Введение в измерительную технику

В общем курсе метрологии определялось, что под измерением понимается познавательный процесс, заключающийся в сравнении какой-либо величины с однородной, размер которой принят за единицу. С самого начала настоящего изложения оговоримся, что речь пойдет только о физических величинах и единицах. В силу специфики других величин, таких, как, например, деньги или идеи, их измерение требует очень специфического подхода. Здесь будут изложены основные виды измерений в таком ключе, который является традиционным для раздела физики, касающегося проблем обеспечения единства измерений. Для того чтобы понять причины расхождений результатов измерений, выполненных различными методами в различное время, в различных условиях и различными операторами необходимо иметь представление о принципах действия различных приборов, о влиянии различных факторов на их показания.

В данной книге материал представлен в таком виде, как это принято в метрологии, то есть измерения физических величин разделены на виды: механические измерения, электрические и магнитные измерения, температурные измерения, оптические измерения и физико-химические измерения. В метрологии широко распространено понятие физико-технических и радиотехнических измерений, во всяком случае в системе Госстандарта РФ существуют два крупных научных центра - в Москве и в Иркутске, - занимающиеся этими проблемами. Тем не менее такое выделение скорее связано с широким практическим использованием радиотехники в различных областях науки и практики, а не с какими-либо физическими принципами.

Рассматривая общие принципы построения измерительной техники, мы будем отталкиваться от общефизических методов обеспечения единства измерений, воплощенных в создание системы физических единиц и величин - в систему СИ. Три основные величины системы СИ - длина, время и масса - дают возможность рассматривать как единое целое проблемы пространства и времени. На этом строятся механические измерения, включающие в себя линейно-угловое измерение, измерения времени и частоты, массы и силы, механических характеристик газовых и жидкостных потоков (скорости, расхода, турбулентности и т.д.).

Добавление в систему СИ в качестве основной единицы силы электрического тока сделало актуальной проблему стыковки электромагнитных явлений и механических свойств веществ. Появление огромного числа электроизмерительных приборов для определения силы тока, разности потенциалов, электрического сопротивления, электрической емкости, мощности и работы электрического тока, измерения параметров переменного тока и т. п., сделало эту технику самостоятельным разделом. Примыкают к этим проблемам измерительной техники измерения магнитного поля, поскольку его наличие тесно связано с прохождением электрического тока.

Температурные измерения в основе своей опираются на основную единицу системы СИ - Кельвин. Важность температурных измерений в физике вообще определяет факт определения многих основных законов физики с использованием понятия температуры. Законы, описывающие изменение состояния идеальных газов, основные законы - начала - термодинамики, законы излучения абсолютно черного тела, закон распределения атомов по уровням энергии - вот перечень фундаментальных законов физики, каждый их которых может служить определением самого понятия температуры. Сюда можно добавить фундаментальные свойства веществ и материалов изменять линейные размеры и электрическое сопротивление при нагревании или охлаждении, и тогда становится очевидным, что без ознакомления со спецификой температурных измерений некоторые явления или результаты измерений правильно истолковать невозможно.

Оптические измерения опираются на основную физическую единицу канделу и специфичны тем, что в оптических явлениях речь идет об измерении параметров излучения, видимых человеческим глазом. Дискуссии о том, насколько глубок такой подход, в науке ведутся столько лет, сколько существует метрология. Появились понятия традиционной фотометрии, измерения параметров видимых глазом человека световых потоков и энергетической фотометрии, в которой фактор восприятия электромагнитного излучения человеческим глазом не рассматривается. Все фотометрические величины определяются через энергию электромагнитной волны, и сам размер основной единицы, канделы, определяется через механический эквивалент света и воспроизводится как доля единицы мощности в ваттах электромагнитного излучения, распространяющегося в определенном телесном угле с длиной волны 555 нм. Тем не менее приборы для измерения оптических величин - освещенности, яркости, силы света, экспозиции и т. д. - существуют - и знакомство с принципами работы таких приборов необходимо для правильной оценки роли и места фотометрических приборов в арсенале измерительной техники.

Седьмая основная единица системы СИ - моль - является как бы отдельно выделенной, т. к. принята она не как основа в каком-либо разделе физики, а как«химическая единица». Это означает, что основным принципом, определяющим статус этой единицы, является не определенный раздел физики, а традиции, сложившиеся в науке о превращении веществ - в химии. Соответственно, являясь мерой количества вещества, моль в какой-то степени дублирует единицу количества вещества, введенную как мера инертности или тяготения. Существенное отличие моля от килограмма в том, что моль - это количество индивидуального вещества, обладающего определенными химическими свойствами. По этой причине, опираясь на моль как на основную единицу, можно выразить количество вещества числом атомов или молекул данного вещества, а также не создавать эталона единицы моля, поскольку таковым может быть определенное, наперед заданное число атомов или молекул данного сорта (число или постоянная Авогадро).

Измерения физических величин, опирающихся на моль как на основную единицу, - физико-химические измерения - рассматриваются как измерения состава веществ, материалов и изделий. При таком широком понимании физико-химические измерения оказываются очень часто используемыми. Также, как в физико-технических или радиотехнических измерениях, в физико-химических измерениях достаточно много собственных специфических подходов к процессам измерения. В физико-химических измерениях как составные части используется самая разнообразная измерительная техника: механические, электромагнитные, тепловые, оптические приборы. Основанием этого является принцип определения состава вещества (физико-химия) через его свойства - механические, электрические, тепловые, оптические. Существенным отличием, например, чисто механических измерений от физико-химических через механические свойства является обязательный этап пробоподготовки и стандартизация методики измерения, необходимые в определении состава вещества. Пробоподготовка и методика измерения, соответственно, могут и должны рассматриваться как часть измерительного процесса.

В данном разделе книги последовательно изложены принципы действия и основные конструктивные особенности измерительных приборов, используемых в науке и технике. Основной акцент сделан на массовых рутинных приборах, встречающихся в технологических процессах и в серийном оборудовании. Такая измерительная техника имеет гораздо более широкую область использования, чем высокоточные уникальные приборы. Тем более, что анализ характеристик уникальных или прецизионных измерительных приборов требует достаточно высокого уровня общей научной подготовки читателя. Для правильного понимания принципов создания высокоточных приборов необходимо знакомство с квантовой механикой, со сверхпроводимостью, со спектроскопией атомов и молекул, с термодинамикой и с целым рядом разделов современной физики, знакомых в основном узкому кругу специалистов.

Для правильного понимания принципов действия измерительной техники при чтении данного раздела книги предполагается знакомство сточными науками в объеме программы средней школы. Изложенный материал является как бы промежуточным соединяющим звеном между общенаучными дисциплинами, изучаемыми в средней школе и на первых курсах технических вузов, и специальными дисциплинами, в которых необходимы знания о возможностях использования измерительной техники в решении конкретных производственных и технологических задач.

Материал в данном разделе книги в отношении к какому-либо определенному виду измерения изложен начиная с физической сущности конкретного раздела физики. Далее дается описание основных принципов построения измерительных приборов, описание величин и единиц, являющихся наиболее характерными для рассмотрения данного физического процесса. Проводится категорирование измерительной техники по способам измерения, физической сущности процесса измерения, методам и средствам проведения измерений, методам и средствам градуировки, калибровки и поверки приборов.

В большинстве машиностроительных технологий имеет смысл выделить несколько блоков измерительных задач. Во-первых, это контроль качества сырья и материалов, поступающих на производство. С этим этапом сталкиваются очень многие производители. Во-вторых, контроль правильности выполнения промежуточных частей технологического процесса. В-третьих, контроль качества продукции на выходных производственных участках. И наконец, общими во всех технологиях являются проблемы экологии - сохранения комфортности среды обитания человека, как на улице, так и на конкретных рабочих местах. В этом отношении для большинства промышленных предприятий контроль качества очистки стоков и выбросов является наиболее трудной и дорогостоящей измерительной задачей.

Это в первую очередь измерения, связанные с контролем загрязнения воздуха, воды и почвы, а также измерения уровня шума и измерения радиоактивности.