Іі. Загальні відомості про вимірювальну систему та електричні прилади для вимірювання неелектричних величин

2.1. Фізичні величини. Основні поняття. Класифікація вимірювань

Під вимірюванням розуміють кількісне знаходження фізичної величини дослідним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів. Виміряти фізичну величину – означає порівняти її з однорідною величиною, яку прийнято за одиницю вимірювання.

Фізична величина – це величина, що характеризує певну особливість явища і відображає його властивості, стан або процес, що відбувається у ньому. В якісному відношенні вона узагальнена для багатьох фізичних об’єктів, однак у кількісному – індивідуальна для кожного об’єкта.

Сукупність істотних властивостей об'єкта складає його якісну визначеність, що відрізняє його в цілому від інших об'єктів. Саме якісна визначеність виражає те спільне, що характеризує весь клас однорідних об'єктів.

Однорідні величини – це величини з однаковою якісною означеністю. Якісна означеність фізичної величини визначає її рід. Наприклад, такі величини, як довжина, ширина, висота, діаметр, шлях, довжина хвилі – однорідні, оскільки їхні якісні означеності збігаються.

Розмір фізичної величини – це кількісний вміст у даному об’єкті властивостей, які відповідають поняттю “фізична величина”. Розміри однорідних фізичних величин різних об’єктів порівнюють між собою, якщо відомі значення цих величин.

Значенням фізичної величини називають її оцінку за допомогою деякої кількості прийнятих для неї одиниць.

Одиниця фізичної величини – це фізична величина певного розміру, якій за означенням надано числового значення для кількісного відображення однорідних з нею величин. Позначення одиниці може бути абревіатурою слів, що входять в її назву, або спеціальним знаком. Згідно з ДСТУ 3651 допустимими до застосування в Україні є позначення міжнародні (з використанням літер латинської чи грецької абеток) та українські (з використанням літер української абетки). Наприклад, 1 метр може позначатися 1 m або 1 м, 1 джоуль на кілограм – 1 J/kg або 1 Дж/кг. До спеціальних знаків, якими позначають одиниці належать, наприклад, знак % відсотка (1 відсоток – 1%), знаки , , (кутові) градуса, хвилини та секунди відповідно і т. ін. Одиниці будь-якої величини можуть різнитися за розміром. Так метр, фут і дюйм є одиницями довжини, проте мають різний розмір: 1 фт=0,3048 м; 1 дюйм=0,0254 м. і т. ін.

Одиниці вимірювань можна вибирати довільним чином, однак, якщо вони вже вибрані, то повинні залишатися незмінними в межах обраної системи одиниць – сукупності одиниць, об’єднаних теоретичним способом у певну систему. На практиці рекомендовано використовувати загальноприйняту Міжнародну систему одиниць вимірювання СІ (Додаток, табл.1).

Розрізняють істинне та дійсне значення фізичної величини.

Істинне значення фізичної величини – значення, яке ідеально відображає в якісному та кількісному відношеннях відповідну властивість об’єкта.

Дійсне значення фізичної величини – це значення величини, отримане експериментально і воно настільки близьке до істинного значення, що може бути використаним замість нього.

Вхідна величина – механічна (при вимірюванні механічних властивостей) величина, що діє на перетворювач і трансформується останнім в електричний чи якийсь іншій сигнал.

Вихідна величина – фізична величина, яку отримують під час виходу з приладу як результат перетворення, підсилення та інших трансформацій. Вона може сприйматися у вигляді відхиленої стрілки приладу, відхилення променя осцилографа тощо.

Чутливість приладу – відношення ( ) зміни сигналу на виході вимірювача до зміни вимірюваної величини. Розмірність її визначається розмірностями вхідної та вихідної величин. Загальна чутливість вимірювача, що складається з послідовного ряду блоків і перетворювачів залежить від чутливості кожного з вузлів і визначається добутком .

Межа (поріг) чутливості – мінімальна зміна вхідної величини, що викликає помітну зміну вихідної величини.

Межа перетворення – найбільше значення вхідної величини, яке ще може бути сприйняте перетворювачем без спотворень і без пошкодження самого перетворювача.

Динамічний діапазон вимірювань – діапазон вхідних величин, вимірювання яких здійснюється без помітних спотворень і який змінюється від найбільшої величини до найменшої та обмежений порогом чутливості чи рівнем перешкод. Кількісно він виражається крайнім (найбільшим чи найменшим) значенням вхідної величини.

Головна похибка – найбільша різниця між отримуваною і номінальною вхідними величинами, що визначаються за нормальних умов.

Додаткова похибка (похибка, викликана зміною зовнішніх умов) – відносна зміна вихідної величини у відсотках, що віднесена до зміни зовнішнього чинника на повну дозволену величину. Наприклад, температурна похибка на тощо.

Нормальні умови: температура в межах , атмосферний тиск , вологість . Відсутні вібрації, сторонні електромагнітні і механічні поля.

Вимірювання можна класифікувати за багатьма ознаками.

За наявністю розмірності фізичної величини вимірювання поділяють на абсолютні та відносні.

Абсолютне вимірювання – вимірювання, що ґрунтується на прямих вимірюваннях однієї або кількох основних величин і (або) використанні значень фізичних констант.

Відносне вимірювання – вимірювання зміни величини відносно однойменної величини, взятої за вихідну.

За характером відшукання значення фізичної величини вимірювання класифікують на прямі, опосередковані (непрямі), сукупні, спільні, статичні та динамічні.

Найбільш простий випадок фізичних вимірювань - це прямі вимірювання. У цьому випадку значення фізичної величини знаходять безпосередньо в процесі вимірювань. До таких вимірювань можна віднести вимірювання маси, довжини, часу, температури та ін.

Значу кількість фізичних величин (модуль Юнга, коефіцієнт Пуассона, модуль зсуву, коефіцієнт інтенсивності напружень та ін.) не можна встановити безпосереднім вимірюванням. Значення шуканої фізичної величини в цих випадках вираховують за певними рівняннями, що пов’язують дослідні дані, можливих, прямих вимірювань з шуканими: . Такі вимірювання називають опосередкованими (непрямими).

Сукупні вимірювання – одночасно виконані вимірювання кількох однойменних величин. Їх застосовують при дослідженні однорідних фізичних величин. Наприклад, при калібруванні гир дійсне значення для однієї гирі знаходять за допомогою порівняння з еталоном. Інші гирі порівнюють між собою і дослідженою гирею.

До спільних вимірювань звертаються тоді, коли потрібно дослідити залежності однієї фізичної величини від іншої. Наприклад, досліджуючи видовження стрижня від впливу зміни температури, одночасно вимірюють довжину стрижня і його температуру; досліджуючи зміну опору резистора від температури, також одночасно вимірюють його опір і температуру. У цьому разі шукають залежність одного параметра від другого у вигляді: .

Під статичним вимірюванням розуміють такий режим засобів вимірювання, при якому вихідний сигнал вважається незмінним протягом часу, достатнього для відліку показів вимірювальних приладів. Прикладом статичних вимірювань можуть бути вимірювання довжини, маси, значень постійного струму, опору тензорезистора та ін.

Під динамічним розуміють режим вимірювання, при якому вихідний сигнал змінюється з часом. Прикладом динамічних вимірювань можуть бути вимірювання значень довжини тріщини, що поширюється, встановлення швидкості поширення пружних хвиль у твердому тілі, знаходження частоти власних коливань та ін.