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:

Больше работ по теме: