ЧАСТИНА ПЕРША

Вимірювання неелектричних величин

Л е к ц і я 1

Основні поняття та визначення

1.1 Поняття фізичної величини

Вимірювальна інформація – це кількісна інформація про власти­вості фізичних об'єктів (про значення фізичних величин), отримана в результаті вимірювань. Особливість вимірювальної інформації випливає із загального визначення поняття вимірювання як знаходження зна­чення фізичної величини отримане за допомогою спеціально призна­чених для цього технічних засобів.

Фізична величина — це загальноприйнята чи встановлена законодавчо характеристика деякої властивості або деяка властивість, спільна в якісному відношенні для багатьох ма­теріальних (фізичних) об'єктів (фізичних систем, їхніх ста­нів і процесів, що відбуваються в них), але індивідуальна для кожного матеріального об'єкта в кількісному відношенні.

П оняття фізичної величини належить до фундаменталь­них понять метрології, оскільки воно є суттю кількісної оцінки результатів вимірювань. Фізичну величину вимірю­ють виявленням ефекту, який є результатом її дії на чутливий перетворювальний елемент. Цей ефект перетворюють в іншу фізичну величину, яку визначають як сигнал вимірю­вальної інформації. Отже, щоб виміряти фізичну величину, слід мати об'єкт з властивістю, яку відображає вимірювана фізична величина, і засіб вимірювання цієї фізичної вели­чини з вибраною шкалою її одиниць.

Фізична величина відображає об'єктивні властивості об'єктів і є модельним описом певних їхніх характеристик, які можна використовувати для атрибутивного уявлення про об'єкти. Суть фізичної величини полягає в тому, що вона описує характеристику об'єкта, яка може мати різну інтен­сивність (різні значення).

Фізичні величини, які визначають незалежно одну від одної, називають основними величинами системи фізичних величин, їх сім: довжина, маса, час, температура, елект­ричний струм, сила світла і кількість речовини. Інші фізич­ні величини визначають через основні, тому їх називають похідними фізичними величинами системи фізичних вели­чин (див. додатки).

М іж фізичними величинами існують зв'язки (залежності), які можна виражати математичними формулами, які, в свою чергу, використовують для відображення законів природи. Це, наприклад, закон Ома

де U — напруга електричного струму на кінцях електрич­ного ланцюга; R — електричний опір ланцюга, в якому за законом Ома визначається електричний струм /, або дру­гий закон Ньютона

де а — прискорення тіла; F — сила, що діє на тіло, спричи­нюючи прискорення його руху; т — маса тіла; k — коефі­цієнт пропорційності, який при певному виборі одиниць вимірювання сили і маси може дорівнювати одиниці, або, нарешті, густина речовини

де ρ — маса речовини; V — об'єм речовини.

У цих і подібних залежностях одні величини є основни­ми, інші — похідними від основних.

Такі фізичні величини, як довжину, час, температуру, масу, силу, тиск, швидкість, прискорення, напругу елект­ричного струму, електричний струм, індуктивність, освіт­леність, визначають відповідні цим величинам і відомі нам деякі загальні в якісному відношенні фізичні властивості; водночас кількісні характеристики цих властивостей можуть бути різними. Знайти відомості про ці кількісні характе­ристики і є завданням вимірювань.

Для забезпечення єдності вимірювань, тобто для забез­печення порівняння між собою результатів вимірювань оди­ниці фізичних величин встановлюють за визначеними пра­вилами і закріплюють законодавчо.

Одиниця фізичної величини – це фізична величина ста­лого розміру, яка за умовою відображається числом, що дорівнює одиниці, і найменуванням. Одиниця фізичної ве­личини взята для кількісного відображення однорідних з нею фізичних величин.

Розмір одиниці фізичної величини — це кількісна характе­ристика, тобто кількісний вміст одиниці фізичної величини у даному матеріальному об'єкті як його властивості, що відповідає поняттю "фізична величина". Розмір одиниці фі­зичної величини відтворюється спеціальними технічними засобами — еталонами і мірами (для речовин — стандарт­ними зразками речовин).

Розмірність фізичної величини (dim) — це певне спів­відношення основних фізичних величин, яке не залежить від вибору одиниці, тобто це вираз, що відображає зв'язок фізичної величини з основними величинами сис­теми фізичних величин, в якому коефіцієнт пропорційності дорівнює одиниці. Наприклад, для основних фізичних ве­личин міжнародної системи фізичних величин (SI):

dim (довжини) = L, dim (сили струму) = I,

dim (часу) = Т, dim (сили світла) = J,

dim (маси) = М, dim (кількості речовини) = N,

dim (температури) = Θ.

Відповідно до цього розмірності фізичних величин запи­сують, наприклад, так: для площі — dim (площі) = L², швидкості — dim (швидкості) = LT^–1, питомого об'єму — dim (питомого об'єму) = L³M^–1, прискорення — dim (прис­корення) = LT^–2.

Значення фізичної величини N_x = N[q_x] – це оцінка фізичної величини у вигляді числового значення N величини із зазначенням найменування одиниці [q_x] цієї величини або її одиниці, кратної (часткової) до неї.

Значення фізичної величини отримують у результаті ви­мірювання.

Числове значення фізичної величини – це чис­ло, що дорівнює відношенню розміру вимірюваної фізич­ної величини до розміру одиниці цієї фізичної величини або до кратної (часткової) одиниці.

Д ля ідеального технічного засобу вимірювання

де q_x – розмір одиниці фізичної величини Х; Е — позначен­ня операції знаходження цілої частини відношення роз­мірів фізичної величини і її одиниці;

– числове значення фізичної величини X.

Не можна користуватися терміном "величина" для відоб­раження тільки кількісної особливості даної властивості, наприклад "величина напруги", "величина струму", "вели­чина маси". Треба використовувати вирази "значення нап­руги", "значення струму", "значення маси".

Істинне (правильне) значення фізичної величини – це таке її значення, яке ідеально відображає в якісному і кількісному відношеннях відповідну властивість матеріального об'єкта,

де – дробова частина відношення X до q_х.

Умовне істинне або дійсне значення фізичної величини X — це її значення Х_Д, яке знайдене експериментальне і настільки близьке до істинного, що його можна використа­ти замість істинного для даної мети (за даних умов). Воно є границею, до якої може наближатися вимірюване значення фізичної величини при підвищенні точності вимірювання. Із вдосконаленням засобів вимірювань значення цієї границі поступово наближається до істинного значення фізичної ве­личини, але вартість кожного чергового кроку цього набли­ження, як правило, суттєво збільшується.

Ф ізичні величини умовно поділяють на інтенсивні (від лат. — напружений, підсилений – такий, що дає найвищу продуктивність) та ек­стенсивні (від лат. — розширювальний, подовжувальний – такий, що характеризує лише кількісну зміну, а не якісну; проти­лежний інтенсивному).

Інтенсивна фізична величина – це властивість матеріаль­ного об'єкта, що виявляється у відношеннях еквівалентності та порядку. У різних об'єктів вона може бути більша або менша. Наприклад, такі властивості об'єктів, як теплота, твер­дість, вологість, можуть характеризуватися як "твердіше — м'якіше", "тепліше — холодніше", "вологіше — сухіше" зав­дяки конкретним числовим значенням. До інтенсивних вели­чин належать також відносні величини (відношення однорід­них величин). Замість терміна "інтенсивна фізична величи­на" часто використовують терміни "параметр" і "фактор".

Екстенсивна фізична величина – це властивість мате­ріального об'єкта, що виявляється у відношеннях еквіва­лентності, порядку та адитивності (її можна підсумовувати у різних об'єктів). Це, наприклад, маса, тиск, довжина. Замість терміна "екстенсивна фізична величина" часто ви­користовують термін "параметр".

Отже, якщо в інтенсивних величин відношення порядку і еквівалентності існує не лише між їхніми розмірами, а й між відмінностями (відрізками) у парах розмірів, то розміри екстенсивних величин визначають за допомогою операцій.

Фізичні величини дещо умовно поділяють на безперервні та дискретні. Безперервними вважають фізичні величини, які змінюються так, що на сучасному етапі розвитку вимі­рювальної техніки або за умовами задачі розподіли сукуп­ностей їхніх значень у часі і (або) просторі можуть бути сприйняті як безперервні. Дискретні фізичні величини (від лат. — роздільний, перервний) змінюються в часі й (або) просторі так, що між окремими їхніми значеннями міститься лише кінцева кількість інших їхніх значень.

Квантування фізичної величини – це поділ її рівновіддаленими позначками на інтервали (кванти) однакового розміру.

Природно-квантована фізична величина – це фізична величина, поділена на кванти від природи (наприклад, елект­ричний заряд, маса, енергія світла).

Штучно-квантована фізична величина – це фізична ве­личина, поділена штучно на деякі однакові за розміром кванти або інтервали з відомими абсолютними або віднос­ними значеннями (наприклад, інтервал часу, поділений рівновіддаленими в часі короткими імпульсами, довжина лі­нійки з рівновіддаленими позначками).

Ф ізичні величини поділяють також на адитивні і неадитивні, використовуючи такий розподіл для математичного описання моделі взаємодії вимірювального перетворювача з об'єктом.

Адитивні фізичні величини — це такі фізичні величини, які за певних умов можуть бути складені експериментально, наприклад маса, електричний струм. Складання, множення на числовий коефіцієнт значень адитивних фізичних вели­чин відображають можливість аналогічних дій з розмірами (значеннями) самих фізичних величин. Адитивність фізич­них величин полегшує їх відтворення у заданих розмірах. Адитивні властивості – це властивості матеріальних об'єктів, відмінні від властивостей їхніх складових частин.

Неадитивні фізичні величини — це фізичні величини, розміри (значення) яких не можуть бути експериментально складені, а їхні наближені моделі відтворюються з вико­ристанням різних вимірювальних перетворень і шкали фі­зичної величини.