	1·10^-3 м^3
Энергия	киловатт-час	кВт·ч	3,6·10^6 Дж
Сила	дина	дин	1·10^-5 Н
килограмм-сила	кгс	9,80665 Н
Мощность	лошадиная сила	л.с.	735,499 Вт
Давление	бар	бар	1·10^5 Па

 

Также стандарт устанавливает кратные (единица физической величины, в целое число раз большая системной и внесистемной единицы) и дольные (единица физической величины, в целое число раз меньшая системной или внесистемной единицы) (таблица 2.4).

 

Таблица 2.4 – Множители и приставки, используемые для образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц

Множитель	Приставка	Обозначение приставки	Множитель	Приставка	Обозначение приставки
	экса	Э		деци	д
	пета	П		санти	с
	тера	Т		милли	м
	гига	Г		микро	мк
	мега	М		нано	н
	кило	к		пико	п
	гекто	г		фемто	ф
	дека	да		атто	а

 

Например, системная единица «метр» (м); кратная ей – «километр» (км), дольная – миллиметр «мм» (мм).

 

 

ТЕМА 3. ИЗМЕРЕНИЯ

 

3.1 Классификация измерений

 

 

Измерение физической величины – совокупность операций по применению тех­нического средства, хранящего единицу физичес­кой величины, обеспечивающих нахождение со­отношения (в явном или неявном виде) измеряе­мой величины с ее единицей и получение значе­ния этой величины.

Измерения классифицируются по ряду признаков.

Признак 1. По общим приемам получения результатов измерений:

1) прямые – измерения, при которых искомое значение физичес­кой величины получают непосредственно. Примерами прямых измерений являются: измере­ния длины линейкой, т. е. путем сравнения искомой величины с мерой – линейкой и др.;

2) косвенные – измерения, при которых искомое значение величи­ны определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функциональ­но связанных с искомой величиной. Например, мощность электрической цепи пос­тоянного тока в соответствии с формулой P = I·U можно определить, проведя прямые измерения силы тока и напряжения;

3) совокупные – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Пример: значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь;

4) совместные – проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними.

Признак 2. По отношению к изменению измеряемой величины:

1) статические – измерения физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Пример: измерение длины детали при нормальной температуре;

2) динамические – измерения изменяющейся по размеру физической величины.

Признак 3. По числу измерений:

1) однократные – измерения, выполненные один раз;

2) многократные – измерения физической величины одного и того же размера, результат которых получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т. е. состоящие из ряда однократных измерений.

Признак 4. По способу выражения результатов измерений:

1) абсолютные – измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Пример: измерение силы F = mg основано на измерении основной величины - массы m и использова­нии физической постоянной g (в точке измерения массы);

2) относительные – измерения отношения величины к одноимен­ной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Пример: измерение плотности жидкости ареометром;

Признак 5. По характеристике точности:

1) равноточные – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинако­вой тщательностью;

2) неравноточные – ряд измерений какой-либо величины, вы­полненных различающимися по точности средства­ми измерений и (или) в разных условиях.

 

 

Принципы измерений

 

 

Принцип измерений – это физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Рассмотрим лишь несколько широко распространенных эффектов.

1. Пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении ЭДС на поверхности (гранях) некоторых кристаллов (кварц, турмалин, искусственные пьезоэлектрические материалы – пьезокерамики и др.) под действием внешних сил (сжатие, растяжение). Наибольшее применение для измерений нашли кварц и пьезокерамики (например, титанат бария), обладающие достаточно высокой механической прочностью и температурной стабильностью (кварц до температуры примерно 200 °С, пьезокерамика – до 115 °С). Пьезоэлектрический эффект обратим: ЭДС, приложенная к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает механические напряжения на их поверхности.

2. Термоэлектрический эффект широко применяется при измерениях температуры, причем используются две основных разновидности способов использования этого эффекта.

В первом используется свойство изменения электрического сопротивления металлов и полупроводников при изменении температуры. Из металлов часто применяются медь (для обычных измерений) и платина (для высокоточных измерений). Соответствующий измерительный преобразователь называется терморезистором. Чувствительные элементы полупроводникового преобразователя – термистора – изготавливаются из окислов различных металлов. С увеличением температуры сопротивление термистора уменьшается, в то время как у терморезистора – возрастает. Зависимость изменения сопротивления термисторов при изменении температуры существенно нелинейна, у медных терморезисторов – линейна, у платиновых аппроксимируется квадратным трехчленом. Платиновые терморезисторы поз­оляют измерять температуру в пределах от минус 200 до + 1000 °С.

Другим способом использования термоэлектрического эффекта является возникновение термо-ЭДС в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупроводников), соединенных (спаянных) между собой на одном конце, а на другом подключенным к измерителю ЭДС, при различии температуры в месте спая и в месте соединения с измерителем. Соответствующие соединения двух разнородных проводников (полупроводников) называются термопарами. Широко используются для термопар хромель, копель, константан, платина и др. Термопары позволяют измерять температуру в широком диапазоне (от минус 200 до + 2800 °С). Например, пара хромель-константан позволяет измерять температуру до + 700 °С, а пара вольфрам-рений – до + 2800 °С. При этом приходится применять чувствительные изме­рители ЭДС, так как величина термо-ЭДС составляет от значений примерно 10 до 80 мкВ/°С.

3. Фотоэлектрический эффект. Для целей измерений используется внешний и внутренний фотоэффекты.

Внешний фотоэффект возникает в вакуумированном баллоне, имеющем анод и фотокатод. При освещении фотокатода в нем под влиянием фотонов света эмитируются электроны. В случае наличия между анодом и фотокатодом электрического напряжения эмитируемые фотокатодом электроны образуют электрический ток, называемый фототоком. Таким образом, происходит преобразование световой энергии в электрическую. Описанный преобразователь называется фотоэлементом. Существуют также газонаполненные фотоэлементы.

Внутренний фотоэффект возникает при освещении слоя между некоторыми полупроводниками и металлами. В этом слое возбуждается ЭДС. У ряда полупроводников под влиянием светового излучения изменяется электрическое сопротивление. Иногда этот эффект называется фоторезистивным, а соответствующие устройства – фоторезисторами. «Темновое» (при отсутствии освещения) сопротивление фоторезистора достаточно большое (например, 108 Ом). При освещении оно может уменьшиться до 105 Ом. Фоторезисторы обладают высокой чувствительностью, существенно превышающей чувствительность фотоэлементов. В качестве фоточувствительного материала применяют сернистый кадмий, сернистый свинец, кремний и др.

 

 

Методы измерений

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Методика выполнения измерений – установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом.

Методы измерений делятся:

1) метод непосредственной оценки – метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений;

2) метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (пример: измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известным значением)). Методы сравнения реализуются следующими способами:

- дифференциальный метод измерений – метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами. Точность этого метода может быть высокой и определяется точностью величины, воспроизводимой мерой. Характерным примером диффе­ренциального метода, иногда называемого методом неполного уравновешивания, является приведенный на рисунке 3.1. Вольтметр V включается с помощью переключателя П в цепь с измеряемым сопротивлением r_x или в цепь с регулируемым потенциометром (мерой) r₀. При достижении одинаковых показаний вольтметра (r_x = r₀) регистрируется искомое значение r_x;

- нулевой метод измерений – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Характерным примером нулевого метода является измерение активного сопротивления мостом постоянного тока (рисунок 3.2).

 

Рисунок 3.1 – Дифференциальный метод измерений

	Рисунок 3.2 – Нулевой метод измерений

 

 

Мостовая схема оказывается полностью уравновешенной (гальванометр G показывает нуль), когда выполняется следующее условие: r_xr₂ = r₁r₃. Таким образом, при полном уравновешивании искомая величина r_x = r₁r₃/r₂;

- метод измерений замещением – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Пример: взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов (метод Борда);

- метод совпадений – метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой измеряют, используя совпадения отметок шкал. Пример: измерение с помощью штангенциркуля.

 

ТЕМА 4. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Основные понятия о средствах измерений

 

 

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Измерительное устройство – часть измерительного прибора (установки или системы), связанная с измерительным сигналом и имеющая обособленную конструкцию и назначение.

Показывающее устройство средства измерений – совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин.

Указатель средства измерений – часть показывающего устройства, положение которой относительно отметок шкалы определяет измерительное устройство показания средства измерений.

Шкала средства измерений – часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией (рисунок 4.1).

 

 

Рисунок 4.1 – Шкала средства измерений

 

Отметки на шкалах могут быть нанесены равномерно или неравномерно. В связи с этим можно выделить следующие виды шкал:

1) равномерная – шкала, длина делений которой не изменяется (рисунок 4.1);

2) практически равномерная – шкала, длина делений которой отличается друг от друга не более чем на 30 % и имеет постоянную цену делений;

3) неравномерная – шкала, длина делений которой отличается друг от друга более чем на 30 % и (или) имеет непостоянную цену делений;

4) существенно неравномерная – шкала с сужающимися делениями, для которой значение выходного сигнала, соответствующее полусумме верхнего и нижнего пределов диапазона изменений входного (выходного) сигнала, находится в интервале между 65 и 100 % длины шкалы, соответствующей диапазону изменений входного (выходного) сигнала;

5) степенная – шкала с расширяющимися или сужающимися делениями, отличная от шкал, указанных выше.

Деление шкалы – промежуток между двумя соседними отмет­ками шкалы средства измерений (рисунок 4.1).

Длина деления шкалы – расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы.

Цена деления шкалы – разность значения величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений.

Диапазон измерений средства измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений (рисунок 4.1).

Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа) называют соответственно нижним и верхним пределами измерений (рисунок 4.1).