biathlonmordovia.ru → Электротехника

Единицы электрических измерений. Утилизатор. Приборы для измерения силы

К недостаткам гальванометра типа Н следует отнести ограниченность шкалы, если подходить к этому прибору с точки зрения использов)аяия его в качестве измерительного прибора (этот гальванометр, в основном, предназначен в качестве нулевого индикатора, т. е. прибора, указывающего момент отсутствия тока в той или иной цепи или схеме). Можно было бьг шкалу прибора несколько расширить переводом нулевого деления к лево- му или правому краям шкалы. С помощью корректора стрелку прибора удается переместить на 5-10 делений, не больше. Это, тем не менее, дает некоторое расширение шкалы в одну сторону. Известны способы перевода нулевого деления шкалы в самое ее начало, однако, эти способы, зачастую приводящие к порче прибора начинающими, не могут быть рекомендованы и поэтому здесь не приводятся.

Что измеряют гальванометрами?

Для каких измерений предназначаются гальванометры, - для измерений напряжений или сил токов? Покажем, что между первым и вторым измерениями нет никакого принципиального различия.

Стрелочный гальванометр ФИЛУ, например, с одной стороны, является микроамперметром, так как измеряет миллионные доли ампера. Если чувствительность гальванометра составляет 1,5 10~в а, т. е. 1,5 мка, то при 20 делениях предел измерений составит 20X 1,5 = 30 мка, т. е. стрелка прибора отклонится до последнего деления шкалы при пропускании через прибор тока силой 30 мка.

Для того, чтобы через прибор протекал ток такой силы, мы должны подвести к прибору напряжение, величина которого, очевидно, должна быть равна

макс прабу

где f/- напряжение, в вольтах, IaKc-предел измерения прг-бора, в амперах и Япраб - сопротивление самого прибора, в омах. Если сопротивление R pa6=-y то напряжение должно быть равно

/7=30-10-6.200 6-10-3б = 6 Мб.

Если напряжение будет превышать это значение, то стрелка прибора может выйти за пределы шкалы и при дальнейшем увеличении напряжения создастся опасность для целости прибора из-за чрезмерного по величине тока.

Итак, этот гальванометр может служить и в качестве милливольтметра, т. е. прибора, измеряющего тысячные доли вольта.

Если стрелка гальванометра, имеющего чувствительность 0,5-10 а и сопротивление 170 ом, отклонилась на 14 делений шкалы, то это означает, что сила измеряемого тока равна

/ зле = 0,5 10-е. 14 = 7 10-а = 7 мт

или что подводимое к прибору напряжение составляет

аэм = 1азм Краб = 7 10 170 = 1,19 10 в 1,19 5.

Предост ережение. Непосредственное подключение гальванометра к какому-либо источнику тока - аккумулятору, гальваническому элементу и т. д., напряжение которого измеряется вольтами, грозит неминуемой гибелью прибора, так как сила тока через прибор установится чрезмерно большой. Наибольшее допустимое напряжение, которое может быть подведено к прибору, не должно превышать предела измерения по напряжению, определяемого по формуле

макс макс праб*

где UJaкcмаксимзльное допустимое напряжение, в вольтах (предел измерений по напряжению); / - предел измерения по току, в амперах; Нпраб-сопротивление прибора, в омах В свою очередь

/=(чувствительность по току) X (число делений шкалы).

Расширение пределов измерения по току (шунты)

Воспользуемся законом электротехники, гласящим, что токи в параллельно включенных сопротивлениях обратно пропорциональны величинам этих со-Гальданометр противлений. Приключим парал-Т ме 1пч5Г0 jp дельно клеммам гальванометра.....f / М сопротивление (рис. 30). Тог-

Г да через гальванометр потечет уже не весь измеряемый ток, а только часть его. Эта часть *Ла* \шунт будет тем меньше, чем меньше

будет сопротивление по срав-Рис. 30. Шунтирование гальвано- нению С сопротивлением /?г при-

бора. В пределе, когда сопротивление будет почти равно нулю, мы закоротим прибор накоротко и весь ток потечет уже не по прибору, а по сопротивлению которое представит собой для тока путь с очень малым сопротивлением по сравнению с сопротивлением прибора. Такое сопротивление называется шунтом (от английского слова shunt , означающего ответвление, запасный путь).

Изменяя величину сопротивления шунта мы будем менять соотношение между токами через прибор и шунт. Предположим, что нам надо измерить силу тока в 10 ма с помощью гальванометра, через который можно пропускать максимально 50 мка. Включаем параллельно клеммам гальванометра шунт с таким расчетом, чтобы излишек тока 10 ма-50 мка=10 000 мка -50 мка = 9950 мка пропустить через шунт. Ток через

шунт, следовательно, должен в = 199 раз превышать ток

через прибор. Для этого сопротивление прибора Rj должно во столько же раз превышать сопротивление шунта R Если при этом сопротивление прибора равно 250 ом, то сопро-

тивление шунта должно быть равно i99 = 255 ом. Для измере-

i ния еще больших по величине \ токов с помощью гальванометра у пришлось бы отвести в шунт \ еще большую часть измеряемого тока, т. е. уменьшить сопротив-\ ление шунта.

\ Снабдив гальванометр набо-f ром сменных шунтов, мы могли. бы получить возмо!жность с по-]i мощью всего лишь одного при-; бора измерять различные силы токов-от самых малых, изме-

> ряемых совершенно без шунта 3 дерметр с наружным

до очень больших. На рис. 31 шунтом

показан амперметр с наружным / шунтом.

где- сопротивление шунта, в омах; / - сопротивление прибора, в омах; /. - предел измерения прибора (без шунта) по току, в амперах; Z - предел измерения прибора (с шунтом) по току, в амперах.

Проиллюстрируем применение формулы на примере. Имеется гальванометр со следующими данными: R pa6 - предел измерения по току Ijanc - Требуется расширить пре-

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗМЕРЕНИЙ

1.1 Терминология

1.2 Классификация средств измерений

1.3 Погрешность измерений и измерительных приборов

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОНЯТИЯ "СИЛА"

2.1 История понятия "сила"

2.2 Законы Ньютона

2.2.1 Первый закон Ньютона

2.2.2 Второй закон Ньютона

2.2.3 Третий закон Ньютона

2.3 Фундаментальные взаимодействия

2.4 Гравитация

2.5 Равнодействующая сила

3. ОПИСАНИЕ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ

3.1 Гравиметры

3.2 Динамометры

3.3 Прибор для измерения силы сжатия

3.4 Амперметры

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Измерительный прибор – средство измерений, дающее возможность непосредственно отсчитывать значения измеряемой величины. В аналоговых измерительных приборах отсчитывание производится по шкале, в цифровых – по цифровому отсчётному устройству. Показывающие измерительные приборы предназначены только для визуального отсчитывания показаний, регистрирующие измерительные приборы снабжены устройством для их фиксации, чаще всего на бумаге. Регистрирующие измерительные приборы подразделяются на самопишущие, позволяющие получать запись показаний в виде диаграммы, и печатающие, обеспечивающие печатание показаний в цифровой форме. В измерительных приборах прямого действия (например, манометре, амперметре) осуществляется одно или несколько преобразований измеряемой величины, и значение её находится без сравнения с известной одноимённой величиной. В измерительных приборах сравнения непосредственно сравнивается измеряемая величина с одноимённой величиной, воспроизводимой , компаратор для линейных мер). К разновидностям измерительных приборов относятся интегрирующие измерительные приборы, в которых подводимая величина подвергается интегрированию по времени или по другой независимой переменной (электрические счётчики, газовые счётчики), и суммирующие измерительные приборы, дающие значение двух или нескольких величин, подводимых по различным каналам ( , суммирующий мощности нескольких электрических генераторов).

В целях автоматизации управления технологическими процессами измерительные приборы часто снабжаются дополнительными регулирующими, счётно-решающими и управляющими устройствами, действующими по задаваемым программам.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗМЕРЕНИЙ

1.1 Терминология

Знание метрологической терминологии, параметров измеряемых сигналов и принятой в нашей стране системы единиц измерения физических величин помогает успешно выполнять измерения и изучать литературу, посвященную измерениям физических величин и измерительным приборам.

Основные метрологические термины:

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Прямое измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Например: измерение напряжения при помощи вольтметра.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Например: измерение электрической мощности постоянного тока при помощи вольт- и амперметра (P=U I).

Истинное значение физической величины - значение физической величины, которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство данного объекта. Истинное значение практически недостижимо.

Действительное значение физической величины - значение, полученное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Средство измерений - техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. Метрологическими называют характеристики, которые оказывают влияние на результат и погрешность измерения (например, рабочий диапазон частот, климатические условия и др.).

Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Погрешность измерительного прибора - разность между показанием прибора и истинным значением измеряемой величины

Точность измерений - качество измерения, отражающее близость его результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям.

Результат измерения - значение величины, найденное путем ее измерения. Измерение может быть однократным, и тогда показание средства измерений является результатом измерения, и многократным - в этом случае результат измерения находят путем статистической обработки результатов каждого наблюдения.

Показание средства измерений - это значение измеряемой величины, определяемое по отсчетному устройству средства измерений и выраженное в принятых единицах этой величины. Для нахождения показания прибора Хпр. необходимо величину отсчета N умножить на цену деления шкалы k: Хп.=kN. Цена деления шкалы соответствует интервалу между двумя соседними отметками шкалы, выраженному в значениях измеряемой величины.

Принцип измерения - совокупность физических явлений, на которых основано данное измерение.

Метод измерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

1.2 Классификация средств измерений

В силу большого разнообразия средств измерения существует довольно широкий набор их классификационных признаков. Рассмотрим основные.

По функциональному назначению все средства измерения делятся на:

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации (т.е. сигнала, содержащего количественную информацию об измеряемой физической величине) в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный преобразователь - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, обработки и хранения, но не обеспечивающей непосредственное восприятия наблюдателем. Наиболее многочисленной группой средств измерений являются измерительные приборы и преобразователи, которые обобщенно называют измерительными устройствами.

Вспомогательное средство измерения - средство измерения величин, влияющих на метрологические характеристики другого средства измерения при его применении.

Измерительная установка - совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте.

Измерительная система - совокупность средств измерений, соединенных между собой каналом общего пользования (КОП) и предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки. Создание информационно-измерительных систем (ИИС) связано с новым этапом развития измерительной техники - построение автоматизированных ИИС на базе радиоизмерительных приборов общего применения.

По принципу измерений различают электроизмерительные и радиоизмерительные приборы.

Электроизмерительные приборы применяются для измерений на постоянном токе и в области низких частот (20 - 2500 Гц) токов, напряжений, электрических мощностей, частоты, фазовых сдвигов, сопротивлений, емкостей и других величин, характеризующих режим работы электрических цепей и параметры их элементов. Обозначение таких приборов состоит из буквы русского алфавита, характеризующей тип измерительного механизма, и числа, определяющего вид и тип прибора: Д - электродинамические; И - индукционные; М - магнитоэлектрические; Н - самопишущие; Р - меры, измерительные преобразователи, приборы для измерения параметров элементов электрических цепей; С - электростатические; Т - термоэлектрические; Ф - электронные, фотоэлектронные, цифровые; Ц - выпрямительные и комбинированные; Э - электромагнитные. Например: С197 - киловольтметр электростатический. К обозначению могут добавляться буквы М (модернизированный), К (контактный) и др., отмечающие конструктивные особенности или модификации приборов.

Радиоизмерительные приборы применяются для измерения разнообразных электрических и радиотехнических величин как на постоянном токе, так и в широком диапазоне частот, а также для наблюдения и исследования формы радиосигналов и характеристик радиоэлектронных устройств, генерации испытательных сигналов и питания измерительных устройств. Система обозначений данных приборов соответствует ГОСТ 15094-86 и состоит из: буквы русского алфавита, определяющей характер измерений и вид измеряемых величин; цифры (от 1 до 9), обозначающей тип измерительного прибора, и через дефис n-значного числа (n=1, 2, 3), указывающего порядковый номер модели. Например: В7-65 - вольтметр (подгруппа В) универсальный (тип В7) модели номер 65. В обозначении приборов, подвергшихся модернизации, после номера модели добавляется русская буква в алфавитном порядке (например, В7-65А); для обозначения приборов с одинаковыми электрическими характеристиками, различающимися лишь конструктивным исполнением, используется дополнительная цифра, которая пишется через дробь после номера модели (например, В7-65/1). Многофункциональные приборы могут иметь в обозначении типа дополнительную букву "К" (например, СК6-13).

А Приборы для измерения силы тока

Б Источники питания для измерений и измерительных приборов

В Приборы для измерения напряжения

Г Генераторы измерительные

Д Аттенюаторы и приборы для измерения ослаблений

Е Приборы для измерения параметров компонентов и цепей с сосредоточенными постоянными

И Приборы для импульсных измерений

К Комплексные измерительные установки

Л Приборы общего применения для измерения параметров электронных ламп и полупроводниковых приборов

М Приборы для измерения мощности

Н Меры и калибраторы

П Приборы для измерения напряженности поля и радиопомех

Р Приборы для измерения параметров элементов и трактов с распределенными постоянными

С Приборы для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра

Ф Приборы для измерения фазового сдвига и группового времени запаздывания

Х Приборы для наблюдения и исследования характеристик радиоустройств

Ц Анализаторы логических устройств

Ч Приборы для измерения частоты и времени

Ш Приборы для измерения электрических и магнитных свойств материалов

Э Измерительные устройства коаксиальных и волноводных трактов

Я Блоки радиоизмерительных приборов

По методу измерений измерительные устройства бывают прямого действия, реализующие метод непосредственной оценки, и устройства использующие метод сравнения.

Простейшим является метод непосредственной оценки, в котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора.

Наиболее точным является метод сравнения измеряемой величины с однородной независимой известной величиной. По способу осуществления метод сравнения может быть нулевым, дифференциальным, методом замещения, методом совпадения. При нулевом методе (иначе методе компенсации) результирующий эффект воздействия обеих величин на измерительный прибор доводят до нуля. При дифференциальном методе на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величин. При методе замещения измеряемую величину замещают (заменяют) однородной с ней величиной известного размера, который равен размеру замещенной величины, что определяется по сохранению режима в измеряемой цепи. При методе совпадения равенство значений измеряемой и известной величин фиксируется по совпадению отметок шкал, сигналов или другим признакам.

По точности измерений измерительные средства можно разделить на: эталоны, образцовые и рабочие средства измерений.

Эталон единицы - это средство измерений, обеспечивающее воспроизводство и (или) хранение единицы физической величины с целью передачи ее размера образцовым и рабочим средствам измерений.

Образцовое средство измерений - мера или измерительное устройство, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых.

Рабочее средство измерений - средство применяемое для измерений, не связанных с передачей размера единицы.

По способу обработки сигнала измерительной информации приборы делятся на аналоговые и цифровые.

В аналоговых приборах показания являются непрерывной функцией размера измеряемой величины, т.е. могут, как и измеряемая величина, принимать бесконечное множество значений.

В цифровых приборах непрерывная измеряемая величина дискретизируется по времени, квантуется по уровню, кодируется и в виде цифрового кода отображается на цифровом отсчетом устройстве. В результате показания цифрового прибора могут принимать лишь конечное число значений.

Цифровые средства измерения обеспечивают, как правило, большую точность и быстродействие. Однако не всегда цифровое устройство лучше аналогового. При большом числе одновременно измеряемых величин (контроль сложного объекта) или при динамическом изменении входной величины показания аналоговых приборов воспринимаются легче, обеспечивая оперативность анализа контролируемого процесса. Поэтому для повышения информативности отсчетные устройства современных цифровых приборов могут дополняться, так называемыми, линейными шкалами - определенным образом расположенными сегментами на цифровом индикаторе.

По способу отображения результата измерения аналоговые и цифровые приборы принято разделять на показывающие, допускающие только отсчитывание показаний, и регистрирующие, в которых предусмотрена возможность автоматической и (или) ручной регистрации показаний.

По способу применения и по конструкции измерительные устройства делятся на: щитовые, переносные (портативные) и стационарные.

1.3 Погрешности измерений и измерительных приборов

Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины является погрешностью измерения.

Абсолютная погрешность измерения (Δизм.) - разность между действительным и истинным значениями измеряемой величины: Δизм.=Хд. - Хи.

Относительная погрешность измерения (δизм.) - отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины, выраженное в %:

Для проведения любого измерения необходимо правильно выбрать метод измерения, средство измерения и исполнителя (оператора), чтобы полученный результат был максимально приближен к истинному значению измеряемой величины. В противном случае появляются методические, инструментальные или субъективные погрешности измерений.

Инструментальные погрешности измерений зависят от погрешностей применяемых средств измерений.

Абсолютная погрешность измерительного прибора (Δпр.) - разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины: Δпр.=Хпр. - Хд.

Относительная погрешность измерительного прибора (δпр.) - отношение абсолютной погрешности прибора к действительному (или измеренному, Хпр.) значению величины, выраженное в %:

Значение относительной погрешности зависит от значения измеряемой величины - при постоянной пр. она возрастает с уменьшением Хпр.. Поэтому максимальная точность измерений обеспечивается, когда показание прибора находится во второй половине диапазона измерений. Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности прибора. Допускаемой погрешностью считается погрешность прибора, при которой он может быть признан годным и допущен к применению.

Для сравнительной оценки точности измерительных устройств пользуются понятием приведенной погрешности прибора (γпр.), под которой понимают выраженное в % отношение абсолютной погрешности прибора к нормирующему значению шкалы:

В качестве X N чаще всего используют конечное значение диапазона измерений.

Погрешность, свойственная измерительному прибору при его эксплуатации в нормальных условиях, называется основной погрешностью. Для большинства средств измерений нормальными условиями эксплуатации считаются следующие: температура окружающей среды 20±5°С, относительная влажность 65±15%, напряжение питания 220 В±10% с частотой 50±1 Гц. При отклонении условий эксплуатации от нормальных (при рабочих условиях) появляются дополнительные погрешности.

Погрешности некоторых измерительных приборов зависят от текущего значения измеряемой величины Хпр., поэтому погрешности таких приборов представляют двучленными выражениями, в которых первое слагаемое не зависит от Хпр. (аддитивная погрешность), а второе зависит (мультипликативная погрешность):

где a, b - постоянные числа;

где Хк. - верхний предел измерений прибора;

c, d - постоянные числа в %, причём

Проявление погрешностей измерений и средств измерений может носить систематический и (или) случайный характер.

Систематическая погрешность - это составляющая погрешности, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одного и того же значения физической величины.

Случайная погрешность - составляющая погрешности, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одного и того же значения физической величины. Для исключения из результата измерения случайной погрешности проводят многократные измерения и их статистическую обработку.

Средство измерений в зависимости от его назначения и области применения должно удовлетворять определенным требованиям, из которых наиболее общими являются следующие:

Диапазон измерений должен охватывать все практически необходимые значения измеряемой величины;

Основная и дополнительная погрешности должны соответствовать решаемым при измерениях задачам;

Приборы, предназначенные для измерения режима электрических цепей и параметров радиосигналов, не должны существенно влиять на работу исследуемых устройств. Для этого используется последовательная или параллельная схема подключения, либо режим согласованной нагрузки;

Прибор должен надежно работать при заданных условиях эксплуатации, что достигается применением современной элементной базы и высокотехнологичным монтажом. Использование передовой SMТ-технологии значительно повышает коэффициент надежности современного измерительного оборудования;

Управление прибором должно быть максимально простым и удобным для пользователя;

В эпоху глобальной компьютеризации желательно иметь прибор с возможностью подключения к компьютеру (например, через RS-232);

Прибор должен удовлетворять требованиям техники безопасности при измерениях;

Если средство измерения предполагается использовать в сфере деятельности метрологического контроля, то оно в обязательном порядке должно иметь сертификат об утверждении типа средств измерений Госстандарта России.

Актуальность последнего пункта для импортных средств измерения диктуется временем: отечественная радиоэлектронная промышленность переживает существенный спад, поэтому для насыщения российского рынка высококачественным измерительным оборудованием необходимо, в первую очередь, обеспечить его метрологический контроль. Задача по внесению средств измерений в Госреестр требует больших финансовых и временных затрат, при этом орган сертификации подтверждает заявленные производителем метрологические характеристики и проверяет их соответствие российским стандартам. В связи с этим далеко не все поставщики импортного оборудования обеспечивают сертификацию предлагаемых средств измерений.

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОНЯТИЯ "СИЛА"

2.1 История понятия "сила"

Си́ла - векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности взаимодействия тел. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нем деформаций.

Сила, как векторная величина, характеризуется модулем и направлением. Второй закон Ньютона гласит, что в инерциальных системах отсчета ускорение движения материальной точки совпадает по направлению с приложенной силой; по модулю прямо пропорционально модулю силы и обратно пропорционально массе материальной точки. Или, что эквивалентно, в инерциальных системах отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна приложенной силе. Деформации являются следствием возникновения в теле внутренних напряжений.

Понятие силы использовали еще ученые античности в своих работах о статике и движении. Изучением сил в процессе конструирования простых механизмов занимался в III в. до н. э. Архимед. Представления Аристотеля о силе, связанные с фундаментальными несоответствиями, просуществовали в течение нескольких столетий. Эти несоответствия устранил в XVII в. Исаак Ньютон, используя для описания силы математические методы. Механика Ньютона оставалась общепринятой на протяжении почти трехсот лет. К началу XX в. Альберт Эйнштейн в теории относительности показал, что ньютоновская механика верна лишь в при сравнительно небольших скоростях движения и массах тел в системе, уточнив тем самым основные положения кинематики и динамики и описав некоторые новые свойства пространства-времени.

С точки зрения Стандартной модели физики элементарных частиц фундаментальные взаимодействия (гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное) осуществляются посредством обмена так называемыми калибровочными бозонами. Эксперименты по физике высоких энергий, проведенные в 70−80-х гг. XX в. подтвердили предположение о том, что слабое и электромагнитное взаимодействия являются проявлениями более фундаментального электрослабого взаимодействия.

Размерность силы в системах величин LMT - dim F = L M T−2, единица силы в Международной системе единиц (СИ) - ньютон (N, Н).

2.2 Законы Ньютона

Исаак Ньютон задался целью описать движение объектов, используя понятия инерции и силы. Сделав это, он попутно установил, что всякое механическое движение подчиняется общим законам сохранения. В 1687 г. Ньютон опубликовал свой знаменитый труд "Математические начала натуральной философии", в котором изложил три основополагающих закона классической механики (знаменитые законы Ньютона).

2.2.1 Первый закон Ньютона

Первый закон Ньютона утверждает, что существуют системы отсчета, в которых тела сохраняют состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии действий на них со стороны других тел или при взаимной компенсации этих воздействий. Такие системы отсчета называются инерциальными. Ньютон предположил, что каждый массивный объект имеет определенный запас инерции, который характеризует "естественное состояние" движения этого объекта. Эта идея отрицает взгляд Аристотеля, который рассматривал покой "естественным состоянием" объекта. Первый закона Ньютона противоречит аристотелевской физике, одним из положений которой является утверждение о том, что тело может двигаться с постоянной скоростью лишь под действием силы. Тот факт, что в механике Ньютона покой физически неотличим от равномерного прямолинейного движения, является обоснованием принципа относительности Галилея. Среди совокупности тел принципиально невозможно определить какие из них находится "в движении", а какие "покоятся". Говорить о движении можно лишь относительно какой-либо системы отсчета. Законы механики выполняются одинаково во всех инерциальных системах отсчета, другими словами все они механически эквивалентны. Последнее следует из так называемых преобразований Галилея.

Например, законы механики абсолютно одинаково выполняются в кузове грузовика, когда тот едет по прямому участку дороги с постоянной скорость и когда стоит на месте. Человек может подбросить мячик вертикально вверх и поймать его через некоторое время на том же самом месте вне зависимости от того движется ли грузовик равномерно и прямолинейно или покоится. Для него мячик летит по прямой. Однако для стороннего наблюдателя, находящегося на земле, траектория движения мячика имеет вид параболы. Это связано с тем, что мячик относительно земли движется во время полета не только вертикально, но и горизонтально по инерции в сторону движения грузовика. Для человека, находящегося в кузове грузовика не имеет значения движется ли последний по дороге, или окружающий мир перемещается с постоянной скоростью в противоположном направлении, а грузовик стоит на месте. Таким образом, состояние покоя и равномерного прямолинейного движения физически неотличимы друг от друга.

2.2.2 Второй закон Ньютона

Хотя второй закон Ньютона традиционно записывают в виде: F=ma, сам Ньютон записывал его несколько иначе, используя дифференциальное исчисление.

Считается, что это "вторая самая известная формула в физике", хотя сам Ньютон никогда явным образом не записывал свой второй закон в этом виде.

Поскольку в любой инерциальной системе отсчёта ускорение тела одинаково и не меняется при переходе от одной системы к другой, то и сила инвариантна по отношению к такому переходу.

Во всех явлениях природы сила, независимо от своего происхождения, проявляется только в механическом смысле, т.е. как причина нарушения равномерного и прямолинейного движения тела в инерциальной системе координат. Обратное утверждение, т.е установление факта такого движения, не свидетельствует об отсутствии действующих на тело сил, а лишь о том, что действия этих эти сил взаимно уравновешиваются. Иначе: их векторная сумма есть вектор с модулем, равным нулю. На этом основано измерение величины силы, когда она компенсируется силой, величина которой известна.

Второй закон Ньютона позволяет измерять величину силы. Например, знание массы планеты и ее центростремительного ускорения при движении по орбите позволяет вычислить величину силы гравитационного притяжения, действующую на эту планету со стороны Солнца.

2.2.3 Третий закон Ньютона

Для любых двух тел (назовем их тело 1 и тело 2) третий закон Ньютона утверждает, что любая сила, которая обусловлена действием тела 1 на тело 2, сопровождается появлением равной по модулю, но противоположной по направлению силы, действующей на тело 2 со стороны тела 1. Математически закон записывается так:

Этот закон означает, что силы всегда возникают парами "действие-противодействие". Если тело 1 и тело 2 находятся в одной системе, то суммарная сила в системе, обусловленная взаимодействием этих тел равна нулю:

Это означает, что в замкнутой системе не существует несбалансированных внутренних сил. Это приводит к тому, что центр масс замкнутой системы (то есть той, на которую не действуют внешние силы) не может двигаться с ускорением. Отдельные части системы могут ускоряться, но лишь таким образом, что система в целом остается в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Однако в том случае, если внешние силы подействуют на систему, то ее центр масс начнет двигаться с ускорением, пропорциональным внешней результирующей силе и обратно пропорциональным массе системы.

2.3 Фундаментальные взаимодействия

Все силы в природе основаны на четырех типах фундаментальных взаимодействий. Максимальная скорость распространения всех видов взаимодействия равна скорости света в вакууме. Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными телами, гравитационные − между массивными объектами. Сильное и слабое проявляются только на очень малых расстояниях, они ответственны за возникновение взаимодействия между субатомными частицами, включая нуклоны, из которых состоят атомные ядра.

Интенсивность сильного и слабого взаимодействия измеряетя в единицах энергии (электрон-вольтах), а не единицах силы, и потому применение к ним термина "сила" объясняется берущей из античности традицией объяснять любые явления в окружаемом мире действием специфических для каждого явления "сил".

Понятие силы не может быть применено по отношению к явлениям субатомного мира. Это понятие из арсенала классической физики, ассоциирующейся (пусть даже только подсознательно) с ньютоновскими представлениями о силах, действующих на расстоянии. В субатомной физике таких сил уже нет: их заменяют взаимодействия между частицами, происходящими через посредство полей, то есть каких-то других частиц. Поэтому физики избегают употреблять слово сила, заменяя его словом взаимодействие.

Каждый вид взаимодействия обусловлен обменом соответствующих переносчиков взаимодействия: гравитационное − обменом гравитонов (существование не подтверждено экспериментально), электромагнитное − виртуальных фотонов, слабое − векторных бозонов, сильное − пимезонов. В настоящее время электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в более фундаментальное электрослабое взаимодействие. Делаются попытки объединения всех четырех фундаментальных взаимодействие в одно (так называемая теория великого объединения).

Всё многообразие проявляющих себя в природе сил в принципе может быть сведено к этим четырем фундаментальным взаимодействиям. Например, трение − это проявление электромагнитных сил, действующих между атомами двух соприкасающихся поверхностей, и принципа запрета Паули, который не позволяет атомам проникать в область друг друга. Сила, возникающая при деформации пружины, описываемая законом Гука, также является результатом действия электромагнитных сил между частицами и принципа запрета Паули, заставляющих атомы кристаллической решетки вещества удерживаться около положения равновесия.

Однако на практике оказывается не только нецелесообразной, но и просто невозможной по условиям задачи подобная детализация рассмотрения вопроса о действии сил.

2.4 Гравитация

Гравитация (сила тяготения) - универсальное взаимодействие между любыми видами материи. В рамках классической механики описывается законом всемирного тяготения, сформулированным Исааком Ньютоном в его труде "Математические начала натуральной философии". Ньютон получил величину ускорения, с которым Луна движется вокруг Земли, положив при расчете, что сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от тяготеющего тела. Кроме этого, им же было установлено, что ускорение, обусловленное притяжением одного тела другим, пропорционально произведению масс этих тел. На основании этих двух выводов был сформулирован закон тяготения: любые материальные частицы притягиваются по направлению друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

Здесь G − гравитационная постоянная, значение которой впервые получил в своих опытах Генри Кавендиш. Используя данный закон, можно получить формулы для расчета силы тяготения тел произвольной формы. Теория тяготения Ньютона хорошо описывает движение планет Солнечной системы и многих других небесных тел. Однако, в ее основе лежит концепция дальнодействия, противоречащая теории относительности. Поэтому классическая теория тяготения неприменима для описания движения тел, перемещающихся со скоростью, близкой к скорости света, гравитационных полей чрезвычайно массивных объектов (например, черных дыр), а также переменных полей тяготения, создаваемых движущимися телами, на больших расстояниях от них.

Более общей теорией гравитации является общая теория относительности Альберта Эйнштейна. В ней гравитация не характеризуется силой. Вместо этого свободное движение тел в гравитационном поле, воспринимаемое наблюдателем как движение по искривленным траекториям в трехмерном пространстве-времени с переменной скоростью, рассматривается как движение по инерции по прямой линии в искривленном четырехмерном пространстве-времени, в котором время в разных точках течет по-разному. Причем это искривление таково, что пространственно-временной промежуток между двумя пространственно-временными положениями данного тела минимален. Искривление пространства зависит от массы тел, а также от всех видов энергии, присутствующих в системе.

2.5 Равнодействующая сила

Равнодействующая сила - геометрическая сумма всех сил, действующих на тело. При этом действие каждой силы не зависит от действия других, т.е. каждая сила сообщает телу такое ускорение, какое она сообщила бы в отсутствие действия других сил. Это утверждение носит название принципа независимости действия сил.

При расчёте ускорения тела все действующие на него силы заменяют одной силой, называемой равнодействующей.

3. ОПИСАНИЕ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ

3.1 Гравиметры

Рисунок 1 - Гравиметр

Согласно общепринятому определению, Гравиметр (от лат. gravis - тяжелый и...метр), прибор для относительного измерения ускорения силы тяжести. Большинство гравиметров представляет собой точные пружинные или крутильные весы. С помощью таких гравиметров измеряют разности ускорении силы тяжести по изменению деформации пружины или угла закручивания упругой нити, компенсирующих силу тяжести небольшого грузика. Измерения проводятся последовательно на исходном пункте, для которого ускорение силы тяжести известно, и на исследуемом пункте. Основная трудность в создании гравиметра состоит в необходимости обеспечить точное измерение малых упругих деформации в полевых условиях. Применяются оптические, фотоэлектрические, емкостные, индукционные и другие способы их регистрации. Применяются гравиметры основанные на измерениях изменения частоты колебаний струны, к нижнему концу которой подвешивается масса, или изменения скорости прецессии гироскопических приборов вследствие различных значении силы тяжести на гравиметрических пунктах.

3.2 Динамометры

Рисунок 2 – Динамометр

Согласно общепринятому определению, Динамометр (от динамо... и...метр), прибор для измерения силы или момента, состоит из силового звена (упругого элемента) и отсчётного устройства. В силовом звене динамометра измеряемое усилие преобразуется в деформацию, которая непосредственно или через передачу сообщается отсчётному устройству. Динамометром можно измерять усилия от нескольких н (долей кгс) до 1 Мн (100 тс). По принципу действия различают динамометры механические (пружинные или рычажные), гидравлические и электрические. Иногда в одном динамометре используют два принципа. По назначению динамометры разделяют на образцовые и рабочие (общего назначения и специальные). Образцовые динамометры. предназначены для поверки и градуировки рабочих динамометров и контроля усилий машин при испытании механических свойств различных материалов и изделий. По степени точности различают образцовые динамометры 1-го, 2-го и 3-го разрядов. Динамометры 1-го разряда предназначаются для поверки образцовых динамометров 2-го разряда, которые, в свою очередь, применяются для поверки и градуировки динамометров 3-го разряда и поверки динамометров общего назначения. Динамометры 3-го разряда служат для поверки и градуировки испытательных машин и приборов, изготовляются с упругими элементами в виде замкнутых скоб, работающих в основном на изгиб, и замкнутых скоб или стержней, испытывающих деформацию сжатия или растяжения.

3.3 Прибор для измерения силы сжатия

Прибор для измерения силы сжатия - измерительный прибор, предназначенный для измерения силы (см.сила) сжатия створок автоматически закрывающихся систем, таких как двери автобусов, трамваев, вагонов поездов, метро, а также двери пассажирских и грузовых лифтов, гаражные ворота, автомобильные окна, сдвигающиеся люки на крыше и т. п., которые могут, в случае неправильной юстировки, стать причиной травмирования людей. Для предотвращения подобных случаев, внедрены законодательные Предписания, которые устанавливают технические Нормы, определяющие границы сил сжатия в закрывающихся системах. Эти нормы приведены на странице. Данные Нормы обязательны во всех странах Европейского союза, а также используються в США, Японии, Китае, Саудовской Аравии, Австралии и других странах мира. В России такие проверки осуществляются при эксплуатации нового железнодорожного экспресса InterCityExpress (ICE) Москва-Петербург (разработка фирмы Siemens AG и Bombardier), а также в петербургском филиале автобусной фирмы "Scania AB". Прибор состоит из сенсора-приемника механического давления и электронного блока для преобразования, обработки, оценки и сохранения измеряемых величин. В зависимости от области применения, диапазона сил и других требований норм, наиболее известны следующие типы приборов: BIA Kl.1 - система для измерения и оценки силы сжатия дверей автобусов, трамваев, метро и железнодорожных вагонов. Диапазон измеряемых сил: от 10 до 300 ньютон (пружинная константа - 10 N/mm (Ньютон/миллиметр)). С помощью этого прибора проводится измерение силы сжатия на соответствие стандартов: 2001/85/EG (для автобусных дверей), prEN 14752 (для дверей рельсовых транспортных средств),FM100 - система для измерения и оценки сил сжатия дверей и ворот. Диапазон измеряемых сил: от 2 до 2000 ньютон, (пружинная константа 500 N/mm). С помощью этой системы проводится измерение силы сжатия закрывающихся дверей и ворот на соответствие стандартам: EN 12453/12445. FM200 - система для измерения и оценки сил сжатия автоматически закрывающихся окон, верхних люков и багажников в автомобилях. Диапазон измеряемых сил: от 2 до 300 ньютон, (пружинная константа 10, 20, 65, 100 N/mm). С помощью данной системы проводится измерение силы сжатия автомобильных закрывающихся систем на соответствие стандартам: 2000/4/EG, FMVSS 118, 74/60 EWG. FM300 - система для измерения и оценки сил сжатия закрывающихся дверей пассажирских лифтов. Диапазон измеряемых сил: от 2 до 750 ньютон, (пружинная константа 25 N/mm). С помощью данной системы проводится измерение силы сжатия внешних и внутренних дверей пассажирских лифтов на соответствие стандартам:EN 81-1, EN 953. Эти системы, совместно с универсальным, компактным электронным блоком, обеспечивают измерение сил в статическом и динамическом режимах, с погрешностью не более +/- 3,0%. Сохраненные в электронном блоке результаты измерений, далее обрабатываются на компьютере с помощью специальной программы "Pinch Pilot".

3.4 Амперметр

Рисунок 3 - Амперметр

Амперме́тр - прибор для измерения силы тока в амперах. Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи, силу тока в котором измеряют; для увеличения предела измерений - с шунтом или через трансформатор. (Примером амперметра с трансформатором являются "токовые клещи")

Общая характеристика.

Наиболее распространены амперметры, в которых движущаяся часть прибора со стрелкой поворачивается на угол, пропорциональный величине измеряемого тока.

Амперметры бывают магнитоэлектрическими, электромагнитными, электродинамическими, тепловыми, индукционными, детекторными, термоэлектрическими и фотоэлектрическими.

Магнитоэлектрическими амперметрами измеряют силу постоянного тока; индукционными и детекторными - силу переменного тока; амперметры других систем измеряют силу любого тока. Самыми точными и чувствительными являются магнитоэлектрические и электродинамические амперметры.

Принцип действия магнитоэлектрического прибора основан на создании крутящего момента, благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит через обмотку рамки. С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале. Угол поворота стрелки пропорционален силе тока.

Электродинамические амперметры состоят из неподвижной и подвижной катушек, соединённых параллельно или последовательно. Взаимодействия между токами, которые проходят через катушки, вызывает отклонения подвижной катушки и соединённой с нею стрелки. В электрическом контуре амперметр соединяется последовательно с нагрузкой, а при высоком напряжении или больших токах - через трансформатор.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

История наук, нуждающихся в измерениях, показывает, что точность методов измерений и измерительных приборов и построения соответственных измерений и измерительных приборов постоянно возрастают. Результатом этого роста является новая формулировка законов природы.

Измерения и измерительные приборы – законы явлений природы, как выражения количественных отношений между факторами явлений, выводятся на основании измерений этих факторов. Приборы приспособленные к таким измерениям, называются измерительными. Всякое измерение, какой бы ни было сложности, сводится к измерениям и измерительным приборам пространственности, времени, движения и давления, для чего могут быть избраны единицы мер условные, но постоянные или же так называемые абсолютные.

Как бы старательно ни делались измерения и измерительные приборы при повторении их, в х опыта, по-видимому одинаковых, всегда замечаются нетождественные результаты. Сделанные наблюдения требуют математической обработки, иногда весьма сложной; только после этого можно пользоваться найденными величинами для тех или других выводов.

Цель изучения измерительных приборов состоит в том, чтобы будущий инженер получил необходимый минимум теоретических знаний о методах измерений, устройстве и принципе работы современных приборов и электронных устройств, используемых в современной электротехнике.
Показывающий и регистрирующий прибор ДИСК-250 предназначен для измерения и регистрации силы (только ДИСК-250) и напряжения постоянного тока, а также...

Понятие и классификация средств измерений

Например, амперметр является видом средства измерений для измерения силы тока. Возможность или невозможность использования средства измерения для решения поставленной измерительной задачи характеризуется такими понятиями, как метрологическая...

Принцип действия динамометра известен не очень большому количеству людей, собственно, как и сам этот прибор. Мы исправим это недоразумение, составив краткую характеристику такого инструмента. Возможно, он мог бы решить некоторые ваши задачи, а вы об этом и не догадывались!

1 Что же это за машина, что способна измерить силу?

Его относят к приборам, измеряющим силы или силовые моменты. Промышленные предприятия, на которых требуются силовые измерения, применяют подобные приспособления. Часто они необходимы для того, чтобы осуществить плановые поверки стендов, а также агрегатов, которые предназначены для различных испытаний. Используют их и при поверках силовых приборов, когда требуется определить силы 1 или 3 разрядов. Широко применяются данные приборы и в качестве эталонных средств по ГОСТу 8.065 и в тех работах, где нужно производить калибровку.

Первым прибором, который помогал измерить силы, были весы. Впервые их изображение появилось в печати в семнадцатом веке. В следующем столетии Сальтером было предложено для подобных целей устройство с пружиной, при помощи груза она растягивалась. Был прибор с циферблатом, там измерение выполнялось замкнутой кольцеобразной пружиной. Уже позже появились нажимы Прони и динамометры Томсона, Броуна, Межи и Геффнер-Альтенека. Последние модели усовершенствовали, и на сегодняшний день представилась возможность использовать их во многих отраслях.

Основные элементы, которые включают динамометры растяжения: силовое звено (упругий элемент) и отсчетное устройство. В силовом звене идет непосредственно измерение усилий: там происходит деформация или небольшие колебания. С их помощью и передаются сигналы на отсчетное устройство. Такими инструментами измеряются усилия в таких единицах измерения, как Ньютоны и килограмм-сила.

Итак, что измеряют динамометром, мы разобрались, теперь посмотрим, как подразделяются данные приборы по принципу действия. Они бывают механическими, которые классифицируют на пружинные и рычажные, гидравлическими и электрическими . Кроме таких прикладных задач, бывают и специфические разновидности силового прибора, например, тормозные и трансмиссионные. Теперь остановимся на каждом подробнее.

2 Виды силомерных инструментов – как они работают?

Механические инструменты такого вида делятся на пружинные и рычажные.

Ручной пружинный динамометр устроен так, что сила передается пружинам, они, в свою очередь, будут сжиматься и растягиваться, а направление уже будут создавать приложенные силы. После сжатий и растягиваний на приборе будут видны показатели. Вот они и будут основными величинами, именно их он и регистрирует.
В рычажных моделях деформация образуется с помощью установленного рычага.

Принцип работы гидравлического прибора основан на вымещениях измеряемой силой жидкостей из цилиндров. В конструкции имеется специальное цилиндрическое устройство, заполненное жидкостью. Когда на приспособлении создается усилие, то жидкость подступает к трубке и затем к аппарату, который записывает и регистрирует показатели. Таким нехитрым законом физики получилось создать довольно точный прибор.

А что же что измеряется динамометром электрического типа? Приборы такого вида состоят из датчиков, с их помощью преобразуется деформация от воздействий сил в электрические сигналы. Также имеются и дополнительные датчики, они усиливают и записывают электрические сигналы от первых датчиков. Если необходимо преобразовывать силы или силовые моменты в деформацию, то нужно пользоваться индуктивными, пьезоэлектрическими, тензорезисторными и вибрационно-частотными датчиками сопротивлений.

Когда будет создаваться силовой момент, то датчик тут же будет деформироваться, а токи моста сопротивлений будут меняться. У электрических сигналов силы всегда пропорциональны деформациям элементов, а значит, и силам воздействий. При помощи второго датчика будет усиливаться сигнал, а показатели будут записываться для следующей обработки.

Принцип работы тормозного измерителя силы основан на поглощении мощностей обследуемых агрегатов. Приборы такого типа отличаются конструктивными решениями, то есть могут быть установлены в тормоза разных видов. Это могут быть гидравлические тормоза Прони или электромагнитные, а с помощью двигателей определяется мощность. Во время работы происходит воздействие на вал, и вращательными усилиями или крутящими моментами происходит измерение прибором. Наиболее часто измеряется скорость вращений валов при помощи тахометра.

Результаты измерений сопоставляются, находится входная и выходная мощности прибора. При помощи гидравлического тормоза есть возможность измерить мощность на агрегатах с высокими оборотами.

В приборах трансмиссионного типа установлено устройство – тензодатчик. Он тесно связан с приводным валом, с его же помощью происходит и измерение деформаций кручений. Деформации меняют электрические сопротивления на тензодатчике. Наиболее часто такими приборами пользуются на судовых двигателях.

3 Почему не каждый слышал про динамометр?

Почему мы редко слышим об использовании этого приспособления? На самом деле, это очень специфический прибор, и сферы его применения не так доступны. Например, инструменты для замера силы широко применяются там, где необходимо измерять требуемую мощность для сжатия створок. Это почти все автоматически закрывающиеся системы. Работу таких приборов можно увидеть в дверях трамваев или автобусов. Под контролем такого приспособления открываются двери в вагонах поездов, метро, грузовых и пассажирских лифтов, автомобильных окон, сдвигающихся люков на крыше...

Если вспомнить некоторые случаи из жизни, то можно представить и различные травмы от таких дверей. Поэтому при разработке любых конструкций с такими приборами созданы специальные нормы и правила, не только связанные с установками, но и с их пользованием. При разработке рассчитываются все необходимые значения сил сжатий, особенно если это закрывающиеся системы. Производители учитывают все показатели при конструировании подобных механизмов.

4 Как развивается этот прибор сегодня?

Современная промышленность не останавливается на достигнутом. Появления таких приборов в жизни людей позволили создавать много полезных устройств, которые облегчают жизнь. Производители в своей работе используют новые открытия, новые технологии. Постепенно старые модели уходят из обихода и появляются новые, более удобные. Так, на сегодняшний день вместо привычных механических все больше используются электронные силомеры. Они отличаются составляющими элементами.

Устройство содержит тензодатчик, то есть силовой датчик, измерительные индикаторы и соединительные провода или радиоканалы. Принцип работы такого вида прибора основан на измерении деформаций тензометрическим датчиком за счет воздействий прикладываемых сил. В процессе работы образуется электрический сигнал, полностью прямо пропорциональный сообщенной деформации. Полученные показатели и являются силовыми величинами.

В настоящее время именно такими приборами пользуются во многих промышленных отраслях для поверок испытательных машин, либо стендов. Поэтому производители стараются выпускать чаще такие приборы, предназначение которых – определять не только изменяющиеся, но и статические силы растяжений и сжатий. Последняя модель измерительного прибора СИУ2 и СИУ работает именно с помощью инструмента сжатий. Их применение наиболее востребовано на предприятиях, где необходимо проводить проверки испытательных конструкций.

3. ОПИСАНИЕ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ

3.1 Гравиметры

Рисунок 1 - Гравиметр

3.2 Динамометры

Рисунок 2 – Динамометр

3.3 Прибор для измерения силы сжатия

3.4 Амперметр

Рисунок 3 - Амперметр

Общая характеристика.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как бы старательно ни делались измерения и измерительные приборы при повторении их, в обстоятельствах опыта, по-видимому одинаковых, всегда замечаются нетождественные результаты. Сделанные наблюдения требуют математической обработки, иногда весьма сложной; только после этого можно пользоваться найденными величинами для тех или других выводов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Авдеев Б.Я. и др. Основы метрологии и электрические измерения. Л., 1987. – 321с.

2. Атамалян Э.Г. и др. Приборы и методы измерения электрических величин. М., 1982 – 245с.

3. ГОСТ 15094-86 Средства измерений электронные. Наименования и обозначения.

4. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Механика. - Издание 5-е, стереотипное. - М.: Физматлит, 2004. - 224 с.

5. Малиновский В.Н. и др. Электрические измерения. М., 1985 – 323с.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

ВВЕДЕНИЕ

1.1 Терминология

1.3 Погрешность измерений и измерительных приборов

2.1 История понятия "сила"

2.2 Законы Ньютона

2.2.1 Первый закон Ньютона

2.2.2 Второй закон Ньютона

2.2.3 Третий закон Ньютона

2.4 Гравитация

2.5 Равнодействующая сила

3.1 Гравиметры

3.2 Динамометры

3.4 Амперметры

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Измерительный прибор - средство измерений, дающее возможность непосредственно отсчитывать значения измеряемой величины. В аналоговых измерительных приборах отсчитывание производится по шкале, в цифровых - по цифровому отсчётному устройству. Показывающие измерительные приборы предназначены только для визуального отсчитывания показаний, регистрирующие измерительные приборы снабжены устройством для их фиксации, чаще всего на бумаге. Регистрирующие измерительные приборы подразделяются на самопишущие, позволяющие получать запись показаний в виде диаграммы, и печатающие, обеспечивающие печатание показаний в цифровой форме. В измерительных приборах прямого действия (например, манометре, амперметре) осуществляется одно или несколько преобразований измеряемой величины, и значение её находится без сравнения с известной одноимённой величиной. В измерительных приборах сравнения непосредственно сравнивается измеряемая величина с одноимённой величиной, воспроизводимой мерой (примеры -- равноплечные весы, электроизмерительный потенциометр, компаратор для линейных мер). К разновидностям измерительных приборов относятся интегрирующие измерительные приборы, в которых подводимая величина подвергается интегрированию по времени или по другой независимой переменной (электрические счётчики, газовые счётчики), и суммирующие измерительные приборы, дающие значение двух или нескольких величин, подводимых по различным каналам (ваттметр, суммирующий мощности нескольких электрических генераторов).

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗМЕРЕНИЙ

1.1 Терминология

Основные метрологические термины:

Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Принцип измерения - совокупность физических явлений, на которых основано данное измерение.

Метод измерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

1.2 Классификация средств измерений

По функциональному назначению все средства измерения делятся на:

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

По принципу измерений различают электроизмерительные и радиоизмерительные приборы.

А Приборы для измерения силы тока

Б Источники питания для измерений и измерительных приборов

В Приборы для измерения напряжения

Г Генераторы измерительные

Д Аттенюаторы и приборы для измерения ослаблений

Е Приборы для измерения параметров компонентов и цепей с сосредоточенными постоянными

И Приборы для импульсных измерений

К Комплексные измерительные установки

Л Приборы общего применения для измерения параметров электронных ламп и полупроводниковых приборов

М Приборы для измерения мощности

Н Меры и калибраторы

П Приборы для измерения напряженности поля и радиопомех

Р Приборы для измерения параметров элементов и трактов с распределенными постоянными

С Приборы для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра

У Усилители измерительные

Ф Приборы для измерения фазового сдвига и группового времени запаздывания

Х Приборы для наблюдения и исследования характеристик радиоустройств

Ц Анализаторы логических устройств

Ч Приборы для измерения частоты и времени

Ш Приборы для измерения электрических и магнитных свойств материалов

Э Измерительные устройства коаксиальных и волноводных трактов

Я Блоки радиоизмерительных приборов

Рабочее средство измерений - средство применяемое для измерений, не связанных с передачей размера единицы.

По способу обработки сигнала измерительной информации приборы делятся на аналоговые и цифровые.

1.3 Погрешности измерений и измерительных приборов

Абсолютная погрешность измерения (Дизм.) - разность между действительным и истинным значениями измеряемой величины: Дизм.=Хд. - Хи.

Относительная погрешность измерения (дизм.) - отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины, выраженное в %:

Инструментальные погрешности измерений зависят от погрешностей применяемых средств измерений.

Абсолютная погрешность измерительного прибора (Дпр.) - разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины: Дпр.=Хпр. - Хд.

Относительная погрешность измерительного прибора (дпр.) - отношение абсолютной погрешности прибора к действительному (или измеренному, Хпр.) значению величины, выраженное в %:

Для сравнительной оценки точности измерительных устройств пользуются понятием приведенной погрешности прибора (гпр.), под которой понимают выраженное в % отношение абсолютной погрешности прибора к нормирующему значению шкалы:

В качестве X N чаще всего используют конечное значение диапазона измерений.

где a, b - постоянные числа;

где Хк. - верхний предел измерений прибора;

c, d - постоянные числа в %, причём

Диапазон измерений должен охватывать все практически необходимые значения измеряемой величины;

Основная и дополнительная погрешности должны соответствовать решаемым при измерениях задачам;

Управление прибором должно быть максимально простым и удобным для пользователя;

Прибор должен удовлетворять требованиям техники безопасности при измерениях;

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОНЯТИЯ "СИЛА"

2.1 История понятия "сила"

Симла -- векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности взаимодействия тел. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нем деформаций.

С точки зрения Стандартной модели физики элементарных частиц фундаментальные взаимодействия (гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное) осуществляются посредством обмена так называемыми калибровочными бозонами. Эксперименты по физике высоких энергий, проведенные в 70?80-х гг. XX в. подтвердили предположение о том, что слабое и электромагнитное взаимодействия являются проявлениями более фундаментального электрослабого взаимодействия.

Размерность силы в системах величин LMT -- dim F = L M T?2, единица силы в Международной системе единиц (СИ) -- ньютон (N, Н).

2.2 Законы Ньютона

2.2.1 Первый закон Ньютона

2.2.2 Второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона в современной формулировке звучит так: в инерциальной системе отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна векторной сумме всех сил, действующих на эту точку.

2.2.3 Третий закон Ньютона

2.3 Фундаментальные взаимодействия

Все силы в природе основаны на четырех типах фундаментальных взаимодействий. Максимальная скорость распространения всех видов взаимодействия равна скорости света в вакууме. Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными телами, гравитационные? между массивными объектами. Сильное и слабое проявляются только на очень малых расстояниях, они ответственны за возникновение взаимодействия между субатомными частицами, включая нуклоны, из которых состоят атомные ядра.

Каждый вид взаимодействия обусловлен обменом соответствующих переносчиков взаимодействия: гравитационное? обменом гравитонов (существование не подтверждено экспериментально), электромагнитное? виртуальных фотонов, слабое? векторных бозонов, сильное? пимезонов. В настоящее время электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в более фундаментальное электрослабое взаимодействие. Делаются попытки объединения всех четырех фундаментальных взаимодействие в одно (так называемая теория великого объединения).

Всё многообразие проявляющих себя в природе сил в принципе может быть сведено к этим четырем фундаментальным взаимодействиям. Например, трение? это проявление электромагнитных сил, действующих между атомами двух соприкасающихся поверхностей, и принципа запрета Паули, который не позволяет атомам проникать в область друг друга. Сила, возникающая при деформации пружины, описываемая законом Гука, также является результатом действия электромагнитных сил между частицами и принципа запрета Паули, заставляющих атомы кристаллической решетки вещества удерживаться около положения равновесия.

2.4 Гравитация

Гравитация (сила тяготения) -- универсальное взаимодействие между любыми видами материи. В рамках классической механики описывается законом всемирного тяготения, сформулированным Исааком Ньютоном в его труде "Математические начала натуральной философии". Ньютон получил величину ускорения, с которым Луна движется вокруг Земли, положив при расчете, что сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от тяготеющего тела. Кроме этого, им же было установлено, что ускорение, обусловленное притяжением одного тела другим, пропорционально произведению масс этих тел. На основании этих двух выводов был сформулирован закон тяготения: любые материальные частицы притягиваются по направлению друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

Здесь G ? гравитационная постоянная, значение которой впервые получил в своих опытах Генри Кавендиш. Используя данный закон, можно получить формулы для расчета силы тяготения тел произвольной формы. Теория тяготения Ньютона хорошо описывает движение планет Солнечной системы и многих других небесных тел. Однако, в ее основе лежит концепция дальнодействия, противоречащая теории относительности. Поэтому классическая теория тяготения неприменима для описания движения тел, перемещающихся со скоростью, близкой к скорости света, гравитационных полей чрезвычайно массивных объектов (например, черных дыр), а также переменных полей тяготения, создаваемых движущимися телами, на больших расстояниях от них.

2.5 Равнодействующая сила

При расчёте ускорения тела все действующие на него силы заменяют одной силой, называемой равнодействующей.

3. ОПИСАНИЕ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ

3.1 Гравиметры

Рисунок 1 - Гравиметр

3.2 Динамометры

Рисунок 2 - Динамометр

3.3 Прибор для измерения силы сжатия

Прибор для измерения силы сжатия -- измерительный прибор, предназначенный для измерения силы (см.сила) сжатия створок автоматически закрывающихся систем, таких как двери автобусов, трамваев, вагонов поездов, метро, а также двери пассажирских и грузовых лифтов, гаражные ворота, автомобильные окна, сдвигающиеся люки на крыше и т. п., которые могут, в случае неправильной юстировки, стать причиной травмирования людей. Для предотвращения подобных случаев, внедрены законодательные Предписания, которые устанавливают технические Нормы, определяющие границы сил сжатия в закрывающихся системах. Эти нормы приведены на странице. Данные Нормы обязательны во всех странах Европейского союза, а также используються в США, Японии, Китае, Саудовской Аравии, Австралии и других странах мира. В России такие проверки осуществляются при эксплуатации нового железнодорожного экспресса InterCityExpress (ICE) Москва-Петербург (разработка фирмы Siemens AG и Bombardier), а также в петербургском филиале автобусной фирмы "Scania AB". Прибор состоит из сенсора-приемника механического давления и электронного блока для преобразования, обработки, оценки и сохранения измеряемых величин. В зависимости от области применения, диапазона сил и других требований норм, наиболее известны следующие типы приборов: BIA Kl.1 - система для измерения и оценки силы сжатия дверей автобусов, трамваев, метро и железнодорожных вагонов. Диапазон измеряемых сил: от 10 до 300 ньютон (пружинная константа - 10 N/mm (Ньютон/миллиметр)). С помощью этого прибора проводится измерение силы сжатия на соответствие стандартов: 2001/85/EG (для автобусных дверей), prEN 14752 (для дверей рельсовых транспортных средств),FM100 - система для измерения и оценки сил сжатия дверей и ворот. Диапазон измеряемых сил: от 2 до 2000 ньютон, (пружинная константа 500 N/mm). С помощью этой системы проводится измерение силы сжатия закрывающихся дверей и ворот на соответствие стандартам: EN 12453/12445. FM200 - система для измерения и оценки сил сжатия автоматически закрывающихся окон, верхних люков и багажников в автомобилях. Диапазон измеряемых сил: от 2 до 300 ньютон, (пружинная константа 10, 20, 65, 100 N/mm). С помощью данной системы проводится измерение силы сжатия автомобильных закрывающихся систем на соответствие стандартам: 2000/4/EG, FMVSS 118, 74/60 EWG. FM300 - система для измерения и оценки сил сжатия закрывающихся дверей пассажирских лифтов. Диапазон измеряемых сил: от 2 до 750 ньютон, (пружинная константа 25 N/mm). С помощью данной системы проводится измерение силы сжатия внешних и внутренних дверей пассажирских лифтов на соответствие стандартам:EN 81-1, EN 953. Эти системы, совместно с универсальным, компактным электронным блоком, обеспечивают измерение сил в статическом и динамическом режимах, с погрешностью не более +/- 3,0%. Сохраненные в электронном блоке результаты измерений, далее обрабатываются на компьютере с помощью специальной программы "Pinch Pilot".

3.4 Амперметр

Рисунок 3 - Амперметр

Ампермемтр -- прибор для измерения силы тока в амперах. Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи, силу тока в котором измеряют; для увеличения предела измерений -- с шунтом или через трансформатор. (Примером амперметра с трансформатором являются "токовые клещи")

Общая характеристика.

Магнитоэлектрическими амперметрами измеряют силу постоянного тока; индукционными и детекторными -- силу переменного тока; амперметры других систем измеряют силу любого тока. Самыми точными и чувствительными являются магнитоэлектрические и электродинамические амперметры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Измерения и измерительные приборы - законы явлений природы, как выражения количественных отношений между факторами явлений, выводятся на основании измерений этих факторов. Приборы приспособленные к таким измерениям, называются измерительными. Всякое измерение, какой бы ни было сложности, сводится к измерениям и измерительным приборам пространственности, времени, движения и давления, для чего могут быть избраны единицы мер условные, но постоянные или же так называемые абсолютные.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Авдеев Б.Я. и др. Основы метрологии и электрические измерения. Л., 1987. - 321с.

2. Атамалян Э.Г. и др. Приборы и методы измерения электрических величин. М., 1982 - 245с.

3. ГОСТ 15094-86 Средства измерений электронные. Наименования и обозначения.

4. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Механика. -- Издание 5-е, стереотипное. -- М.: Физматлит, 2004. -- 224 с.

5. Малиновский В.Н. и др. Электрические измерения. М., 1985 - 323с.

Подобные документы

Виды и категории сил в природе. Виды фундаментальных взаимодействий. Уравнения Ньютона для неинерциальной системы отсчета. Определение силы электростатического взаимодействия двух точечных зарядов. Деформация растяжения и сжатия стержня, закон Гука.

презентация , добавлен 13.02.2016

Изучение понятия "вес тела" - силы, с которой это тело действует на опору или подвес, вследствие действия на него силы тяжести. Обозначение и направление веса тела. Характеристика принципа работы и видов динамометров – приборов для измерения силы (веса).

презентация , добавлен 13.12.2010

Определение погрешностей средства измерений, реализация прибора в программной среде National Instruments, Labview. Перечень основных метрологических характеристик средства измерений. Мультиметр Ц4360, его внешний вид. Реализация виртуального прибора.

курсовая работа , добавлен 09.04.2015

Прямые и косвенные измерения напряжения и силы тока. Применение закона Ома. Зависимость результатов прямого и косвенного измерений от значения угла поворота регулятора. Определение абсолютной погрешности косвенного измерения величины постоянного тока.

лабораторная работа , добавлен 25.01.2015

Гравитационные, электромагнитные и ядерные силы. Взаимодействие элементарных частиц. Понятие силы тяжести и тяготения. Определение силы упругости и основные виды деформации. Особенности сил трения и силы покоя. Проявления трения в природе и в технике.

презентация , добавлен 24.01.2012

Сущность, особенности и свойства взаимодействия тел. Понятие силы как меры ускорения, ее характерные признаки и единицы измерения, а также формулы расчета ее основных видов в электродинамике и механике. Общая характеристика законов динамики И. Ньютона.

презентация , добавлен 15.12.2010

Построение и численное решение моделей на основе фундаментальных законов природы (законов Ньютона, Закона всемирного тяготения). Модель движения лодки. Движение точки под действием центральных сил. Исследование движения планеты в системе двух звезд.

практическая работа , добавлен 22.05.2013

Структурно-классификационная модель единиц, видов и средств измерений. Виды погрешностей, их оценка и обработка в Microsoft Excel. Определение класса точности маршрутизатора, магнитоэлектрического прибора, инфракрасного термометра, портативных весов.

курсовая работа , добавлен 06.04.2015

Измерения на основе магниторезистивного, тензорезистивного, терморезистивного и фоторезистивного эффектов. Источники погрешностей, ограничивающих точность измерений. Рассмотрение примеров технических устройств, основанных на резистивном эффекте.

курсовая работа , добавлен 20.05.2015

Определение динамики, классической механики. Инерциальные системы отсчета. Изучение законов Ньютона. Основы фундаментального взаимодействия тел. Импульс силы, количество движения. Единицы измерения работы и мощности. Свойства потенциального поля сил.