Измерение физической величины

Представительная измеряемая величина должна отображать подлежащую измерению физическую величину (длину, силу) в виде вторичной величины, пригодной для ее дальнейшей обработки. В общем случае первичная измеряемая величина изменяется во времени. Ее воспринимают чувствительные элементы средства измерения и преобразовывают в электрическую, гидравлическую или пневматическую величину на основе физического закона, определяющего связь между этими двумя величинами. Такое преобразование может осуществляться многоступенчато, например механическая сила, действуя на пружину, деформирует ее. Деформация пружины преобразовывается тензометром в изменение сопротивления, которое затем при помощи мостовой схемы преобразуется в изменение напряжения или силы тока.

2. Погрешности измерения физической величины.

Функциональную зависимость между поступающей на вход чувствительного элемента физической величиной и выдаваемым им сигналом называют его статической характеристикой. Чувствительный элемент, характеристика которого представляет собой прямую линию, называют линейным чувствительным элементом. Ожидаемая зависимость между поступающей на вход чувствительного элемента величиной и величиной, выдаваемой на выходе, называется номинальной характеристикой. Истинная характеристика, определяемая в процессе измерений, в той или иной степени отличается от номинальной. Это расхождение является систематической погрешностью измерения. Абсолютные погрешности находят по разности истиной и номинальной характеристик чувствительного элемента. Абсолютная погрешность чувствительных элементов, обладающих линейной номинальной характеристикой, называется погрешностью нелинейности. Часто наблюдают необратимые изменения свойств чувствительного элемента, так же обуславливающие возникновение погрешности измерения. Изменения могут быть вызваны старением, термической или механической перегрузкой, атак же химическими превращениями. Необратимые изменения свойств чувствительного элемента могут вызывать трение, упругое последствие пружин, гистерезис магнитных материалов, наличие люфта. Медленное изменение выходного сигнала при постоянном значении поступающей на вход чувствительного элемента измеряемой физической величины называется дрейфом. Дрейф может быть вызван внешними помехами, например изменением температуры или старением чувствительного элемента. Погрешности, вызываемые влиянием различных физических величин, должны быть исключены либо конструктивным путем, либо компенсацией действия влияющих физических величин, например на тензорезисторный измеритель силы, чувствительный к колебаниям температуры, влияет также влажность окружающей среды. При измерении более или менее быстроменяющихся физических величин появляются динамические передаточные функции, для определения которых должна быть известна передаточная функция преобразователя, то есть характер изменения его выходного сигнала во времени при соответствующих изменениях измеряемой физической величины.

3. Первичное преобразование измеряемой физической величины.

Преобразование неэлектрических величин в электрические может осуществляться следующим образом:

1) Активным преобразованием энергии одного вида в энергию другого вида, в результате чего вырабатываются электрические величины: напряжение, ток, заряд.

2) Воздействием на электрические величины (пассивное преобразование), требующее вспомогательной энергии:

2.1) на основе непосредственного применения физических зависимостей, в частности могут быть использованы зависимости от величины измеряемых сопротивления, проводимости, магнитной и диэлектрической проницаемости, индуктивности, напряжения, интенсивности зарядов и излучений.

2.2) путем механических воздействий. Эти воздействия позволяют изменять такие величины, как сопротивление, индуктивность, емкость.

2.3) методом компенсации, таким образом можно измерять силу тока

Неэлектрические физические величины можно так же преобразовывать в другие не только электрические величины.

Физические и физико-химические явления, определяющие зависимость между входными и выходными сигналами измерительных преобразователей.

Преобразование величин осуществляется на основе использования физических и физико-химических эффектов. Эти эффекты могут быть использованы как в отдельности, так и в комбинации друг с другом. При этом эффекты, используемые при преобразовании, не должны быть взаимно обратными. Поэтому рассматриваются эффекты, позволяющие преобразовать любые физические величины в электрические токи, напряжение или сопротивление, а с другой стороны – эффекты, устанавливающие связь входных физических величин с давлениями, а так же физические явления, позволяющие осуществлять обратные преобразования.

Физические эффекты, используемые для преобразования измеряемых величин

Выходная величина	Входные величины
механическая	тепловая	магнитная	электрическая	оптическая	молекулярная
Механическая	Закон рычага, упругость, физический маятник	Тепловое расширение, давление паров	Силы, действующие в магнитном поле, магнитострикция	Силы, действующие в электрическом поле, электрострикция, пьезоэлектрический эффект	Давление излучения, радиометр	Сорбция, десорбция, набухание, электрофорез
Тепловая	Адиабатическое изменение состояния, теплота трения	-	Вихревые токи	Джоулева теплота, диэлектрические потери тепла, вихревые токи	Абсорбция, зависимость сопротивления о температуры, пироэлектрический эффект	Удельная теплоемкость и теплопроводность
Магнитная	Конвективные потоки, магнитоупругий эффект	Закон Кюри-Вейсо	Диа-паро-ферромагнетизм, гистерезис	Электромагнитные измерительные приборы, силы, действующие в магнитном поле	Абсорбция, закон Кюри-Вейсо	-
Электрическая	Индукция, пьезорезистивный и пьезоэлектрические эффекты	Зависимость сопротивления от температуры, термоэлектрический эффект, пироэлектрический эффект	Эффект Холла, эффект Томсона, индукция	Электрическая индукция, прохождение тока в жидкостях, газах и твердых телах	Внешний и внутренний фотоэффект, фотосопротивление	Напряжение Вольта, контактная разность потенциалов, электролитическая проводимость, концентрационный потенциал
Оптическая	Интерференция, триболюминесценция	Тепловое излучение, термолюминесценция	Магнитооптическое вращение плоскости поляризации, эффект Фарадея	Эффект Керра, электролюминесценция в различных агрегатных состояниях, лазер	Модуляторы, преобразования длин волн при помощи электронно-оптических преобразователей или люминофоров	Эмиссия и адсорбция, молекулярные спектры
Молекулярная	-	Термокраска, жидкие кристаллы	-	Гальваническая ячейка	Фотоэмульсии, использование электронно-оптических преобразователей	-