ФОПИ _Чередов_1

Физические основы полученияинформации

ми. Как правило, результаты измерений, содержащие грубые погрешности, не принимаются во внимание.

Инструментальная погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, обусловленная погрешностью применяемого средства измерений.

Погрешность метода измерений – составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная несовершенством принятого метода измерений.

Погрешность отсчитывания (субъективная погрешность) – составляю-

щая погрешности измерений, обусловленная индивидуальными особенностями оператора (например, погрешность интерполирования, т. е. неточного отсчета долей деления по шкале прибора) и вида отсчетного устройства (например, погрешность от параллакса).

Погрешность установки вызывается отклонением условий измерения от нормальных, т. е. условий, при которых производилась градуировка и поверка средств измерений. Сюда относится, например, погрешность от неправильной установки прибора в пространстве или его указателя на нулевую отметку, от изменения температуры, напряжения питания и других влияющих величин.

Рассмотренные виды погрешностей в равной степени пригодны для характеристики точности как отдельных результатов измерений, так и СИ.

Важнейшей метрологической характеристикой СИ является инструментальная погрешность, которая определяет, насколько действительные свойства средств измерений близки к номинальным.

Погрешность средства измерений – разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

Для меры показанием является ее номинальное значение. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением.

По способу числового выражения различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности.

По зависимости абсолютной погрешности от значения измеряемой величины погрешности разделяются на аддитивные и мультипликативные.

По условиям возникновения погрешности средств измерений разделяются на основные и дополнительные.

В зависимости от режима работы погрешности СИ разделяются на статические и динамические.

Абсолютная погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, выраженная в единицах измеряемой физической величины.

Абсолютную погрешность СИ можно определить как разность между реальной Yр и номинальной Yн характеристиками преобразования (рис. 1.2).

~21 ~

Физические основы полученияинформации

Основная погрешность средства измерений – погрешность средства изме-

рений, применяемого в нормальных условиях.

Дополнительная погрешность средства измерений – составляющая пог-

решности средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.

Статическая погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, применяемого при измерении физической величины, принимаемой за неизменную (например, погрешности, возникающие при измерении постоянной температуры или постоянной деформации изделия).

Динамическая погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, возникающая при измерении изменяющейся (в процессе измерений) физической величины.

Динамическая погрешность обусловлена реакцией средства измерения на скорость (частоту) изменения входного сигнала. Эта погрешность зависит от динамических свойств (инерционности) средства измерения, частотного спектра входного сигнала, изменений нагрузки и влияющих величин. На выходной сигнал средства измерений влияют значения входного сигнала и любые изменения его во времени.

Одной из важнейших погрешностей СИ является погрешность градуировки, которая определяет погрешность действительного значения величины, приписанного той или иной отметке шкалы средства измерений в результате градуировки.

1.6. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Необходимо, чтобы измерения, где бы они не выполнялись, обеспечивали получение согласуемых между собой результатов, т. е. чтобы результаты измерений одинаковых величин, полученные в разных местах и с помощью различных измерительных средств, были бы сопоставимы на уровне требуемой точности. Для этого необходимо обеспечить единство измерений и единообразие средств измерений.

Единство измерений – это состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы [6].

Прежде всего, для сопоставления результатов измерений требуется выразить их в одинаковых единицах. Это осуществляется в настоящее время на базе широкого внедрения единой Международной системы единиц (СИ). Эта систе-

~23 ~

Физические основы полученияинформации

ма, будучи универсальной, обеспечивает единообразие применяемых единиц для всех областей науки и техники.

При измерении какой-либо величины необходимо, чтобы её единица была воспроизведена в овеществленном виде. Для единства измерений требуется высокая точность воспроизведения единиц, которая может быть достигнута лишь с помощью эталонов – мер наивысшей точности.

Эталон единицы физической величины – средство измерений (или комп-

лекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

Эталоны делят на первичные, вторичные и специальные.

Первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью.

Первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства, называ-

ется государственным первичным эталоном.

Примерами государственных первичных эталонов являются эталоны метра, килограмма, секунды, ампера, кельвина, канделы, ньютона, паскаля, вольта, беккереля [2].

Кроме государственных эталонов существуют национальные и международные эталоны.

Национальный эталон – эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны.

Термины государственный эталон и национальный эталон отражают одно и то же понятие.

Термин национальный эталон применяют в случаях проведения сличения эталонов, принадлежащих отдельным государствам, с международным эталоном или при проведении так называемых круговых сличений эталонов ряда стран.

Международный эталон – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами [2].

Примером международного эталона может служить международный прототип килограмма, хранимый в МБМВ, утвержден 1-й Генеральной конференцией по мерам и весам.

Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы.

Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы в особых условиях и заменяет для этих условий первичный эталон.

~24 ~

Физические основы полученияинформации

Для поддержания единства измерений, проводимых в разных местах и в разное время, необходимо обеспечить передачу размера единиц от эталонов рабочим средствам измерений с наименьшей потерей точности. Эта передача осуществляется поверкой рабочих средств измерений с помощью образцовых средств измерений.

Поверка средств измерений – установление органом государственной метрологической службы (или другим официально уполномоченным органом, организацией) пригодности средства измерений к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям.

Поверка средств измерений может осуществляться с помощью как рабочих эталонов (образцовых средств измерений), так и стандартных образцов [6].

Рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.

Стандартный образец – это образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала).

Различают стандартные образцы (СО) свойства и стандартные образцы состава.

Например, стандартный образец свойства: СО относительной диэлектрической проницаемости, СО высокочистой бензойной кислоты. Примером стандартного образца состава является СО состава углеродистой стали.

Для обеспечения единства измерений необходимо обеспечить единство способов выражения показателей точности измерений и формы представления результатов измерений, обеспечивавших возможность их сравнительной оценки и совместного использования.

Количественные показатели погрешностей, способы их выражения, а также способы представления результатов измерений регламентируются ГОСТ 8.011-72 «Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений».

Например, после вычисления погрешностей измерения и (или) можно использовать следующую форму представления результата измерения: «Измеренное значение Х = (А )», где Х – измеренное значение; А – результат измерений; – абсолютная погрешность измерения; или «Измерение произведено с относительной погрешностью = … %», где – относительная погрешность измерения. Однако более наглядно указать пределы интервала неопределенности измеряемой величины в виде:

с указанием единиц измерения.

~25 ~

Физические основы полученияинформации

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОЛЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Получение информации о том или ином физическом объекте связано с организацией взаимодействия между объектом и другим материальным объектом

– датчиком. Взаимодействие различных материальных объектов между собой происходит посредством физических полей, причем каждому типу взаимодействия соответствуют определенные физические поля. Каждое из этих полей имеет ряд модификаций, обуславливающих особенности взаимодействия материальных объектов. Например, электрическое поле может быть электростатическим, переменным, вихревым и т. д. [11].

В веществе могут существовать различные типы полей: электромагнитное, электрическое, магнитное, акустическое, тепловое и др.

Рассмотрим взаимодействие некоторых видов полей с веществами.

2.1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Регистрация параметров электрического поля в веществах и их электрических параметров во многих случаях позволяет осуществить неразрущающий контроль различных объектов (например, определить наличие дефектов как на поверхности изделия, так и внутри него) и провести измерения различных физических величин (размеров, деформации и др.).

Электрическое поле по-разному взаимодействует с различными веществами. Все вещества (материалы) по отношению к электрическому полю могут быть разделены на диэлектрические, проводниковые и полупроводниковые.

Диэлектрические материалы – материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля.

Удельное электрическое сопротивление диэлектрических материалов лежит в пределах 1013 1023 мкОм м.

Важной характеристикой диэлектрического материала при его использовании в электронике, электротехнике и других областях техники является качество диэлектрика. Под качеством диэлектрика понимают свойство, которое характеризует величину потерь энергии электрического поля в диэлектрике, идущих на его нагрев. Малые потери означают высокое качество диэлектрика.

Основным свойством проводниковых материалов является сильно выраженная электропроводимость по сравнению с другими электротехническими материалами.

Удельное сопротивление проводниковых материалов лежит в пределах 0,016 10 мкОм м. Проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости (серебро, медь и др.) и материалы высокого сопротивления (манганин, нихром и др.).

~26 ~

Физические основы полученияинформации

Полупроводниковые материалы – материалы, которые по своей удельной проводимости являются промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами.

Удельное сопротивление полупроводниковых материалов лежит в пределах 1 1014 мкОм м. Отличительным свойством полупроводниковых материалов является зависимость удельной проводимости от различных факторов (концентрации, вида примесей, внешних энергетических воздействий). Полупроводниковые материалы разделяются на: 1) простые, например германий (Ge), кремний (Si); 2) химические соединения, например арсенид галлия (GaAs), сульфид кадмия (CdS) и другие соединения.

2.1.1. Взаимодействие электрического поля с диэлектрическими веществами

На рис. 2.1а показано распределение электрического поля в однородном диэлектрическом объекте (веществе).

а б в 1 – электрод; 2 – диэлектрическое вещество (εд > 1); 3 – воздух (ε0 = 1);

4 – металл

Рис. 2.1

При помещении внутри однородного диэлектрического вещества 2 другого диэлектрического вещества с меньшей диэлектрической проницаемостью, например воздушного пузырька 3 (рис. 2.1б), внутри него напряженность электрического поля будет больше, чем в однородном диэлектрике. Это обусловлено тем, что диэлектрическая проницаемость вещества больше, чем диэлектрическая проницаемость воздуха εд > ε0. В то же время напряженность поля между пузырьком и электродами уменьшается [12].

При помещении внутри однородного диэлектрического вещества 2 металлического вещества, например шарика 4 (рис. 2.1в), напряженность поля между пузырьком и электродами увеличивается. Внутри шарика электрического поля нет.

Таким образом, по распределению электрического поля можно судить об некоторых свойствах объекта.

~27 ~

Физические основы полученияинформации

Относительная диэлектрическая проницаемость является одной из важ-

нейших характеристик диэлектрика и представляет собой отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, изготовленном из данного диэлектрика, к заряду Q0 , который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, представляет собой конденсатор определенной емкости, и относительную диэлектрическую проницаемость можно определить как отношение емкости конденсатора с диэлектриком из данного вещества к емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум:

Диэлектрическая проницаемость твердых сложных диэлектриков, представляющих собой смесь компонентов, зависит от концентрации компонентов и может быть оценена на основании уравнения Лихтенекера

где r, r1, r2 – соответственно относительные диэлектрические проницаемо-

сти смеси и отдельных компонентов; θ1 и θ2 – объемные концентрации компонентов, удовлетворяющие соотношению θ1 + θ2 = 1; х – константа, характеризующая распределение компонентов и принимающая значение от +1 до -1.

При значительном различии диэлектрических проницаемостей компонентов смесей для расчетов можно использовать формулу В. И. Оделевского [13], которая для смесей из двух компонентов с различными диэлектрическими проницаемостями может быть представлена в виде

где B (3 1 1) r1 (3 2 1) r2 . 4

Наличие свободных зарядов в диэлектрике приводит под воздействием электрического поля к возникновению слабых по величине токов сквозной электропроводимости JСК, которые зависят от напряженности электрического поля Е, удельного сопротивления вещества. Плотность тока сквозной проводимости, который получил название тока утечки, определяется по формуле

JСК = Е/ .

~29 ~

Физические основы полученияинформации

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов протекают во времени, создавая при этом поляризационные токи, или токи смещения. Плотность тока смещения JСМ определяется скоростью изменения вектора электрической индукции: JСМ = dD/dt.

Таким образом, полная плотность тока в диэлектрике равна сумме плотностей тока сквозной проводимости и токов смещения: J = JСК + JСМ. Поляризационные токи изменяются во времени, причем после окончания процесса поляризации JСМ становится равным нулю. Поэтому при измерении проводимости образцов из диэлектриков, в случае небольшой выдержки диэлектрика под напряжением, необходимо учитывать поляризационные токи.

Различают объемную и поверхностную электропроводность и соответственно объемное и поверхностное сопротивление твердых диэлектрических материалов. Для сравнительной оценки используются значения удельного объемного сопротивления ρV и значения удельного поверхностного сопротивления ρS .

Электропроводность образца из твердого диэлектрического материала (объемная и поверхностная) зависит от его размеров, состава, наличия различных дефектов в объеме и на поверхности.

При нахождении диэлектрика в электрическом поле в нем возникают диэлектрические потери, которыми называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике и вызывающую его нагрев.

Величину диэлектрических потерь в электроизоляционном материале можно охарактеризовать удельными потерями – величиной рассеиваемой мощности, отнесенной к единице объема. Наиболее часто для характеристики потерь пользуются углом диэлектрических потерь .

Угол диэлектрических потерь – угол, дополняющий до 90 угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Для характеристики диэлектрических потерь очень часто вместо угла используют tg , который может быть определен из векторной диаграммы эквивалентной схемы конденсатора с потерями.

Диэлектрические потери могут обусловливаться как сквозным током, так и токами поляризации. В технических диэлектриках потери вызываются также наличием посторонних полупроводящих примесей (влаги, окислов железа, углерода и др.). К появлению диэлектрических потерь приводит также неоднородность по составу диэлектрика. Примерами таких диэлектрических материалов являются пластические массы с наполнителями, пористая изоляция и др.

Следует отметить, что общей формулы расчета диэлектрических потерь неоднородных по составу диэлектриков не существует. Если можно представить неоднородный диэлектрик в виде структуры, состоящей из двух слоев,

~30 ~