1. ВИДЫ, СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.

1. Введение

Современное состояние и перспективы развития техники измерений физических величин

Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения около двухсот различных физических величин – электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т.д. Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения. Поэтому в современной измерительной технике находят широкое применение преобразователи разного рода физических величин в электрические величины[2].

Термин «измерительный преобразователь» употребляется в настоящее время достаточно широко и в разных смыслах. В данном методическом пособии под измерительным преобразователем понимается элементарный измерительный преобразователь, выполненный на основе определенного физического принципа: емкостный, магнитоупругий, пьезоэлектрический преобразователь и т. д.[1].

Для обозначения совокупности измерительных преобразователей, объединенных в один конструктивный узел, выносимый на объект измерения, сохранен укоренившийся в практике термин «датчик».

Научно-технический прогресс во всех отраслях науки и техники тесно связан с ростом требований к объему и качеству измерительной информации. Информация, генерируемая в процессе измерений, теперь уже является не только источником получения новых знаний или средством проверки научных гипотез, но используется непосредственно для управления технологическими процессами. Поэтому от качества измерительной информации в конечном итоге зависит качество продукции, эффективность ее производства и использования[3].

2. Физическая величина и её измерение

Понятие «физическая величина». Размер и значение физической величины

Понятие физическая величина – одно из наиболее общих в физике и метрологии. Согласно ГОСТу 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.

Для того чтобы можно было установить различия в количественном содержании в каждом данном объекте свойства, отображаемого физической величиной, вводится понятие размер физической величины.[2]

Между размерами каждой физической величины существуют отношения, которые, как оказывается при их подробном изучении, имеют ту же логическую структуру, что и отношения между числовыми формами (целыми, рациональными или действительными числами, векторами, матрицами). Поэтому множества числовых форм с определенными отношениями между ними (типа «больше», «меньше», «равенства», «суммы» и т.д.) могут служить моделью физической величины, т. е. множества ее размеров с отношениями между ними.

Если соответствие между формальной моделью и самой физической величиной оказывается достаточно строгим и точным, то изучение физических величин и связей между ними можно свести к исследованию лишь их моделей.

Комплекс правил, в соответствии с которыми числовые формы приписываются размерам величин, определяется наличием тех или иных отношений на множестве их размеров. В связи с этим можно выделить три группы физических величин, измерение которых осуществляется по принципиально различным правилам.

К первой группе отнесем величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения типа «тверже – мягче», «теплее – холоднее», «одинаково твердые – одинаково теплые». В математике эти отношения получили названия отношений порядка и эквивалентности. Существование подобных отношений устанавливается теоретически, исходя из общефизических соображений, или экспериментально с помощью специальных технических устройств (средств измерений), либо наблюдателем. Так, мы без труда находим, что медь тверже резины, но для обнаружения различия в твердости двух образцов твердости приходится прибегать к помощи измерительных приборов.

К величинам первой группы относится, например, твердость, определяемая как способность тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела, или температура, понимаемая просто как степень нагретости тела.

Вторая группа величин характеризуется тем, что отношения порядка и эквивалентности имеют место не только между их размерами, но и между различиями (разностями) в парах размеров. К этой группе относятся такие величины, как время, потенциал, энергия или температура, связанная, по определению, со шкалой ртутного термометра. Возможность сравнения разностей их размеров вытекает из самих определений этих величин. Так, разности температур считаются равными, если равны расстояния между соответствующими отметками на шкале ртутного термометра. Способ градуировки шкалы не имеет при этом никакого значения. Ясно, что проверить равенство разностей температуры, определенной просто как степень нагретости тел, не представляется возможным.

На множестве величин третьей группы определены, кроме перечисленных, ещё и отношения, называемые операциями, подобные арифметическому сложению и вычитанию. Операция считается определённой, если её результат (сумма или разность) снова является размером той же физической величины, и существует способ её технической реализации. Операция сложения определяет операцию умножения размеров величин на любое целое число n. Результат такого умножения есть просто сумма n размеров данной величины. К числу подобных величин относятся, например, длина, давление, масса или термодинамическая температура.[2]

Операции сложения и умножения на целое число размеров величин третьей группы и разностей размеров величин второй группы позволяют проверить (теоретически и экспериментально) линейность их преобразования друг в друга.

Измерительное преобразование называется линейным, если при увеличении преобразуемой величины Q на ∆Q результат преобразования – величина R – увеличивается (или уменьшается) на ∆R, а при увеличении ∆Q в n раз ∆R увеличивается также в n раз и ∆Q и n таковы, что Q и Q+n∆Q лежат в диапазоне преобразований. Очевидно, что линейность преобразований, в которых участвуют величины первой группы, проверить нельзя. Все же остальные величины могут быть переведены друг в друга линейными измерительными преобразованиями.

Длина относится к величинам третьей группы, поэтому способ приписания чисел размерам величин этой группы должен быть принципиально тем же, что и способ числового представления длин, рассматриваемый в классической геометрии.

Каждому размеру величины Q можно приписать положительное действительное число q, являющееся наименьшим из рациональных чисел m/n, где m и n – целые числа, определяемые из соотношения nQ<(=)m[Q], где [Q]-некоторый размер физической величины, называемой единицей данной физической величины. Число q называется числовым значением величины Q, а её количественное выражение в виде некоторого числа принятых для неё единиц – значением физической величины:

Q= q[Q].

Из формулы следует, что числовое значение величин третьей группы показывает, во сколько раз значение измеряемой величины больше некоторого значения, принятого за единицу.