Мы имеем дело с измерением неэлектрических величин гораздо чаще, чем с электрическими. Ладно, не все из нас каждый день измеряют ток в каком-нибудь навороченном устройстве с помощью осциллографа или часами сидят с мультиметром на только что припаянной плате. Но буквально каждый второй человек постоянно прибегает к помощи линейки, чтобы измерить длину чего-либо, посмотреть на градусник, решить пойти сегодня на занятия или -30 ° C как-то слишком хорошо. Я уже и не говорю про измерения других величин: углов, скорости, освещенности…
Неэлектрических величин гораздо больше, чем электрических. А уж приборов для их измерения – больше в квадрате. И теперь передо мной стоит задача: попробовать рассмотреть наиболее распространенные методы и средства измерения неэлектрических величин.
1. Измерение длины.
Честно говоря, я теряюсь в догадках, ища определение слова «длина». Длина — это тоже длина на Барбадосе, поэтому я не буду останавливаться на определении.
архивный метр –
Однако вскоре было обнаружено, что архивный метр на самом деле короче сорокамиллионной части меридиана. Кроме того, копии счетчиков со временем менялись из-за рекристаллизации сплава.
Тогда на помощь пришел другой способ. Ученые обнаружили, что длины волн света, излучаемого атомами некоторых элементов, намного более постоянны, чем длина стандартного метра металла. С помощью специальных приборов можно измерить длину эталона, сравнив ее с длиной световой волны. Особенно подходящей для этой цели была длина волны оранжевой линии спектра, излучаемой инертным газом криптоном-86 при пропускании через него электрического тока. Она наиболее постоянна и легко измерима. Длина этой волны принята за естественный эталон длины – метра. Метр теперь определяется так: метр есть длина, равная 1 650 763, 73 длины волны оранжевого излучения криптона-86.
Ну ладно, что такое метр мы разобрались. Но ведь теперь НАМ надо измерять этот метр. Кроме того, МЫ — простые смертные, у которых нет интерференционных компараторов для проведения измерений с помощью световых волн. Посмотрим, какие же приборы у нас есть в наличии.
Самый простой прибор, который мы используем для измерения длины, — это обычная линейка, которую вы можете купить в любом газетном киоске или магазине канцелярских товаров. Линейка представляет собой деревянную, металлическую или пластиковую полоску, на которой нанесены деления (обычно миллиметры).
Средства измерения неэлектрических величин» : «Измерение больших ...
... измерения расстояний стали применять локацию световыми волнами. В импульсных светодальномерах выходной величиной ... метров и могут достигать многих тысяч километров [1]. В данном реферате рассмотрены методы измерения ... быть значительно больше длины волны излучения. Ввиду того, что длины волн оптического диапазона составляют ... чения лазеров может достигать нескольких угловых секунд. По указанным причинам ...
Метод измерения линейкой прост, как самогонный аппарат – прикладываем линейку к объекту (вернее не к объекту, а к поверхности), который надо измерить и отсчитываем число делений от одного конца измеряемой длины до другого. Если делений не хватает, бросаемся в магазин за линейкой большей длины, если хватило, то довольные результатом делаем следующее.
Линейки обычно не бывают длиннее одного метра. Слишком уж громоздкими они получаются. Но иногда приходится измерять длину и даже больше, скажем, длину земли, доставшейся в наследство от вашего деда. Тогда на помощь приходят рулетки. Рулетка — такая же линейка, но выполнена в виде гибкой ленты из тонкого металла или ткани. Обычно их заворачивают в рулон и для удобства хранят в специальном футляре. Помимо большей длины, рулетки имеют еще одно преимущество, связанное с их гибкостью. Вы пробовали измерить линейкой, скажем, окружность цилиндра? Я хочу попробовать? Ну удачи! Но делается это очень просто рулеткой — оборачиваем цилиндр рулеткой и снова радуемся результату.
штангенциркулем.
Штангенциркуль представляет собой линейку с миллиметровыми делениями (основная шкала) и перемещающуюся по ней подвижную рамку. На левом конце главной лестницы имеются выступы, называемые фиксированными губками, а выступы на раме — подвижными губками. Между губками зажимают измеряемый предмет. Сначала по штрихам основной шкалы отсчитывают целое число миллиметров (обозначим l 1 ).
Затем по штрихам рамки (нониусу) определяют длину более точно, для чего считаем какой по счету штрих нониуса совпал со штрихом на основной шкале и добавляем к l1 номер штриха, умноженный на число, указанное на штангенциркуле. Штангенциркуль позволяет измерять длину с точностью до 0,01 мм.
интерференционным компаратором.
Компаратор интерференции выглядит следующим образом: на массивной оптической скамье установлены два зеркала, одно из которых можно перемещать с помощью винта. Плоскость подвижного зеркала точно совпадает с плоскостью неподвижного. Узкий луч света от крипто-лампы направляется на оба зеркала, лучи, отраженные зеркалами, сводятся к точке, а ее свечение контролируется. Когда плоскости обоих зеркал точно выровнены, разница в пути между отраженными лучами равна нулю, и в этой точке мы увидим яркое пятно. Стоит сдвинуть верхнее зеркало (подвижное) вправо на четверть световой волны, как отраженный от него луч придет в точку с разностью хода на одну полуволну, и в точке не будет видно света – он погасится в следствии интерференции. Если верхнее зеркало сдвинуть вправо на другую четверть волны, луч достигнет точки с разницей хода в две полуволны, и свет в этой точке будет усилен. Расстояние между поверхностями зеркал будет равно половине длины световой волны. Наблюдатель постепенно перемещает верхнее зеркало и считает количество улучшений и уменьшений освещенности пятна. Если считать 3 301 527,46 таких изменений, расстояние между зеркалами можно считать равным 1 метру. На самом деле наблюдатель скорее состарится, пока посчитает 3 млн. изменений, поэтому применяют приборы, которые регистрируют каждое изменение и выдают его на соответствующих индикаторах.
Технические измерения
... определяется по отношению просвета ? к длине стороны Н. Если просвет не более 30 мкм, то используют образцы просвета, если более 30 мкм -- специальные щупы. Рис. 52. Измерение углов ... угольником. Калибры Калибрами называются средства контроля, служащие для проверки соответствия техническим условиям размеров, формы и взаимного расположения осей ...
2. Измерение углов.
Теперь поговорим о не менее важной величине, которая называется угол . С измерением углов рабочие технических специальностей встречаются не реже, чем с измерением длины.
Например, во многих случаях поверхность должна быть абсолютно ровной по отношению к поверхности земли. Для этого применяют уровень – металлический брусок с запаянной прозрачной ампулой со спиртом, внутри которой находится пузырек воздуха. Когда уровень параллелен земле, пузырек находится в центре ампулы. Ампула обычно маркируется делениями, поэтому угол можно рассчитать, исходя из положения пузырька внутри нее. Еще более примитивным, но эффективным приспособлением является отвес , представляющий собой гирьку, подвешенную на шнурке. Шнурок под действием силы тяжести будет всегда направлен вертикально и на основе этого можно сделать вывод, скажем о прямизне построенной стены (не наклонена ли она на угол 40°).
транспортир
Автоколлиматоры — чрезвычайно точные инструменты для измерения углов. Наиболее чувствительные из них способны фиксировать подъем или опускание конца площадки длиной 1 м всего на 1 мкм (0,001 мм).
Автоколлиматор основан на принципе отражения лучей от зеркала. Внутри помимо системы линз и призм есть шкала с видоискателем и небольшая лампочка. На детали, угол поворота которой необходимо измерить, закреплено зеркало, а возле этой детали неподвижно закреплен автоколлиматор. Когда загорается свет, световые лучи выходят из устройства, «неся» изображение в видоискателе. Лучи, попадая в зеркало, отражаются им и возвращаются в прибор. Если плоскость зеркала перпендикулярна оси автоколлиматора, отраженное изображение видоискателя точно совпадает с самим видоискателем на шкале и в окуляре виден только крестик. Если зеркало повернуть, лучи будут отражаться под другим углом, и в окуляре будут видны два перекрестия: реальное и отраженное.
Расстояние между ними зависит от угла поворота зеркала. Поэтому встроенный в прибор микрометр, служащий для измерения расстояния между прицелами, имеет деления в угловых секундах.
Уровни и автоколлиматоры способны измерять только небольшие углы. Углы в широких пределах могут быть определены с помощью угломера. Он состоит из двух планок, соединенных осью наподобие циркуля. На одной из планок имеется угловая шкала, а на второй — нониус. Деталь охватывается планками, а угол между ними находится по шкале.
Для измерения углов между отверстиями, зубьями и т. п. часто применяется делительный стол. Это вращающийся круглый стол в корпусе, угол поворота которого измеряется по круговой шкале. Системы считывания, используемые в таблицах, бывают оптическими, индуктивными, механическими или электронными. Точность угловых измерений на лучших поворотных столах очень высока, и погрешность не превышает 2-3” (угловых секунд).
3. Измерение массы.
килограмм
Измеряют массу с помощью весов. Самые простые весы — рычажные — представляют собой две чаши, подвешенные на стержне или тарелке на одинаковом расстоянии от центра, который в свою очередь находится на устойчивой подставке. Для измерения массы измеряемый объект помещается на одну пластину весов, а на вторую — определенное количество гирь. Как только обе шкалы находятся на одном уровне, вычисляем общую массу гирь и делаем выводы о массе объекта. Рычажные весы позволяют измерять с точностью до 0,01 г.
Другой тип весов — пружинные весы, которые можно увидеть в магазинах, — это пластина, поддерживаемая пружиной. Как только объект помещается на тарелку, тарелка опускается, и стрелка на шкале опускается вместе с ней. Переносные пружинные весы изготовлены по тому же принципу, что и достаточно жесткая пружина, помещенная в корпус со шкалой. К пружине прикрепляется стрелка. Пока к пружине не приложено усилие, т.е. не подвешен измеряемый груз, она находится в сжатом состоянии. И вот мы решили купить у бабушки на базаре пакетик картошки, вынуть весы из кармана и повесить сумку на пружину. Под действием силы тяжести пружина растягивается, соответственно перемещается по шкале стрелки. На основании положения стрелки можно узнать массу взвешиваемого мешка (убедиться, что бабка нас не обвесила).
Пружинные весы также могут быть оснащены вращающейся системой шестерен, что позволяет измерять предметы еще точнее, а последние модели бытовых весов обычно делаются электронными, что позволяет с точностью узнать еще больше о массе предмета.
4. Измерение температуры.
Вы когда-нибудь задумывались, какая температура? Нет? Проще говоря, температура указывает на то, насколько горячее тело. С научной точки зрения, с точки зрения термодинамики, температура характеризует энергию молекул данного тела. Чем выше энергия молекул, тем быстрее они движутся, а значит, тем сильнее нагревается тело. В повседневной жизни температуру приходится измерять довольно часто: думаешь одевать куртку или нет – смотришь на термометр за окном; чадо жалуется, что голова болит – сразу лезешь в аптечку за термометром; не хочешь, чтобы рыбки в аквариуме превратились в наваристую уху – поглядываешь на термометр, когда подогреваешь воду.
В Международной Системе единиц температура измеряется в Кельвинах. При 0 К такое состояние вещества предполагается, когда движение молекул вещества полностью прекращается. Однако для использования в повседневной жизни шкала Кельвина неудобна, поэтому применяется шкала Цельсия. Один градус Цельсия равен одному градусу Кельвина. За ноль в шкале Цельсия принята температура тающего льда, за 100 – температура кипящей воды при давлении в 1 атм.
В США и некоторых других странах используется шкала Фаренгейта, появившаяся в 1715 г. Температура смеси льда и хлорида аммония была принята за ноль градусов по Фаренгейту, с учетом того, что это самая низкая температура на Земле. За вторую точку шкалы Фаренгейт принял температуру тела здорового человека, приписав ей значение 96 °F. Чтобы перевести градусы Фаренгейта в градусы Цельсия используют формулу:
T c =5/9(TF -32)
жидкостный
В настоящее время для измерения температуры получили широкое применение термопары /термоэлектрические преобразователи/.
Термоэлектрический метод измерения температуры основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.
Термопара представляет собой 2 разнородных проводника, составляющих общую электрическую цепь /рис. 1/. Если температуры мест соединений (спаёв) проводников t и t неодинаковы, то возникает термо-Э.Д.С. и по цепи протекает ток. Величина термо-Э.Д.С. тем больше чем больше разность температур.
рис. 1. Схема измерения показаний термопары с помощью милливольтметра
|
|
|
рис. 2. Схема измерения разности температур газа с помощью дифференциальной термопары.
В качестве материалов для термопар используется проволока диаметром от 0,1 до 0,2 мм. Наиболее распространены следующие пары металлических проволок:
1. Платина и платинородий / 90% Pt и 10% Pr /. Эта термопара является эталонным прибором.
2. Хромель /90% Ni и 10% Cr / и алюмель /95% Ni и 5% Al/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С. этой термопары составляет около 4 мВ.
3. Хромель и копель /56% Cn и 44% Ni/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С этой термопары приходится около 7 мВ.
4. Медь и константан /60% Cn и 40% Ni/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С этой термопары приходится около 4,3 мВ.
При измерении температуры один спай цепи термопары, так называемый холодный спай, находится при 0 С (в тающем льде в сосуде Дюара), а другой – горячий в среде, температуру которой надо измерить.
Так как термоЭ.Д.С. термопары зависит от температуры обоих спаев (горячего и холодного), то термопары часто применяются для измерения разности температур в двух точках – так называемая дифференциальная термопара (рис. 2).
В этом случае в схеме отсутствует холодный спай и термоЭ.Д.С. с некоторой известной Э.Д.С. вспомогательного источника тока.
5. Измерение интенсивности ионизирующего излучения.
Счетчики Гейгера-Мюллера — самые распространенные детекторы (датчики) ионизирующего излучения. До сих пор изобретенные в начале нашего века для нужд зарождающейся ядерной физики, как ни странно, полноценной замены нет.
В своей основе счетчик Гейгера очень прост. Смесь газов, состоящая в основном из легкоионизируемого неона и аргона, вводится в хорошо откачанный герметичный цилиндр с двумя электродами. Баллон может быть стеклянным, металлическим и др. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей поверхностью, но есть и такие, в которых в цилиндре для этого предусмотрено специальное «окно». К электродам прикладывают высокое напряжение U^ (рис. П4.1), которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. Счетчик будет оставаться в этом состоянии до тех пор, пока в его газовой среде не появится центр ионизации — след ионов и электронов, генерируемых ионизирующей частицей, приходящей извне. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют другие молекулы газовой среды «попутно», генерируя все больше и больше электронов и ионов. Развиваясь лавинообразно, этот процесс заканчивается образованием облака электронных ионов в межэлектродном пространстве, что значительно увеличивает его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.
Рис. П4.1. Включение счетчика Гейгера
Обратный процесс — возврат газовой среды в исходное состояние в так называемых галогенных счетчиках — происходит сам собой. В действие вступают галогены (обычно хлор или бром), в небольшом количестве содержащиеся в газовой среде, которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов. Но этот процесс идет значительно медленнее. Время, необходимое для сброса радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактического определения скорости его отклика — «мертвого» времени — это его важная паспортная характеристика.
Такие счетчики называют галогеновыми самогасящимися. Обладая самым низким напряжением питания, отличными параметрами выходного сигнала и достаточно высокой скоростью отклика, они оказались особенно удобными для использования в качестве датчиков ионизирующего излучения в домашних устройствах радиационного контроля.
Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные типы ионизирующего излучения: а, б, ж, ультрафиолет, рентгеновские лучи, нейтроны. Но истинная спектральная чувствительность измерителя во многом зависит от его конструкции. Так, входное окно счетчика, чувствительного к a- и мягкому b-излучению, должно быть очень тонким; для этого обычно используют слюду толщиной 3…10 мкм. Баллон счетчика, реагирующего на жесткое b- и g-излучение, имеет обычно форму цилиндра с толщиной стенки
Рис. П4.2. Зависимость скорости счета or напряжения питания в счетчике Гейгера
0,05….0,06 мм (он служит и като- дом счетчика).
Окно счетчика рентгеновских лучей изготовлено из бериллия, а счетчик ультрафиолета — из кварцевого стекла.
Бор вводится в счетчик нейтронов, при взаимодействии с которым нейтронный поток преобразуется в легко обнаруживаемые α-частицы. Фотонное излучение — ультрафиолетовое, рентгеновское, g-излучение — счетчики Гейгера воспринимают опосредованно — через фотоэффект, комптон-эффект, эффект рождения пар; в каждом случае происходит преобразование взаимодействующего с веществом катода излучения в поток электронов.
Каждая частица, обнаруженная измерителем, вызывает появление короткого импульса в его выходной цепи. Количество импульсов, возникающих в единицу времени — скорость счета счетчика Гейгера — зависит от уровня ионизирующего излучения и напряжения на его электродах. Типичный график зависимости скорости счета от напряжения питания Uпит показан на рис. П4.2. Здесь Uнс — напряжение начала счета; Uнг и Uвг — нижняя и верхняя граница рабочего участка, так называемого плато, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения питания счетчика. Рабочее напряжение Uр обычно выбирают в середине этого участка. Ему соответствует Nр — скорость счета в этом режиме.
Важнейшей его особенностью является зависимость скорости счета от уровня радиационной нагрузки измерителя. График этой зависимости имеет почти линейный характер и поэтому нередко радиационную чувствительность счетчика выражают через имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта размерность следует из отношения скорости счета — имп/с — к уровню радиации — мкР/с).
В тех случаях, когда она не указана (нередких, к сожалению), судить о радиационной чувствительности счетчика приходится по другому его тоже очень важному параметру — собственному фону. Так называется скорость счета, которая обусловлена двумя составляющими: внешней — естественным радиационным фоном и внутренней — излучением радионуклидов, попавших в саму конструкцию счетчика, а также спонтанным выбросом электронов из него катод. («фон» в дозиметрии имеет почти тот же смысл, что и «шум» в радиоэлектронике; в обоих случаях речь идет о принципиально неустранимых воздействиях на аппаратуру.)
Еще одной важной характеристикой счетчика Гейгера является зависимость его радиационной чувствительности от энергии («жесткости») ионизирующих частиц. На профессиональном языке график этой взаимосвязи называется «тяжелым ходом». В какой мере эта зависимость важна, показывает график на рис. П4.3. «Ход с жесткостью» будет влиять, очевидно, на точность проводимых измерений.
Не обсуждая вопрос о том, требуется ли для домашнего радиометра высокая точность измерений, отметим, что такие промышленные устройства отличаются от любительских только корректировкой твердости измерителя. Для этого на измеритель надевается «куртка» — пассивный фильтр с характеристикой жесткости, примерно противоположной характеристике измерителя.
Рис. П4.3. Зависимость скорости счета от энергии гамма-квантов («ход с жесткостью») в счетчике Гейгера
То, что счетчик Гейгера является лавинным прибором, имеет и свои минусы — по реакции такого прибора нельзя судить о перво- причине его возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые счетчиком Гейгера под действием a-частиц, электронов, g-квантов.
Заключение.
Все вышеперечисленное – мизерная часть того, что можно измерять. Без внимания остались такие величины, как скорость, давление, освещенность, интенсивность радиоактивного излучения и многие другие. Все они так или иначе находят широкое применение как в отдельных областях науки, так и в широком кругу людей. К сожалению в пожалуй состаритесь, пока прочитаете про ВСЕ приборы, которыми можно что либо измерять. Но, целью данного реферата было дать краткое описание приборов для измерения неэлектрических величин, поэтому то, что было нужно, я изложил.
Список литературы:
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/izmerenie-neelektricheskih-velichin-elektricheskimi-metodami/
1. Детская Энциклопедия, т. 3, «Вещество и энергия», изд. «Педагогика», М. 1973 г.
2. Детская Энциклопедия, т. 5, «Техника и производство», изд. «Педагогика», М. 1974 г.
