Физическая величина, её значение и размер

Шанин Владимир Иванович

Литература:

  Левшина Е.С., Новицкий  П.В. Электрические измерения  физических величин, Ленинград  (1983г.), энергоиздат.

 Новицкий Н.С. и др. Методы измерения физических  величин, Ленинград, изд. Машиностроение, 1989г. 

 Бриндли К.М. Измерительные преобразователи, Москва, энергоиздат (1991г.)

  Турчин А.М. Электрическое измерение неэлектрических величин, Ленинград, Машиностроение.

 Фрайден Дж. Современные датчики, Москва – техносфера, (2005г.),

 Джонсон Ф.Г. Новейшие  датчики, Москва, техносфера  (2007).

 

Основные сведения

 Развитие науки и  техники обязательно связано  с получением новой информации  о природе и обществе. Основными  методами получения информации  является наблюдение и измерение.  Параметры, характеризующие процессы, протекающие в природе, обществе  и технических системах называются  параметрами первичной информации. Соответствующие приборы применяемые для измерения этих параметров называются приборами первичной информации. Применительно к этой области, в которой вы обучаетесь, приборы первичной информации предназначены для измерения первичных параметров различных технологических процессов и использование первичной информации для управления и контроля.

Информация – это сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессов, воспринимаемых человеком или специальными устройствами.. Мы с вами живём в физическом мире, который описывается физическими величинами.

 

Физическая величина, её значение и размер

Под физической величиной понимается характеристика физических объектов или явлений материального мира. Физическая величина представляет собой либо обобщенное понятие, либо конкретную индивидуальную характеристику объекта или явления.

Под значением конкретной физической величины понимают её оценку, выраженную произведением отвлеченного числа, на принятой для данной физической величины, единицу.

X = k [x], где X – это значение конкретной величины, k – отвлеченное число, называемое числовыми значением величины.

x – принятое значение физической величины. Например, I = 5А.

Количественное содержание характеристики физического объекта  или явления, называется размером физической величины. Под единицей физической величины, понимают величину фиксированную по размеру и принятую в качестве основы для количественной оценки конкретных физических величин. Под системой физических величин понимают совокупность взаимосвязанных физических величин, используемых в отдельных областях  естествознания. Система физических величин состоит из основных и производных физических величин. Основная физическая величина – это величина в некоторой системе величин, принимаемая за независимую и используемая для определения других величин этой системы. Производная физическая величина – это величина, в некоторой системе величин, определяемая через другие ранее веденные величины этой системы. Большинство производных величин определяются простейшими уравнениями связи между физическими величинами, тоже самое можно сказать о системе единиц физических величин (основные и производные).

 

Понятие об измерении  физической величины

Великий русский ученый Д.И. Менделеев о значении измерения  для науки оговаривал, что наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука не мыслима без меры. Измерение физической величины это последовательность операций выполняемых опытным путём при помощи специальных технических средств по нахождению с известной точностью значения физической величины, характеризующий исследуемый объект или явление. Измерение начинают с привидения технического средства измерения во взаимодействие с исследуемым объектом. В результате возникает измерительный сигнал на входе средства измерения. Оканчивают измерение при получении информации о физической величине в виде значение величины и оценки погрешности этого значения.

 

Средства измерений 

Под средствами измерений понимают специальные технические средства, используемые при измерениях нормированные метрологические свойства. К этим средствам относятся:

1. Эталоны единиц
2. Меры
3. Измерительные приборы
4. Установки
5. Системы

Эталоны единиц – это средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и хранение единиц для передачи их размеров другим нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненные по особой спецификации и официально утвержденные в установленном порядке в качестве эталонов.

Меры – это средство измерений для воспроизведения физических величин, заданного размера (кварцевый генератор).

Измерительные приборы  – это средство измерений для выработки сигналов измерительной информации в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателя.

Под измерительной информацией понимают информацию о значениях измеряемых физических величин. Сигнал измерительной информации – это сигнал функционально связанной с измеряемой физической величиной. Различают аналоговые и цифровые измерительные приборы.

Аналоговый прибор – прибор, показание которого является непрерывной функцией изменения измеряемой величины.

Цифровой прибор – прибор автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

Сложные измерительные  средства могут состоять из функционально связанных простых измерительных средств. К ним относятся установки и системы. Измерительные установки – это совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для непосредственного восприятия наблюдателя и расположенного в одном месте.

Измерительные системы  –совокупность измерительных средств измерений и вспомогательных устройств соединенных между собой каналами связи и предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для автоматической обработки передачи и использования в других технических средствах.  Измерительная система может состоять из нескольких измерительных установок связанных с каналом связи и обеспечивающее решение единой измерительной задачи.

Наиболее распространенные группы средств измерений это  измерительные приборы. Измерительные  приборы можно классифицировать по различным признакам, а именно по назначению, принципу действия, условиям эксплуатации, конструкции, точности и  т.д. В частности по назначению приборы  можно разделить на следующие  группы:

1. Приборы общего назначения (Приборы широко распространенные и предназначенные для использования в различных условиях эксплуатации (в науке, технике и производстве)).
2. Специальные приборы – это приборы узкого назначения пригодные для использования только при определенных условиях эксплуатации.
3. Встроенные приборы – входящие в конструктивный состав каких-либо устройств и аппаратов
4. Образцовый прибор (эталонные)- приборы высокой  точности предназначенные для проверки, градировки измерительных приборов более низкой точности.

Характеристики  и виды измерений 

Основными характеристиками измерений являются  принцип, метод  и точность. Принцип измерений – это совокупность физических явлений, на базе которых основаны измерения, например, измерение напряжения на основе электростатического взаимодействия заряженных проводников. Метод измерений – это совокупность приёмов использования принципов и средств измерений.  Различают два основных метода измерений, это метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой. Метод непосредственной оценки – это метод измерений, в котором значение физической величины определяется непосредственно по отчётному устройству измерительного прибора прямого действия. Метод сравнения с мерой это метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной воспроизводимой меры. Существует несколько разновидностей методов сравнения, а именно дифференциальный, нулевой, метод замещения. Дифференциальный метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величины воспроизводимой меры. Нулевой меры – это метод, в котором результирующий эффект воздействия на прибор сравнения доводят до нуля. Метод замещения – метод, в котором измеряемую величину замещают известной величиной воспроизводимой мерой. Точность измерений – это качество измерений, отражающая близость из результатов к истинному значению измеряемой величины.

Высокая точность измерений  соответствует малой погрешности. Количественную точность можно выразить обратной величиной относительной  погрешности. Под истинным значением физической величины понимают её значение, которое в качественном и количественном отношении идеально отражало бы соответствующие свойства объекта. Измерение по точности делятся на три группы:

1. Измерение максимальной возможной точности, достижимой при существующем уровне техники (относятся эталонные системы измерений физических констант).
2. Контрольно поверочные измерения, погрешность которых не должна превышать некоторого заданного значения к этой группе относятся измерения выполняемые службами надзора и заводскими измерительными лабораториями, осуществляющими контроль за измерительной техникой.
3. Технические измерения, при которых погрешность результата измерений определяется характеристиками средств измерений. По способу получения результата различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямыми измерениями  называются такие измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных (измерение электрического тока). Косвенные измерения – это такие измерения, при которых искомое значение физической величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величиной подвергаемой прямым измерениям. Совокупные измерения – называют измерения нескольких одноименных величин производимые одновременно, при котором искомое значение величины находят путём решения систем уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Совместные измерения называют производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин, для нахождения зависимости между ними. По способу выражению результатов различают абсолютные и относительные измерения. Абсолютное – называют измерения основанное на прямых измерениях одних или нескольких основных величин и использование физических констант. Относительное – называется измерения отношения физической величины к одноименной, играющей роль единицы или измерение величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения делятся на статические, при которых измеряемые величина остаётся постоянной во времени и динамические, при которых она меняется во времени.

 

Основные показатели измерительных средств 

К основным показателям относятся:

1. Диапазон измерений
2. Чувствительность
3. Порог чувствительности
4. Вариация показаний
5. Погрешность
6. Класс точности
7. Время установления показаний
8. Быстродействия
9. Потребляемая мощность
10. Надежность

Диапазон измерений - это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности. Эта область ограниченна пределами измерениями, т.е. наибольшим и наименьшим значением диапазона измерений.

Чувствительность (S) – отношение измерения сигнала на входе прибора, в вызвавшему его изменению измеряемой величины x (S = ). Различают абсолютную и относительную S₀ = ()/x. Чувствительность характеризует способность прибора реагировать на измерение измеряемой величины.

Порог чувствительности – это изменение измеряемой величины, вызывающей наименьшее изменение показания обнаруженные наблюдателем, при нормальном для данного прибора способе отсчёта (100мкм – разрешение человеческого глаза).

Вариация показания – это средняя разность между показаниями прибора соответствующей данной точке, диапазон измерений при двух направлениях медленного многократного изменения измеряемой величины.

Показанием  называют значение измеряемой величины, определяемой по отсчетному устройству прибора и выраженная в принятых единицах этой величины. Вариация характеризует на сколько устойчиво повторяются показания прибора при измерениях одних и тех же значений величин.

Погрешность измерений – называется отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешности бывают абсолютные, относительные, приведенные, основные и дополнительные.

Класс точности – это обобщенная характеристика, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами влияющими на точность значения, которой устанавливается в стандартах на отдельные виды средств измерений. Класс точности характеризует свойства приборов в отношение точности, но не являются непосредственными показателями точности измерений выполняемых с помощью этих приборов, у которых пределы допускаемой основной погрешности, задаются относительно основной и дополнительной погрешности, присвоенной согласно ГОСТ-у. Класс точности выбирается из следующего ряда величин:

1; 1,0;1,5; 2; 2,5;…;*10ⁿ, где n = -1,0,1,2..

Время установления показаний – промежуток времени прошедший с момента измерения измеряемой величины до момента установления показаний. Для аналоговых приборов в момент установления показаний определяется моментом, когда амплитуда колебаний указателя становится не больше, чем погрешность прибора.

Быстродействие – это число измерений выполняемых в единицу времени. Этот показатель особенно важен для цифровых приборах,  а также для аналоговых, когда одним прибором с помощью коммутируемого устройства необходимо измерять несколько медленно меняющих величин.

Потребляемая  мощность – при подключении прибора к источнику измеряемой величины прибор неизбежно нарушает этот источник, потребляя некоторую мощность и чем меньше он потребляет, тем выше качество прибора и тем самым меньше погрешность измерений прибора.