Единицы и методы измерения физических величин
1.
Определение физической величины
Понятие о физической величине - одно из наиболее общих в
физике и метрологии. Согласно ГОСТ 16263-70 "Государственная система
обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения", под физической
величиной понимается "свойство, общее в качественном отношении многим
физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим В них
процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого
объекта". Так, все тела обладают массой и температурой, но для каждого из
них эти параметры различны. ТО же самое можно сказать и о других величинах -
электрическом токе, вязкости жидкостей или потоке излучения.
2. Единицы
измерения физических величин
Исторически первой системой единиц физических величин была
принятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. Она
не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя
единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были
положены две единицы: метр и килограмм.
В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем
единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом,
базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга
основными единицами.
Главнейшими системами единиц физических величин являются:
СГС, МКГСС, МТС, абсолютная практическая система электрических единиц,
международные электрические единицы, система МКСА.
Наряду с системами единиц физических величин в практику
измерений вводились единицы, не входящие ни в одну из систем, - так называемые
внесистемные единицы. Число их довольно велико, причем возникновение
большинства связано с соображениями удобства при измерениях тех или иных
величин.
К числу важнейших внесистемных единиц, имеющих широкое
применение, относятся единицы длины - ангстрем, икс-единица, световой год,
парсек; площади - ар, гектар; объема - литр; массы - карат; давления -
атмосфера, бар, миллиметр ртутного столба, миллиметр водяного столба;
количества теплоты - калория; электрической энергии - электровольт,
киловатт-час; акустических величин - децибел, фон, октава; ионизирующих
излучений - рентген, рад, кюри.
В связи с унификацией единиц и принятием единой системы
единиц число применяемых внесистемных единиц будет сведено к минимуму,
определяемому потребностью в них для практических целей. Отдельные же
распространенные внесистемные единицы, являющиеся собственными наименованиями
некоторых кратных и дольных единиц СИ, - тонна, гектар и другие - могут
сохраниться при практических измерениях.
3. Диапазон
измерения физической величины
Диапазон измерений - это область значений между нижним и
верхним пределами измерений. Нижний и верхний пределы измерений - это min и max значения величины,
которые могут быть измерены данным средством измерения с заданной погрешностью.
4.
Возможности измерения физических величин
4.1
Реостатный метод
В основе реостатного метода измерения лежит зависимость
сопротивления проводника от его размеров и электрических свойств.
где
- удельное сопротивление (Омм), l - длина проводника (м), S - площадь поперечного сечения ()
Для реостатного преобразователя входными величинами служат , l,S, а
выходной величина R. Известно, что реостатный преобразователь
можно использовать для измерения длины, плотности, и удельного сопротивления, а
так же и для измерения других величин. Достоинства этого метода: простота,
линейность функций преобразования. Недостатки: малый диапазон преобразования,
влияние на функцию преобразования, сопротивление приемника энергии.
4.2
Тензорезистивный метод
В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта.
Оно заключается в изменении активного сопротивления проводников при их
механической деформации. Тензоэффект материала характеризуется коэффициентом
относительной тензочувствительности k, определяемый как отношение изменения
сопротивления к изменению длины проводника:
,
где - относительное изменение сопротивления
проводника;
- относительное изменение длины проводника.
Если материал тензорезистора жидкий, практический не изменяющий
своего объема, то коэффициент относительной тензочувствительности k=2.
4.3
Терморезистивный метод
Терморезистивный метод измерение заключается в применении
терморезисторов. Терморезистивность материалов для терморезисторов
характеризуется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Большинство
химически чистых материалов обладает положительным ТКС, колеблющимся (в
интервале 0-100°С) от 0,35 до 0,68 проц/К. В качестве материалов для
терморезисторов применяют медь, вольфрам, никель.
Если требуется измерить сопротивление терморезистора в
диапазоне температур от 0 до + 650°С то оно находится по формуле:
где, - сопротивление при 0°С;
- температура в градусах Цельсия;
Для платиновой проволоки: А=; В =
Для диапазона температур от 0 до - 200°С сопротивление выражается:
где С=
Если требуется измерить сопротивление в диапазоне температур от -
50 до +180°С то сопротивление рассчитывается по формуле:
где =
Если требуется определить зная , нужно воспользоваться формулой:
4.4
Магниторезистивный метод
Данный метод измерения физических величин основывается на
преобразовании входной величины в магнитное сопротивление. Для измерения
физических величин используют цепь электромагнитного преобразователя с двумя
обмотками, основанная на изменении сопротивления воздушного зазора между подвижным
и неподвижным сердечниками. Изменение сопротивление воздушного зазора может
осуществляться путем уменьшения расстояния между подвижным и неподвижным
сердечниками или путем поворота подвижного относительно неподвижного
сердечника. Таким образом, будет меняться значение индуктивности и
взаимоиндуктивности.
Полное сопротивление обмотки на неподвижном сердечнике
находится по формуле:
,
где - сопротивление обмотки постоянному току;
- магнитное сопротивление ферромагнитной части магнитной цепи;
- отражает потери в стали на гистерезис и вихревые токи;
- сопротивление воздушного зазора;
- длинна и площадь этого зазора соответственно;
4.5 Емкостной
метод
Емкостной метод измерения физических величин основывается на
применении емкостных преобразователей (конденсаторов). Существует несколько
способов измерение емкостным методом, но в данном случае рассматривается способ
для измерения уровня жидкости. Преобразователь состоит из двух параллельно
соединенных конденсаторов: один конденсатор (C) образован частью электродов с диэлектриком - жидкостью, уровень
которой меняется, второй конденсатор - остальной частью электродов и диэлектриком - воздухом. Тогда
емкость преобразователь вычисляется по формуле:
где - полная длина цилиндра с жидкостью;
- длина, на которую цилиндр заполнен жидкостью;
- диэлектрическая проницаемость жидкости;
- радиусы
внешнего и внутреннего цилиндров.
физическая величина измерение единица
4.5
Индуктивный метод
На рисунке 3 показан наиболее распространенный индуктивный
преобразователь с малым воздушным зазором , длинна которого изменяется под действием силы F. Рабочее
перемещение в преобразователях с зазором составляет 0,01 - 10 мм.
Рисунок 3 - Индуктивный преобразователь
Для измерение различных физических величин существуют и другие
типы преобразователей, но все они имеют схожие принципы работы (изменение
индуктивности с воздействием на подвижный сердечник). Так существуют
преобразователи, у которых изменение перемещения составляет 5 - 20 мм,
преобразователи для измерения значительных перемещений сердечника (10 - 100
мм), преобразователи для измерения угловых перемещений 180 - 360°С.
Достоинства данного метода: возможность получения большой мощности
преобразователя (до 1 - 5 В А).
Электрическое сопротивление рассчитывается по формуле: