Измерение физических величин

Содержание

1. Определение физической величины

2. Единицы измерения физических величин

3. Диапазон измерения физической величины

4. Возможности измерения физических величин

4.1 Реостатный метод

4.2 Тензорезистивный метод

4.3 Терморезистивный метод

4.3 Магниторезистивный метод

4.4 Емкостной метод

4.5 Индуктивный метод

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:

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:

4.3 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;

4.4 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.

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: