41. Индуктивные измерительные преобразователи перемещения 160
42. Трансформаторные измерительные преобразователи 174
43. Фотоэлектрические измерительные преобразователи 177
44. Радиоактивный датчик положения 183
45. Ультразвуковые радиолокационные преобразователи 184
46. Преобразователи скорости и ускорения 184
47. Средства измерения уровня жидких и твёрдых материалов 187
48. Методы и средства измерения расхода жидкости и твёрдых сыпучих материалов 189
49.Методы и средства измерения температуры 192
50. Индуктивные датчики приближения фирмы «Клашка» 197
51. Тензорезистивные ИП 198
52. Пьезоэлектрические преобразователи силы и давления 200
53. Средства измерения скрытой и открытой границы породы угля 201
Перечень ссылок 205
1. Основы метрологии и технических измерений. Предмет и задачи метрологии
«В природе мера и вес суть главные орудия познания, и нет столь малого, от которого не зависело бы крупнейшее».
Д.И. Менделеев.
«Измерять всё то, что может подлежать измерению, показывать численное отношение изучаемого к известному, категории времени и пространства, температуре и т.д.».
Д.И. Менделеев.
«Определять место изучаемого в системе известного, пользуясь качественными и количественными сведениями».
Д.И. Менделеев.
«Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука не мыслима без меры».
Д.И. Менделеев.
Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций.
Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.
Особенно возросла роль измерений в век широкого внедрения новой техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, космических полетов. Высокая точность управления полетами космических аппаратов достигнута благодаря современным совершенным средствам измерений, устанавливаемым как на самих космических аппаратах, так и в измерительно-управляющих центрах.
Большое разнообразие явлений, с которыми приходится сталкиваться, определяет широкий круг величин, подлежащих измерению. Во всех случаях проведения измерений, независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений, есть общее, что составляет основу измерений - это сравнение опытным путем данной величины с другой, подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем физическую величину в виде некоторого числа принятых для нее единиц, т.е. находим ее значение.
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способа достижения требуемой точности.
Метрология – это древнейшая наука, которая не родилась на ровном месте и пришла из опытов предков, пройдя большой путь от науки сравнительных описаний мер к науке определяющей характер современной техники.
Аршин – расстояние от локтевого сустава до конца среднего пальца.
К основным проблемам метрологии относятся:
- общая теория измерений;
- единицы физических величин и их системы;
- методы и средства измерений;
- методы определения точности измерений;
- основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений;
- эталоны и образцовые средства измерений;
- методы передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений;
Законодательная метрология – это раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений.
В развитии измерительной техники можно условно выделить 4 основных исторических этапа развития:
- На первом этапе количественная оценка величин выражалась понятиями больше и меньше, что давало представление об относительных проявлениях изучаемых величин. В этот период времени отсутствовало представление о единицах измерения величины, а, следовательно, не могло и быть количественной оценки. Все применяющиеся в тот период времени технические средства являлись прообразом средств измерения. Например, в области электрических явлений такими средствами являлись устройства созданные Ломоносовым и Рихманом, которые они использовали при изучении явлений атмосферного электричества в 1752-1754 гг. Своё устройство Рихман назвал электрическим указателем, который позволял определять в различных атмосферных условиях наэлектризованность отдельных тел. Применительно с понятием большая или меньшая наэлектризованность. Используемый им принцип в настоящее время является основой для большого класса электро измерительных приборов прямого преобразования. В 1753 г. Ломоносов изобрёл прибор для исследования явлений молний.
- Второй этап относится к первой половине девятнадцатого века и связан с попытками подвести метрологическую базу под измерение электрических величин. В то время под метрологической базой понималось наличие величин измерения и их воспроизведения в материализованном виде в качестве мер с наивысшей точностью. В те годы в разных странах мира многие учёные создали меры электрических величин которые принимали в качестве эталонов, производили измерения в этих единицах и даже считали результаты измерения в разных лабораториях. В 1848 г. русский академик Якоби предложил в качестве единицы сопротивления испытать медную проволоку длиной 25 футов (7,62 м) и весом 342 грана (22,5 гр.) навитую спирально на цилиндр из изоляционного материала. В Германии – столб ртути длиной 1 м. И сечением 1 мм 
при 0 
С. Во Франции – железная проволока длиной 1 км и диаметром 4 мм (единица бреге). Якоби сумел разослать разработанные им меры измерения электрического сопротивления в ведущие Европейские лаборатории с целью сравнения их с мерами применявшимися в этих лабораториях. Это впоследствии способствовало их систематизации и узаканивания их в качестве единой мировой меры.
- Третий этап относится ко второй половине девятнадцатого века. Связан с работами по установлению научно обоснованных электрических и магнитных единиц, а также выработки документации по созданию эталонов этих единиц, а также выработал рекомендации по созданию эталонов единиц в мировой практике базируясь на работах Гаусса. Британская ассоциация содействию развития наук в 1862 году предложила использовать абсолютную электро статическую и электро магнитную системы СГС (см., гр., с.). Однако, эта система оказалась неудобной для практического использования, поэтому ею же была предложена абсолютная система практических единиц. В 1881 году в Париже на первом Международном конгрессе по электричеству официально были приняты к исполнению названная система СГС и практическая система. В 1893 году на международном конгрессе по электричеству в Чикаго были приняты определения по воспроизведению единицы сопротивления Ом и тока А. В конце третьего этапа были созданы эталоны воспроизводящие электрические единицы (Ом., А., В.).
- Четвертый этап относится к послевоенному периоду. В 1948 году было принято решение о переходе от международных электрических единиц к абсолютным практическим единицам производимым от системы СГС. Согласно решениям генеральных конференций по мерам и весам – 10 конференция в 1954 году и 11 конференция в 1960 году была принята новая практическая система единиц – Международная Система единиц SI (длина [м], масса [кг], время [с], сила тока [А], температура Кельвина [K], сила света [канделла]). В 1969 году ввели моль для химии. Кроме этого 2 дополнительные единицы – радиан и стерадиан (в системе наведения).
В соответствии с развитием средств измерения по качеству получаемой информации существуют три этапа:
1. Довоенный этап. В 1930 году были созданы первые приборостроительные заводы: Москва, Ленинград, Киев, Харьков, Краснодар. Наивысший класс точности в те годы был 0,1. На этом этапе все функции снятия информации отводились человеку.
2. Второй этап связан с созданием автоматизированных измерительных приборов (АИП), что было вызвано:
- необходимостью проведения измерений в труднодоступных для человека местах (космос, океан, недра земли) 1956-57 года.
- экстремальный характер протекающих процессов.
- дальнейший прогресс в науке и необходимость повышения производительности научных исследований.
АИП позволяет:
- исключать основную и относительную погрешности из результата измерений;
- вводить динамическую коррекцию;
- быстродействие при измерении 100-200000 изм/с.
3. Третий этап связан с созданием цифровых измерительных приборов (ЦИП) и информационно измерительных систем (ИИС).
Причины создания ЦИПа и ИИС:
- широкая автоматизация и механизация производственных процессов;
- широкое применение при измерениях вычислительных машин и комплексов;
- необходимость полной автоматизации при проведении научных исследований;
- необходимость исследовать сверхсложные быстропротекающие процессы;
- необходимость предоставления результатов в вероятностной форме с целью дальнейшего прогнозирования характера изменений измеряемой величины во времени.
ЦИПы позволяют:
- предоставлять результат измерений в кодированном виде, что удобно для машинной обработки;
- полностью автоматизировать процесс измерения;
- значительно повысить помехозащищенность;
- класс точности до 0,00001%;
- быстродействие 1-2 млн. оп./сек.;
- исключить составляющие погрешности и произвести статическую обработку результатов измерений.
Величина минимальная максимальная
Мощность 
Вт 1000 МВт
Напряжение 100 МВ
Ток 
А 100000А
Давление 
Па 
Па
Усилие 
Н 
Н
Ускорение 
g 
g
Скорость 
м/с 1000000м/с
Огромная заслуга в развитии измерительной техники принадлежит крупнейшему русскому учёному Доливо-Добровольскому:
- разработал электромагнитный амперметр и вольтметр;
- изобрёл и изготовил индукционно измерительный прибор;
- изобрёл ферродинамический вольтметр;
- предложил первые методы и средства для проведения электрических и электромагнитных измерений;
- предложил математическую модель позволяющую связывать напряжение и электродинамическую силу, а также теорию электромагнитных и индукционных измерительных устройств.
2. Роль и значение измерительной техники в развитии горно-металлургической отрасли
В силу специфических условий эксплуатации в горной промышленности большинство существующих и известных измерительных устройств и приборов не может быть применено, так как по своему конструктивному исполнению и метрологическим характеристикам не отвечают требованиям эксплуатации в угольной промышленности. Кроме того существует малая заинтересованность ведущих метрологических организаций по централизации разработок и эксплуатации средств измерения в горной промышленности.
Особенности применения измерительной техники в горной промышленности:
- применение нестандартных измерительных устройств, имеющие низкие метрологические характеристики;
- необходимость применения правил безопасности действительных в угольной промышленности при проведении измерений (постоянный контроль СН 
);
- ограниченное применение измерительных приборов имеющих аналоговый выходной сигнал (предпочтение к дискретным сигналам или датчикам);
- необходимость обеспечения специальных конструктивных мероприятий по соблюдению взрывозащищённости, искробезопасности и других требований;
- отсутствие переносных, простых по конструкции и надёжных измерительных устройств;
- низкие метрологические характеристики применяемых приборов и устройств;
- необходимость высокой квалификации обслуживающего эту измерительную технику персонала, в том числе при поверке и испытании приборов.
Измерительная техника и средства измерения влияют на:
1. Повышение производительности труда и безопасности работ в угольной промышленности.
2. Охрана окружающей среды и экология.
3. Контроль качества угля (влажность и зольность).
4. На дальнейшее развитие горной науки и техники.
5. Создание новейших информационно-измерительных систем (ИИС) и приборов, позволяющих создать условия для безлюдной выемки угля и полного контроля за технологическим процессом в ходе автоматического управления.
3. Перспективы использования измерительной техники в угольной промышленности
- создание информационно измерительных систем, повышающих безопасность горного производства и производительность;
- разработка и создание высокоэффективных и надёжных измерительных устройств и средств контроля для автоматизации отдельных технологических процессов с целью повышения производительности;
- создание унифицированных средств измерения, учитывающих условие эксплуатации горной промышленности;
- широкое использование для контроля и измерения параметров технологических процессов микроконтроллеров, микро ЭВМ, с целью повышения точности и достоверности измерительной информации, прогнозирование состояния объекта управления, диагностирование работы отдельных машин и механизмов, а также создание условий для безлюдной выемки угля;
- использование новейших достижений в области естественных наук для создания новых нетрадиционных средств измерения применительно к условиям горной промышленности.
4. Основные понятия и определения метрологии
Метрология – это наука об измерениях, методах и средствах, обеспечения и единства и способах достижения требуемой точности.
Единство – это применение в результатах измерений узаконенных единиц, а погрешность результата измерений определена заданной вероятностью.
Точность измерения – это качество измерений отражающее фактическую близость результатов измерений к истинному значению измеряемой величины.
Главное требование технических измерений это обеспечение их единства и точности.
Технические измерения – это измерение физических величин с помощью специальных физических и технических методов и средств измерения.
Технологические измерения – это измерения режимных параметров протекающих в технологических процессах с помощью специальных методов и средств измерения, в том числе и имеющие не стандартизованные метрологические характеристики.
Технологические измерения – это область измерительной техники объединяющие измерительные устройства и методы измерения, используемые в технологических процессах горной промышленности.
Набор измеряемых параметров технологического процесса может быть очень разнообразен и зависит во многом от специфики технологического процесса, его характера (непрерывный, дискретный процесс).
Контроль – отражение качественной стороны свойств объекта, при котором устанавливается соответствие между свойством и нормой.
При контроле проверяют нахождение физической величины в заданных пределах, а при измерении фиксируются текущие значения измеряемой величины во всём диапазоне её изменения.
При контроле измерения не производятся.
Измерение – это нахождение истинного значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств измерения (силы тока – амперметр и так далее).
Существуют три принципиальных отличия измерения от контроля:
- измерение носит познавательный характер;
- измерение проверяется путём физического эксперимента;
- при измерении осуществляется сравнение полученной измеряемой информации с единицей измерения.
Измерение – нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Уравнение измерения имеет вид:
где: 
- измеряемая величина (результат измерения); 
- числовое значение измеряемой величины в принятой единице измерения; 
- единица измерения данной физической величины.
Физический смысл уравнения измерения заключается в следующем:
- уравнение измерения показывает, сколько раз заданная единица измерения содержится в измеряемой величине.
Стандартизация – наука о принципах и методах установления эффективных норм и правил для совместимости унификации и рациональной организации общественного производства. Существуют научные стандарты и международные.
Мировой рынок организован таким образом, что выход на него с продукцией, не отвечающей мировым стандартам, является практически закрытым.
ISO – всемирная организация научных органов стандартизации (насчитывает 128 стран). На 1 января 1998 года зарегистрировано более 10000 стандартов ISO. Ежегодно с учётом пересмотров в ISO приносится от 500 до 700 стандартов. Разработанные и принятые ISO международные стандарты серии 9000 на системы управления качеством и серии 14000 на системы экологического управления признаны во всех промышленно развитых странах мира. И в Европейском экономическом сообществе приняты как европейские стандарты обязательные к выполнению. Многими странами практикуется прямое использование стандартов ISO 9000 без переработки их в государственные стандарты. Так, например, более 30% стандартов Великобритании и более 55% стандартов Франции и более 75% - Германии являются стандартами ISO 9000. Таким образом, в этих странах созданы благоприятные условия для беспрепятственного проникновения их продукции на мировой рынок. Украина является членом ISO с 1993 года.
Задачи Украины при участии в международной системе качества ISO:
– использование международных стандартов для повышения качества и конкурентоспособности отечественной продукции на мировом рынке;
– защита прав потребителей;
– согласование технической политики Украины с технической политикой стран, с которой она имеет торговые отношения.
Системы еДиниц измерений
Мелочи не играют решающей роли. Они решают всё.
Для того чтобы установить различия в количественном содержании свойств в каждом объекте, отображаемых физической величиной, вводится понятие размера физической величины.
Исторически первой системой единиц физических величин была принятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм.
В 1832 г. немецкий математик К. Гаусс предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил такую систему, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга единицы – длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с помощью этих трех основных. Свою систему К. Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и секунду.
В дальнейшем, с развитием науки и техники, появились системы единиц физических величин, построенные по принципу, предложенному К. Гауссом, и базирующиеся на метрической системе мер, но различающиеся основными единицами.
Рассмотрим главные системы единиц физических величин [1,2].
Система единиц физических величин СГС . Ее основными единицами служат сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени. Принята в 1881 г.
Система МКГСС. Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще, привело в конце XIX в. к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр – единица длины, килограмм-сила – единица силы и секунда – единица времени.
Система МКСА. Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Дж. Джорджи. Основными единицами служат метр, килограмм, секунда и ампер.
Наличие ряда систем единиц физических величин, а также значительного числа внесистемных единиц, неудобства, связанные с пересчетом при переходе от одной системы единиц к другой, требовали унификации единиц измерений. Рост научно-технических и экономических связей между разными странами обусловливал необходимость такой унификации в международном масштабе.
Требовалась единая система единиц физических величин, практически удобная, охватывающая различные области измерений. При этом она должна была сохранить принцип когерентности (равенство единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи между физическими величинами).
В 1954 г. Х Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча) практической системы единиц. Система, основанная на утвержденных в 1954 г. шести основных единицах, была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI – начальные буквы французского наименования Systeme International). Были утверждены перечень шести основных, двух дополнительных и первый список двадцати семи производных единиц, а также приставки для образования кратных и дольных единиц. В соответствии с ГОСТ 9867-61 Международная система единиц СИ (SI) «…должна применяться как предпочтительная во всех областях науки и техники, а также при преподавании».
Прежде чем перейти к краткому изложению системы СИ,
обратим внимание, что размерность величины не является каким-то неизменным свойством, присущим данной измеряемой физической величине. Например: мощность, измеряемая в ваттах
(Вт = Дж/с), часто измеряют в вольт-амперах в соответствии с известной формулой N = I∙U. В связи с этим уместно привести слова М. Планка: «…ясно, что размерность какой-либо физической величины не есть свойство, связанное с существом ее, но представляет просто некоторую условность, определяемую выбором системы измерений». То обстоятельство, что какая-либо физическая величина имеет в различных системах измерений не только различные числовые значения, но и различные размерности, не является логическим противоречием. Например, электрическая емкость, измеряемая в привычных фарадах, в системе СГС измеряется в сантиметрах, что соответствует формулам для вычисления емкости плоского конденсатора C = ee0S / d для системы СИ и C = eS /4pd в системе СГС.
Основные единицы СИ с указанием сокращенных обозначений русскими и латинскими буквами приведены в табл. 1.
Таблица 1
| Величина | Единица измерения | Сокращенное обозначение единицы | |
| русское | международное | ||
| Длина | метр | м | m |
| Масса | килограмм | кг | kg |
| Время | секунда | с | s |
| Сила электрического тока | ампер | А | А |
| Термодинамическая температура | кельвин | К | K |
| Сила света | кандела | кд | cd |
| Количество вещества | моль | моль | mol |
Определения основных единиц, соответствующие решениям Генеральной конференции по мерам и весам, следующие.
Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды или 1650763,73 длины волны излучения изотопа криптона-86 при его переходе между электронными состояниями 2p10®5d5. Исторически метр был определен как 1/40 000 000 часть парижского меридиана. Были проведены тщательные измерения этой величины и изготовлен эталон метра, так называемый архивный метр. Однако с развитием техники измерений уточнялась длина меридиана и этот эталон стал нуждаться в корректировке, что не принесло удобства в практику его использования, как эталона меры длины. В дальнейшем было предложено использовать в качестве эталона архивный метр, длина которого выражена в длинах волн изотопа криптона и не зависит от времени и географического положения.
Килограмм равен массе международного прототипа килограмма. Исторически килограмм был определен как масса 1 дм3 воды при 4 °С.
Секунда, равная 1/86400 части средних солнечных суток, во избежание зависимости от астрономических колебаний была определена как 9192631770 периодов, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Ампер соответствует величине (часто говорят – силе) постоянного тока, который при прохождении по двум параллельным и прямолинейным проводникам кругового сечения, бесконечной длины и ничтожно малой площади, расположенным на расстоянии d = 1 м один от другого в вакууме, вызывает на каждом уча-
стке проводника длиной 1 м силу взаимодействия F = 2∙10–7н в соответствии с известной формулой F = I1I2L/2pd.
Кельвин составляет 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. При этом термодинамическая температура определяется известным законом Клапейрона–Менделеева для идеального газа PV = mRT/m. Кельвин по величине совпадает с часто употребляемым градусом Цельсия (°С).
Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. Один моль любого вещества содержит число молекул (число Авогадро – Nа) равное (6,022169 ±
± 0,000040)∙1023. В округленных числах моль водорода содержит 2 г, кислорода – 32 г, воды – 18 г и т.д.
Кандела (свеча) равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540∙1012 Гц (длина волны l = 555,6 нм), энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Интенсивность в 1 кд соответствует излучению с 1 см2 светового эталона, который представляет собой абсолютно черное тело при температуре затвердевания платины T = 2042 К. (Интенсивность излучения в 1 кд для светового эталона примерно соответствует мощности в 1,6 Вт).
Отталкиваясь от этих основных единиц, приведем единицы измерений различных величин в системе СИ. Производные единицы Международной системы единиц образуются с помощью простейших уравнений между величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Например, для линейной скорости в качестве определяющего уравнения можно воспользоваться выражением для скорости равномерного прямолинейного движения V = L / t . При длине пройденного пути L (в метрах) и времени t, за которое пройден этот путь (в секундах), скорость выражается в
метрах в секунду (м/с). Поэтому единица скорости СИ – метр в секунду – это скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой она за время 1 с перемещается на расстояние 1 м.
Единица плоского угла – радиан (рад) – угол между двумя радиусами окружности R, дуга L между которыми по длине равна радиусу (a = L / R). В градусном исчислении радиан равен 57°17'48" (1рад = 180/p град). Телесный угол измеряется в стерадианах (a = S/R2). Сами по себе радиан и стерадиан применяются, в основном, для теоретических построений и расчетов, так как большинство важных для практически значений углов (полный угол, прямой угол и т.д.) в радианах выражается трансцендентными числами (2p, p/2 и т.д.).
Частота f измеряется в герцах, соответствующих числу колебаний за один период f = 1/T. Сила измеряется в ньютонах (Н). При этом размерность ньютона Н = кг∙м/с2 соответствует, например, второму закону Ньютона F = m∙a. Давление, равное силе
на единицу площади, измеряют в паскалях (Па = Н/м2), энер-
гию – в джоулях (Дж = кг∙м2/с2), мощность – в ваттах
(Вт = Дж/с). Величину электрического заряда измеряют в кулонах (Кл = А∙с), напряжение – в вольтах (В = Вт/А = м2∙кг∙с-3∙А–1 в соответствии с выражением N = U ∙ I), электрическую емкость –
в фарадах (Ф = Кл/В), электрическое сопротивление – в омах
(Ом = В/А = м2∙кг∙с-3∙А–2), электрическую проводимость – в сименсах (См = А/В). Поток магнитной индукции Ф = H∙S измеряют в веберах в соответствии с известной формулой e = d Ф/ dt (Вб = В∙с), магнитную индукцию – в теслах (Тл = Вб/м2), индуктивность –
в генри (Гн = Вб/А в соответствии с Ф = L ∙ I). Световой поток, излучаемый излучателем в данный телесный угол, измеряют в люменах (лм = кд/стерад), освещенность поверхности – в люксах (лк = лм/м2). Для радиоактивного излучения приняты следующие единицы измерений: активность нуклида (радиоактивность данного вещества) измеряют в беккерелях, (Бк = с–1), т.е. измеряют число распадов атомов в секунду. Доза излучения, полученная телом, измеряется в греях (Гр = м2/с2), 1 Гр соответствует передаче на 1 кг облучаемой массы энергии ионизирующего излучения в 1 Дж.
Перечисленные (и некоторые другие) единицы измерений различных величин образуют единую систему измерений. Это означает, что при любых вычислениях в рамках этой системы будут получаться только вышеперечисленные единицы либо их комбинации.
Наиболее прогрессивным способом образования кратных и дольных единиц является принятая в метрической системе мер десятичная кратность между большими и меньшими единицами.
В табл. 2 приводятся множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименования.
Таблица 2
| Множитель | Приставка | Обозначение приставки | |
| русское | международное | ||
| 1018 | экса | Э | Е |
| 1015 | пета | П | Р |
| 1012 | тера | Т | Т |
| 109 | гига | Г | G |
| 106 | мега | М | М |
| 103 | кило | к | k |
| 102 | гекто | г | h |
| 101 | дека | да | da |
| 10-1 | деци | д | d |
| 10-2 | санти | с | c |
| 10-3 | милли | м | m |
| 10-6 | микро | мк | m |
| 10-9 | нано | н | n |
| 10-12 | пико | п | p |
| 10-15 | фемто | ф | f |
| 10-18 | атто | а | a |
Следует учитывать, что при образовании кратных и дольных единиц площади и объема с помощью приставок может возникнуть двойственность прочтения в зависимости от того, куда добавляется приставка. Так, сокращенное обозначение 1 км2 можно трактовать и как 1 квадратный километр и как 1000 квадратных метров, что, очевидно, не одно и то же (1 квадратный километр = 1.000.000 квадратных метров). В соответствии с международными правилами кратные и дольные единицы площади и объема следует образовывать, присоединяя приставки к исходным единицам. Таким образом, степени относятся к тем единицам, которые получены в результате присоединения приставок.
Поэтому 1 км2 = 1 (км)2 = (103 м) 2 = 106 м2.
В науке и технике широко распространены относительные и логарифмические единицы измерения.
Относительная величина представляет собой безразмерное отношение физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную.
Логарифмическая величина представляет собой логарифм (десятичный, натуральный или при основании 2) безразмерного отношения двух одноименных физических величин. Логарифмические величины применяют для выражения уровня звукового давления, усиления, ослабления, выражения частотного интервала и т.п.
Единицей логарифмической величины является бел (Б), определяемый соотношением 
при 
, где 
- одноименные энергетические величины. В случае, если берется логарифмическая величина для отношения двух одноименных "силовых" величин (напряжения, силы тока, давления, напряженности поля и т.п.), бел определяется по формуле 
при 
. Дольной единицей от бела является децибел (дБ), равный 0,1 Б.
Производные единицы Международной системы единиц образуются с помощью простейших уравнений между величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Так, для линейной скорости в качестве определяющего уравнения можно воспользоваться выражением для скорости рав-номерного прямолинейного движения 
.
При длине пройденного пути (в метрах) и времени t, за которое пройден этот путь (в секундах), скорость выражается в метрах в секунду (м/с). Поэтому единица скорости СИ - метр в секунду - это скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой она за время 1 с перемещается на расстояние 1 м.
Если в определяющее уравнение входит числовой коэффициент, то для образования производной единицы в правую часть уравнения следует подставлять такие числовые значения исходных величин, чтобы числовое значение определяемой производной единицы было равно единице. Например, единица кинетической энергии СИ - килограмм-метр в квадрате на секунду в квадрате - это кинетическая энергия тела массой 2 кг, движущегося со скоростью 1 м/с, или кинетическая энергия тела массой 1 кг, движущегося со скоростью 
м/с. Эта единица имеет особое наименование - джоуль (сокращенное обозначение Дж).
6. Виды измерений. Классификация видов измерений
Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Это организованное действие человека, выполняемое для количествен-ного познания свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значения какой-либо физической величины [20].
Существует несколько видов измерений. При их классификации обычно исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов.
По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на:
- статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;
- динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.
Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, динамическими - измерения пульсирующих давлений, вибраций.
Существуют 4 основных вида измерений:
- прямое измерение – измерение, при котором истинное значение физической величины находятся непосредственно из опытных данных или с помощью прибора непосредственно отсчитывающего значения измеряемой величины. При прямых измерениях уравнение измерения имеет вид: 
.
Примеры. Измерения массы на циферблатных или равноплечных весах, температуры термометром, длины с помощью линейных мер.
- косвенное измерение – это измерение, при котором истинное значение измеряемой величины находят путём исследования известной функциональной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям:
.
Примеры. Нахождение плотности однородного тела по его массе и геометрическим размерам; нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.
- совокупные измерения – как правило проводятся при научных исследованиях, а результаты измерения находятся путём решения системы измерений. Совокупные измерения – производимые одновременно измерения одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.
Примеры. А)Измерения, при которых массы отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь.
Б) 
- термо ЭДС, 
- температура окружающей среды. Каждое уравнение представляет результат прямых измерений различных сочетаний измеряемых величин. Измеряемые величины получены прямыми измерениями.
.
- текущая температура окружающей среды;
- величина термо ЭДС;
- коэффициенты полинома.
- совместные измерения. Производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. Совместные измерения производятся путём планирования эксперимента. Совместные измерения отличаются от совокупных тем, что прямые измерения физических величин производятся в ходе планирования эксперимента.
Пример. Измерения, при которых электрическое сопротивление при температуре 20°С и температуре коэффициенты измерительного резистора находят по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах.
Кроме того, измерения классифицируются:
- в зависимости от условий проведения и конкретных ситуаций на лабораторные, промышленные и др.;
- в зависимости от процедуры проведения во времени на непрерывные, периодические, дискретные и др.;
- в зависимости от формы представления на абсолютные и относительные.
Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использования значений физических констант.
Относительное измерение – измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины.
Принцип измерений - cовокупность физических явлений, на которых основаны измерения.
Примеры. Измерения температуры с использованием термоэлектрического эффекта; измерения массы взвешиванием (использование силы тяжести, пропорциональной массе); измерения расхода газа или жидкости по перепаду давления в сужающем устройстве.
7. Методы измерений. Классификация методов измерений
Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.
Метод измерений – совокупность приёмов использования принципов и средств измерения. Все существующие методы измерений условно делятся на 2 основных вида:
- метод непосредственной оценки – значения определяемой величины определяется непосредственно по отчетному устройству прибора или измерительного устройства прямого действия.
- метод сравнения с мерой – измеряется величина, сравнивающаяся с величиной заданной мерой. При этом сравнение может быть переходное, равновременное, разновременное и другие.
Нулевой метод предусматривает одновременное сравнение измеряемой величины и меры, а результирующий эффект воздействия доводится с помощью прибора сравнения до нуля.
Пример: измерения электрического сoпротивления мостом с полным его уравновешиванием.
В горнометаллургической отрасли широкое применение находит дифференциальный метод - метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой.
Пример: измерения, выполняемые при по верке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе.
Метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.
Пример: измерения массы на равноплечных весах с помещением измеряемой массы и уравновешивающих ее гирь на двух чашках весов.
Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.
Пример: взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.
Метод совпадений - метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.
Пример: измерение длины с помощью штангенциркуля с нониусом основано на использовании метода совпадений: наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса; при измерении частоты вращения стробоскопом наблюдают совпадения положения какой-либо марки на вращающемся объекте в моменты вспышек известной частоты.
Кроме методов измерения широко применяются следующие методы контроля:
- дифференциальный метод – при этом методе осуществляется незаконченная проверка каждого измеряемого параметра в отдельности;
- компенсационный - при этом методе осуществляется проверка нескольких параметров по суммарной погрешности.
Из всех методов измерения метод сравнения с мерой является более точным по сравнению с методом непосредственной оценки, причём дифференциальный метод измерения является более точным, чем нулевой метод измерения.
Недостатком нулевого метода измерения является необходимость иметь большой число мер, различных сочетаний для воспроизведения мерных величин кратных измеряемым. Разновидностью нулевого метода является компенсацион6ный метод измерения, при котором происходит измерения физической величины без нарушения процесса в котором она участвует.
Дата: 2018-11-18, просмотров: 587.
