Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Казанский государственный технологический университет
А.Ф. Дресвянников, Е.В. Петрова, Е.А. Ермолаева
ФИЗИЧЕСКИЕ ОС
ИЗМЕРЕНИЙ
Учебное пособие
Казань 2008 г.
НОВЫ
УДК 53.083(430.1)
ББК 24.4
Д 73
Составители: профессор А.Ф. Дресвянников
доцент Е.В. Петрова
ассистент Е.А. Ермолаева
Физические основы измерений: Учебное пособие/ А.Ф.
Дресвянников и др. – Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та,
2008. – 305 с. ISBN 978-5-7882-0562-5
В пособии кра
основных и вспомогательных физических величин используемых в
химической промышленности, приведены примеры первичных
преобразователей, средств и методов измерений.
Предназначено для студентов специальностей
«Стандартизация и сертификация» и «Управление качеством»
дневной формы обучения.
Подготовлено на кафедре аналитической химии,
сертификации и менеджмента качества.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского государственного технологического университета
тко изложены теоретические основы измерений
Рецензенты: д-р.техн. наук, проф. И.К. Насыров
канд.техн. наук, доц. С.Ю. Ситников
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данное издание предназначено для специалистов в области
менеджмента качества и стандартизации и рекомендуется как учебное
пособие для студентов, обучающихся по специальностям
«Управление качеством» и «Стандартизация и сертификация».
В результате развития химической промышленности начались
интенсивные разработки промышленных анализаторов, основанных
на известных физических, физико-химических и химических методах
анализа.
С середины XX столетия развитие датчиков, стимулировалось
необходимостью измерения микроконцентраций в связи с проблемой
загрязнения окружающей среды. Наиболее массовыми потребителями
непрерывно действующих промышленных анализаторов
газообразных, жидких и твердых веществ являются
нефтеперерабатывающая, химическая, пищевая отрасли
промышленности, энергетика, металлургия, контроль качества воды,
загрязнения окружающей среды и т.д.
Анализаторы используют для контроля экономически важных
показателей с целью постоянного повышения качества продукции, для
контроля за ходом производственных процессов в диапазонах как
макро-, так и микроконцентраций.
Важнейшей целью применения анализаторов является
улучшение существующих и разработка новых производственных
процессов. Возрастающие требования к качеству исходных
материалов и готовой продукции и связанные с ними задачи контроля
и управления способствуют дальнейшему совершенствованию и
развитию датчиков и средств измерений.
Многообразие датчиков позволяет провести их условную
классификацию по физическим принципам, положенным в основу их
функционирования. В этой связи наиболее представительными
классами являются электрические, фотометрические, тепловые,
радиационные и ряд других первичных преобразователей, широко
используемых в химической и смежных отраслях промышленности.
3
ВВЕДЕНИЕ
Измерение – один из важнейших путей познания природы
человеком. В настоящее время нет ни одной сферы деятельности
человека, где бы интенсивно не использовались результаты
измерений.
Количество измеряемых величин и их диапазон постоянно
растут. Так, например, расстояние измеряется в диапазоне от 10
1017 м, температура – 0,5-106 К, электрическое сопротивление – 10-6-
17
10
Ом, сила электрического тока – 10
-16
-104 А, мощность – 10
-10
-15
до
-109
Вт. С ростом диапазона измеряемых величин возрастает и сложность
измерений. В большинстве случаев они перестали быть одноактным
действием и превратились в сложную процедуру подготовки и
проведения измерительного эксперимента, обработки и
интерпретации полученной информации. Поэтому следует говорить
об измерительных технологиях, понимаемых как последовательность
действий, направленных на получение измерительной информации
требуемого качества.
Другой фактор, подтверждающий важность измерений, - их
значимость. Основой любой формы управления, анализа,
прогнозирования, планирования контроля или регулирования является
достоверная исходная информация, которая может быть получена
только путем измерения требуемых физических величин. Очевидно,
что только высокая и гарантированная точность результатов
измерений обеспечивает правильность принимаемых решений.
Современные наука и техника позволяют выполнять многочисленные
и точные измерения, однако затраты на них становятся соизмеримыми
с затратами на исполнительные операции. В этой связи особое
значение приобретают физические принципы, заложенные в основу
конкретного процесса измерения и их реализация на практике,
воплощенная в методах и средствах измерений.
4
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Целью измерения является поиск таких параметров
физических явлений, которые можно измерить, получив численные
значения. Свойства физических объектов и процессов, которые можно
прямо или косвенно измерить, называют физическими величинами.
Физическая величина (ФВ), в самом общем случае, может быть
определена как величина, свойственная материальным объектам
(процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и
технических науках. Документ РМГ 29-99 – Рекомендации по
межгосударственной стандартизации «ГСИ. Метрология. Основные
термины и определения» трактует физическую величину как одно из
свойств физического объекта, общее в качественном отношении для
многих физических объектов, но в количественном отношении
индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в
количественном отношении понимают в том смысле, что свойство
может быть для одного объекта в определенное число раз больше или
меньше, чем для другого.
Физические величины целесообразно разделить на измеряемые
и оцениваемые. Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно
в виде определенного числа установленных единиц измерения.
Возможность введения и использования таких единиц является
важным отличительным признаком измеряемых ФВ. Физические
величины, для которых по тем или иным причинам не может быть
введена единица измерения, могут быть только оценены. Под
оцениванием понимается операция приписывания данной величине
определенного числа, проводимая по установленным правилам.
Оценивание величины осуществляется при помощи шкал. Шкала
величины – у
порядоченная совокупность значений величины,
служащая исходной основой для измерения данной величины.
Для более детального изучения ФВ необходимо
классифицировать. Возможные классификации ФВ приведены на рис. 1.
5
Физические величины
Энергетические
(активные)
пространственно-
временные
механические тепловые световые
основные производные дополнительные
размерные безразмерные
электрические
и магнитные
Вещественные
(пассивные)
акустические
ионизирующих
излучений
Характеризующие
процессы
физико-
химические
атомной
и ядерной физики
Рисунок 1 - Классификации физических величин
По видам явлений ФВ делятся на:
• вещественные, т.е. величины, описывающие физические и
физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К
этой группе относятся масса, плотность, электрическое
сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда эти ФВ
называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать
вспомогательный источник энергии, с помощью которого
формируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные
ФВ преобразуются в активные, которые и измеряются;
• энергетические, т.е. величины, описывающие энергетические
характеристики процессов преобразования, передачи и использования
энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти
величины называют активными. Они могут быть преобразованы в
сигналы измерительной информации без использования
вспомогательных источников энергии;
6
• характеризующие протекание процессов во времени. К этой
группе относятся различного вида спектральные характеристики,
корреляционные функции и другие параметры.
По принадлежности к различным группам физических
процессов ФВ делятся на пространственно-временные, механические,
электрические и магнитные, тепловые, акустические, световые,
физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной
физики.
По степени условной независимости от других величин данной
группы все ФВ делятся на основные (условно независимые),
производные (условно зависимые) и дополнительные. В настоящее
время в системе СИ используется семь физических величин,
выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура,
сила электрического тока, сила света, и количество вещества. К
дополнительным ФВ относятся плоский и телесный углы. Различают
также понятия: единица физической величины и истинное значение
физической величины.
Единица ФВ – сама ФВ, которой присвоено числовое значение,
равное единице.
Истинное значение ФВ – значение ФВ, которое идеальным
образом отражает качественные и количественные свойства объекта.
Истинное значение ФВ – значение ФВ, которое идеальным
образом характеризует в качественном и количественном отношении
соответствующую физическую величину.
Физические законы, связывающие между собой физические
величины, имеют вид математических уравнений. При измерении
физической величины ее значение G сравнивают с единицей
измерения [G]. Число, которое получается при измерениях, называют
численным значением {G} физической величины:
G = {G}[G].
Таким образом, любая физическая величина равна
произведению численного значения и единицы измерения.
Значение Q такой величины определяется ее числовым
значением q (отвлеченным числом) и размером [Q] меры, принятой за
единицу измерения:
Q
= q·[Q].
7
Таким образом, любая физическая величина равна
произведению численного значения и единицы измерения. Выражение
(2) в классической метрологии называют основным уравнением
измерений. Увеличение или уменьшение размера [Q] единицы
измерения влечет за собой обратно пропорциональное изменение
числового значения q. При этом значение Q величины остается
неизменным: оно не зависит от выбора единицы измерения. Например,
одно и то же расстояние может быть выражено через различные
единицы измерения длины:
L = 1,23·10
-4
км = 0,123 м = 123 мм = 1,23·10-5 мкм
В 1960 г. было заключено международное соглашение о
выборе основных физических величин. Эти величины, а также
производные физические величины составляют основу Международной
системы единиц СИ (Systeme International d'Unites). Во многих
странах эта система единиц имеет силу закона. Международную
систему единиц очень удобно использовать как в теории, так и на
практике. Наиболее важные из них имеют собственные имена и
краткие обозначения.
Если обратиться к истории, то можно увидеть, как, с одной
стороны, возрастали требования к точности определения единиц
физических величин, а с другой стороны, возникали принципиально
новые способы их измерения. Исследователи стремились и стремятся
связать основные физические величины с фундаментальными
постоянными, которые можно в любое время измерить с хорошей
воспроизводимостью. Характерным примером является единица
длины. Вначале метр определялся через длину окружности земного
шара, затем – через длину волны определенного излучения: с 1927 г. –
через длину волны красной линии кадмия, а с 1960 г. – через
излучение изотопа криптона 86Кг в о
ранжевой области видимого
спектра:
Метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме
излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р\0 и 5d5
атома криптона-86.
В 1983 г. состоялась 17-я Генеральная конференция по мерам и
весам. На ней было установлено новое определение метра в связи с
8
возможностью очень точного измерения скорости света в вакууме
(она равна с = 299 792 458 м/с.):
Метр равен длине отрезка, которую свет проходит в вакууме
за 1/299 792 458 долю секунды.
Скорость света выбрана для определения метра потому, что
она является одной из фундаментальных постоянных природы.
Измерить эталонную длину можно, определив время, за которое свет
проходит этот отрезок.
Особое место среди основных физических величин занимает
масса, поскольку ее определяют путем сравнения с эталоном, который
хранится в Международном бюро мер и весов (BIPM) в Севре,
недалеко от Парижа. Этот эталон представляет собой цилиндр из
сплава 90 % платины и 10 % иридия, высота и диаметр которого
равны 39 мм. До сих пор пока не удается достаточно точно выразить
величину эталонной массы через фундаментальные постоянные.
Единицей массы служит килограмм. Он равен массе
международного эталона килограмма (1889, 1901).
Единица времени - секунда в настоящее время (с 1967 г.)
определяется следующим образом:
Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения,
соответствующих периоду между двумя сверхтонкими уровнями
основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущений
полями (ГОСТ 8.417 – 2002 «ГСИ. Единицы величин»).
Эталон секунды реализуется с помощью цезиевого излучения.
Для определения такого промежутка времени необходимо уметь
«сосчитать» 9192631770 периодов атомного излучения. Возможно в
будущем появятся генераторы частоты, которые будут более точными,
чем «атомные часы» на изотопе цезия
133
огда потребуется новое
Cs. Т
определение единицы времени. При этом определение метра не
изменится, так как метр выражается через скорость света.
Взаимосвязь между электродинамикой и механикой позволила
в 1948 г. заново определить единицу силы тока:
Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при
прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам
бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного
сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от
9
другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу
взаимодействия равную 2.10-7.
Тем самым определяется численное значение другой
фундаментальной постоянной физики: магнитной постоянной
равна
выше определению ампера. Зная, что с = 1 /√ε
µ
= 4π.10-7 Н/А2. Это соотношение эквивалентно приведенному
0
, можно точно
0µ0
µ
. Она
0
определить диэлектрическую постоянную ε0, которую не нужно
измерять экспериментально.
Основной термодинамической величиной является
термодинамическая температура. Она измеряется в Кельвинах.
Поскольку для температуры существует значение абсолютного нуля,
то для определения этой величины необходимо зафиксировать еще
одну точку. В качестве нее выбрана тройная точка воды.
Кельвин, единица термодинамической температуры, равен
273,16 части термодинамической температуры тройной точки
1/
воды (1967).
Практическое измерение температуры проводят с помощью
Международной практической температурной шкалы (IPTS — 1990 г),
которая основана на целом ряде хорошо воспроизводимых
фиксированных температурных точек.
Количество вещества было введено в Международную
систему единиц в качестве основной величины в 1971 г. В результате
появилась возможность описывать количественные соотношения в
химии с помощью единиц СИ. Единица количества вещества
определяется следующим образом:
Моль представляет собой количество вещества системы,
содержащей столько же структурных элементов, сколько
содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении
моля структурные элементы должны быть специфицированы и
могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими
частицами или специфицированными группами. Это число частиц
называют числом Авогадро NA.
Электромагнитное излучение описывается с помощью так
называемых энергетических фотометрических величин, которые
выражаются через первые три основные единицы. Если же нужно
описать излучение через его воздействие на человеческий глаз, то для
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]