Основные понятия о законах, явлениях, эффектах. Измеряемые параметры.

Невозможно представить себе деятельность человека без использования того, что подразумевается под терминами информация и измерения.

Под информацией понимается получение сведений, сообщений, данных об окружающем мире, протекающих в нем процессах, которые могут быть восприняты как человеком (homo sapiens), биологическими субъектами, т.е различными живыми организмами так и техническими системами. Остановившись на информации для мыслящего объекта можно отметить, что она может быть разделена на общественно-политическую, социально-экономическую, научно-техническую и прочую. Нас больше всего интересует научно-техническая информация о которой мы и будем говорить в нашем курсе. Информация может быть получена самыми различными способами на основе различных явлений. Физические законы устанавливают связь между явлениями и параметрами окружающей среды или объекта. С точки зрения технической информации, ее получение по сути в основном связано с измерениями. Как говорил Макс Планк «В физике существует только то, что можно измерить».

История измерения уходит в необозримую даль. За многие тысячелетия до нашей эры люди проводили различные астрономические, геометрические и другие измерения.

В основе получения информации о состоянии объекта (процесса), в широком смысле слова, лежит оценка взаимодействия физических полей различного рода с исследуемым объектом или влияющих факторов и их влияние на его состояние. В качестве принципов измерения используют большое количество и разнообразие различных физических явлений, эффектов, законов, открытых учеными при проведении уникальных научных исследований, которые зачастую не были направлены на получение каких-либо методов измерений. Известные Вам законы Ньютона, Ома, Максвелла, Вина, Паскаля, эффекты Зеемана, Джозефсона, Холла, Месбауэра, Зеебека, явления пьезоэффекта, фотоэлектричества и т. д. позволяют строить (создавать) самые различные устройства для получения необходимой измерительной информации. Сложная взаимосвязь различных физических процессов, выражаемая различными явлениями и эффектами, подчиняются определенной закономерности. В рассматриваемом курсе мы условно разобьем физические величины на ряд групп:

- пространственно-временные физические величины;

- механические физические величины;

- тепловые физические величины;

- акустические физические величины;

- электромагнитные физические величины;

- оптические физические величины;

- ядерные физические величины;

- химические физические величины.

Измерение физических величин

Измерения реализуют сбор или получение информации об объекте измерения, посредством какой либо измеряемой величиной.

Т.е. результат измерения может описать состояние или явление окружающего мира. Корректная оценка состояния какого-либо объекта возможна только при объективном измерении.

Измерения должны быть независимы от наших чувств, (горячая ,теплая, холодная вода, тихо-громко и т.д.)- т.е измерения должны осуществляться определенными приборами, средствами, системами с выдачей информации в соответствующей форме (объективной, например цифровой) с соответствующей точностью.

На протяжении многих лет измеряемая величина рассматривалась как свойство объектов, процессов материального мира, т.е. представлялась как физическая величина.

Физической величиной называется одно из свойств физического объекта (явления, процесса) общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуально для каждого из них.

Измерение физической величины – совокупность операций, выполняемых с помощью технических средств, хранящих единицу величины, позволяющих сопоставить измеряемую величину с ее единицей и получить искомое значение измеряемой величины. Полученное значение будет результатом измерения.

В одном из толковых технических словарей термин «Измерение» определяется как основной познавательный процесс науки и техники, посредством которого неизвестная величина количественно сравнивается с другой однородной с нею и считаемой известной.

Физические величины весьма разнородны: масса, давление, расстояние и т.д.

Не все физические семейства объектов являются физическими величинами (цвет, запах). Численным представлением результатов сравнения в измерении является единица измерения физической величины.

Единицы измерений физических величин.

Единица измерения – физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение равное единице.

Для выбранной единицы измерения результат сравнения может быть представлен в виде формулы

(1)

Q – измеряемая величина

q – единица измерения

a – численное значение измеряемой величины в принятых единицах измерения.

Эта запись в виде

(2)

основное уравнение измерения.

Правая часть уравнения физическая величина известного размера, которая реализуется измерительным устройством называемым мерой.

Как говорилось ранее, для каждой физической величины устанавливается единица измерения. Необходимо учитывать, что физические величины связаны между собой определенными зависимостями. Их совокупность рассматривается как система физических единиц. Существуют основные и производные физические величины.

Основная физическая величина условно принимается независимой от других величин. Производная физическая величина определяется через основные величины этой системы.

С 1961 г. Общепринята Международная система единиц (СИ, SI – The international Sistem Units).

В России Гостом 8,417-81 приняты следующие «Единицы физических величин».

Основные единицы СИ:

- метр (м) – единица длины

- килограмм (кг) – единица массы

- секунда (с) – единица времени

- ампер (А) – единица силы тока

- кельвин (К) – единица термодинамической температуры

- кандела (кд) – единица силы света

- моль (моль) – единица количества вещества.

В качестве дополнительных единиц используются:

- радиан (рад) – единица плоского угла

- стерадиан (ср) – единица телесного угла.

Производные величины «СИ» образуются из основных и дополнительных посредством определяющих уравнений в соответствии с принципом построения систем единиц.

Мы не будем рассматривать определения единиц физической величины, это изучается в курсе Метрологии.

Для примера: единица длины – метр – длина пути проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. За единицу массы

1 Килограмм принимается масса, равная массе международного прототипа весом 1 килограмм, выполненного из платины.

Средства измерения. Методы измерения, виды, классификация.

Средства измерения определяются как технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики.

Средства измерения делятся на группы (в зависимости от характера участия в процессе измерения): меры, измерительные преобразователи; измерительные приборы; измерительные установки, измерительные системы

Мера – средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины данного размера. Могут быть однозначные, многозначные и наборы мер ( гири, катушки, сопротивления, емкости; многозначные ~С, ~R, ~L).

Измерительные преобразователи – средства измерения, предназначенные для выработки сигнала измеряемой информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки, хранения. Он преобразует одну физическую величину в другую, входную в выходную. Они являются основой для построения сложных измерительных устройств, приборов, систем и т.д.

Хотя измерительные преобразователи являются конструктивно обособленными элементами, самостоятельного значения для проведения измерений в противовес мерам и измерительным приборам они подчас не имеют. Чаще они являются лишь составными частями более или менее сложных измерительных комплексов и систем автоматического контроля, управления и регулирования.

По месту, занимаемому в приборе, преобразователи подразделяются на:

первичные, к которым подводится непосредственно измеряемая физическая величина

передающие, на выходе которых образуются величины, удобные для их регистрации и передачи на расстояние

промежуточные, занимающие в измерительной цепи промежуточное место ( как правило после первичных).

Измерительные преобразователи могут преобразовывать одну физическую величину в другую – неэлектрическую величину в электрическую, электрическую одной форму в другую: переменную в постоянную, постоянную в цифровую и т.д.

Измерительный прибор – средство измерения предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме доступной для последующего восприятия оператором. Они могут быть аналоговые и цифровые, показывающие, регулирующие, регистрирующие, сигнализирующие.

Например цифровой термометр- (Рис.1.)

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерения, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия оператором и расположенная в одном месте. Может реализовывать функции меры, измерительного прибора, измерительного преобразователя.

Более сложными средствами измерения являются информационно измерительная система. Информационно измерительная система – совокупность технических средств, выполненная в блочном виде, объединенная общим алгоритмом функционирования, обладающая нормированными метрологическими характеристиками и предназначенная для получения измерительной информации непосредственно от объекта, ее преобразования, передачи, хранения, обработки и выдачи в виде удобной для восприятия оператором или ввода в САУ.