Можно ли использовать следующие единицы физических величин

1.2.1 Физические величины

Физическая величина – это характеристика одного из свойств физического объекта (явления или процесса), общая в качественном отношении многим объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.

Значение физической величины – это оценка ее величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц или числа по принятой для нее шкале.

Измерением физической величины называют совокупность опера­ций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу или воспроизводящего шкалу физической величины, заключающихся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей или шкалой с целью получения значения этой величины в форме, удобной для использования.

В теории измерений принято, в основном, пять типов шкал: наимено­вания, порядка, интервалов, отношений и абсолютная.

Шкала наименования характеризуется только отношением эквива­лентности. По своей сути она является качественной, не содержит пуля и единицы измерения (шкала оценки цвета).

Шкалы порядка характеризуются отношением эквивалентности ипорядка. Для практического использования такой шкалы необходимо установить ряд эталонов. Классификация объектов осуществляется сравнением интенсивности оцениваемого свойства с его эталонным значени­ем (шкала землетрясений, шкала силы ветра, шкала твердости тел и т.п.).

Шкала разностей характеризуется тем, что к отношениям эквива­лентности и порядка добавляется эквивалентность интервалов (разно­стей) между различными качественными проявлениями свойства. Она имеет условные нулевые значения, а величина интервалов устанавлива­ется по согласованию (шкала интервалов времени).

Шкалы отношений описывают свойства, к которым применимы отношения эквивалентности, порядка и суммирования (вычитания, умно­жения). Эти шкалы имеют естественное нулевое значение, а единицыизмерений устанавливаются по согласованию. Для шкалы отношений достаточно одного эталона, чтобы распределить все исследуемые объекты по интенсивности измеряемого свойства (шкала массы).

Абсолютные шкалы обладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно в них существует естественное однозначное определение единицы измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам (отношениям одноименных физических величин, описываемых шкалами отношений). Среди них выделяются абсолютные шкалы, значения которых находятся в пределах от 0 до 1 (КПД).

Практическая реализация шкал конкретных свойств достигается путем стандартизации единиц измерений, шкал и (или) способов и условий их однозначного воспроизведения.

Из всего разнообразия физических величин можно выделить три вида величин, измерение которых осуществляется по различным правилам,

К первому виду относятся физические величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения порядка и эквивалентности («мягче», «тверже», «теплее», «холоднее» и т.д.).

Для второго вида физических величин отношение порядка и эквивалентности имеет место как между размерами, так и между разностями в парах их размеров. Так, разности интервалов времени считаются раины ми, если расстояния между соответствующими отметками равны.

Третий вид составляют аддитивные физические величины. Это величины, на множестве размеров которых определены не только отношении порядка и эквивалентности, но операции сложения и вычитания. К таким величинам относятся длина, масса, сила тока и др. Их можно измерять по частям, а также воспроизводить с помощью многозначной меры, осно­ванной на суммировании отдельных мер (сумма масс двух тел — это масса такого тела, которое уравновешивает на равноплечих весах первые два).

1.2.2 Понятие о системе физических величин

Система физических величин – это совокупность взаимосвязанных физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие являются функциями независимых величин. Система содержит основные физические величины, условно принятые в качестве независимых от других величин этой системы, и производные физические величины, определяемые через основные величины этой системы и образованные с помощью уравнений, связывающих их с основными величинами.

Единица физической величины – физическая величина фиксиро­ванного размера, которой условно присвоено значение, равное единице, и которая применяется для количественного выражения однородных физических величин.

Размерность физической величины – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях, которое отражает связь данной величины с основными физическими величинами, принятыми в данной системе, с коэффициентом пропорциональности, равным единице.

Размерность величин обозначают знаком dim.

Например, dimX = Ll• Мт•Тt

где L,М ,Т — символы величин длины, массы, времени, принятые за основные;

l ,m ,t— показатели размерности основных величин, которые могут быть целыми или дробными, положительными или отрицательными вещественными числами.

Показатель размерности физической величины – показатель степени, в которую возведена размерность основной физической величины, входящей в размерность производной физической величины.

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 ит.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

Таблица 2.2 – Пример производных единиц системы СИ

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

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

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 rx или в цепь с регулируемым потенциометром (мерой) r0. При достижении одинаковых показаний вольтметра (rx = r0) регистрируется искомое значение rx;

— 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).

Мостовая схема оказывается полностью уравновешенной (гальванометр G показывает нуль), когда выполняется следующее условие: rxr2 = r1r3. Таким образом, при полном уравновешивании искомая величина rx = 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).