Единицы и методы измерения физических величин

1. Определение физической величины

Понятие о физической величине — одно из наиболее общих в физике и метрологии. Согласно ГОСТ 16 263–70 «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 °C то оно находится по формуле:

где, — сопротивление при 0 °C;

— температура в градусах Цельсия;

Для платиновой проволоки: А=; В =

Для диапазона температур от 0 до — 200 °C 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 © 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 °C.

Достоинства данного метода: возможность получения большой мощности преобразователя (до 1 — 5 В А).

Электрическое сопротивление рассчитывается по формуле: