Физические основы измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ухтинский государственный технический университет» (УГТУ)

Институт экономики и управления

Кафедра Метрологии, стандартизации и сертификации.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине: Физические измерения и эталоны («Физические основы измерений»)

Выполнил:

студент 2курса

группа: СМ- 12

Кладницкий С.В.

Ухта - 2014

1. Основные еденицы системы Си

2. Гиромагнитное отношение протона

Гиромагнимтное отношемние (магнитомеханимческое отношемние) -- отношение дипольного магнитного момента элементарной частицы (или системы элементарных частиц) к её механическому моменту.

В системе СИ единицей измерения гиромагнитного отношения является с·А·кг?1 = с?1·Тл?1. Часто подразумевается, что гиромагнитное отношение измеряется в единицах q/2mc, где с-- скорость света, q и m -- заряд и масса частицы, соответственно. В этом случае оно выражается безразмерной величиной.

Для различных состояний атомной системы гиромагнитное отношение определяется формулой:

где g -- множитель Ланде, г0 -- единица гиромагнитного отношения:

где e -- элементарный заряд, me -- масса электрона, с -- скорость света.

В случае ядер, за единицу гиромагнитного отношения принимают величину:

где mp -- масса протона.

Согласно классической теории, гиромагнитное отношение является коэффициентом пропорциональности между угловой скоростью прецессии магнитного момента, помещённого во внешнее магнитное поле, и вектором магнитной индукции.

В квантовой теории гиромагнитным отношением определяется величина расщепления уровней в эффекте Зеемана.

3. Квантовый эффект Джозеферсона

Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона.

Стационарный эффект.

При пропускании через контакт тока, величина которого не превышает критическую, падение напряжения на контакте отсутствует (несмотря на наличие слоя диэлектрика). Эффект этот вызван тем, что электроны проводимости проходят через диэлектрик без сопротивления за счёт туннельного эффекта. Нетривиальность эффекта состоит в том, что сверхпроводящий ток переносится коррелированными парами электронов (куперовскими парами) и, на первый взгляд, должен быть пропорционален квадрату туннельной прозрачности контакта и, ввиду чрезвычайной малости последней, практически ненаблюдаемым. В действительности туннелирование куперовской пары -- специфический когерентный эффект, вероятность которого порядка вероятности туннелирования одиночного электрона, в связи с чем, максимальная величина тока Джозефсона может достигать величины обычного туннельного тока через контакт при напряжении порядка щели в энергетическом спектре сверхпроводника. По современным представлениям, микроскопическим механизмом туннелирования куперовских пар является андреевское отражение квазичастиц, локализованных в потенциальной яме в области контакта.

Нестационарный эффект.

При пропускании через контакт тока, величина которого превышает критическую, на контакте возникает падение напряжения , и контакт при этом начинает излучать электромагнитные волны. При этом частота такого излучения определяется как

,

где -- заряд электрона, -- постоянная Планка.

Возникновение излучения связано с тем, что объединённые в пары электроны, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт приобретают избыточную по отношению к основному состоянию сверхпроводника энергию . Единственная возможность для пары электронов вернуться в основное состояние -- это излучить квант электромагнитной энергии .

Применение:

Используя нестационарный эффект Джозефсона, можно измерять напряжение с очень высокой точностью.

Эффект Джозефсона используется в сверхпроводящих интерферометрах, содержащих два параллельных контакта Джозефсона. При этом сверхпроводящие токи, проходящие через контакт, могут интерферировать. Оказывается, что критический ток для такого соединения чрезвычайно сильно зависит от внешнего магнитного поля, что позволяет использовать устройство для очень точного измерения магнитных полей.

Если в переходе Джозефсона поддерживать постоянное напряжение, то в нём возникнут высокочастотные колебания. Этот эффект, называемый джозефсоновской генерацией, впервые наблюдали И. К. Янсон, В. М. Свистунов и И. М. Дмитренко. Возможен, конечно, и обратный процесс -- джозефсоновское поглощение. Таким образом, джозефсоновский контакт можно использовать как генератор электромагнитных волн или как приёмник (эти генераторы и приёмники могут работать в диапазонах частот, недостижимых другими методами).

В длинном джозефсоновском переходе (ДДП) вдоль перехода может двигаться солитон (Джозефсоновский вихрь), перенося квант магнитного потока. Существуют и многосолитонные состояния, переносящие целое число квантов потока. Их движения описываются нелинейным уравнением синус-Гордона. Такой джозефсоновский солитон подобен солитону Френкеля(число квантов потока сохраняется). Если изолирующий слой сделать неоднородным, то солитоны будут «цепляться» за неоднородности, и, чтобы сдвинуть их, придётся приложить достаточно большое внешнее напряжение. Таким образом, солитоны можно накапливать и пересылать вдоль перехода: естественно было бы попытаться использовать их для записи и передачи информации в системе большого числа связанных между собой ДДП (квантовый компьютер).

В конце 80-х годов в Японии был создан экспериментальный процессор на эффекте Джозефсона. Хотя 4-разрядное АЛУ делало его неприменимым на практике, данное научное исследование было серьёзным экспериментом, открывающим перспективы на будущее.

4. Двухлучевой интерферометр Майкольсона

Интерферометр Майкельсона -- двухлучевой интерферометр, изобретённый Альбертом Майкельсоном. Данный прибор позволил впервые измерить длину волны света. В опыте Майкельсона интерферометр был использован Майкельсоном для проверки гипотезы о светоносном эфире.

Конструктивно состоит из светоделительного зеркала, разделяющего входящий луч на два, которые в свою очередь, отражаются зеркалом обратно. На полупрозрачном зеркале разделённые лучи вновь направляются в одну сторону, чтобы, смешавшись на экране, образовать интерференционную картину. Анализируя её и изменяя длину одного плеча на известную величину, можно по изменению вида интерференционных полос измерить длину волны, либо, наоборот, если длина волны известна, можно определить неизвестное изменение длин плеч. Радиус когерентности изучаемого источника света или другого излучения определяет максимальную разность между плечами интерферометра.

Устройство используется и сегодня в астрономических, физических исследованиях, а также в измерительной технике. В частности, интерферометр Майкельсона лежит в основе оптической схемы современных лазерных гравитационных антенн.

5. Расскажите о термоанемометрическом методе измерения скорости воздуха

Принцип действия термоанемометров основан на теплоотдаче электрически нагреваемой поверхности чувствительного элемента. Чувствительный элемент при помощи электроизмерительного моста вырабатывает выходной сигнал, который пропорционален квадратному корню из скорости потока.

Принцип действия термоанемометров основан на зависимости от скорости теплового состояния (температуры) тела ( теплового элемента) небольших размеров ( металлическая нить или полупроводниковый элемент), помещенного в поток и нагреваемого проходящим по нему или по специальному нагревателю электрическим током.

Принцип действия термоанемометра состоит в следующем.

Принцип действия калориметрического термоанемометра основан на измерении степени нагрева среды, проходящей через нагреватель. В бесконтактных калориметрических термоанемометрах сложно обеспечить нагрев потока по всему сечению, поэтому о скорости потока судят по деформации температурного поля, вызываемой конвективным переносом теплоты. В связи с этим в преобразователях таких расходомеров необходимо иметь не менее двух термочувствительных элементов и располагать их симметрично относительно середины нагревателя.

Принцип действия термоанемометра рассеивания заключается в измерении теплового баланса нагретого тела, обтекаемого потоком, что обусловливает необходимость измерения температуры нагревателя в преобразователях тепловых расходомеров этого типа.

Скорость движения газовой среды может быть измерена термоапемометром. Принцип действия термоанемометра основан на зависимости теплоотдачи тела от скорости движения охлаждающего его потока газа. Скорость газа определяется по температуре нити, измеряемой с помощью термопары, или по величине электрического сопротивления нити, соответствующего этой температуре.

В настоящее время для измерения скорости воздушных потоков применяются также термоанемометры, представляющие собой кусок проволоки, нагреваемой электрическим током. Принцип действия термоанемометра основан на изменении электрического сопротивления проволоки в зависимости от температуры. Набегающий поток воздуха охлаждает накаленную проволоку и тем самым изменяет ее электрическое сопротивление. Измерение скорости при помощи термоанемометра возможно двумя способами: при первом способе температура проволоки при помощи регулируемого сопротивления поддерживается на постоянном уровне, и измеряется расход электрической энергии, возмещающий потерю тепла; для тонких проволок этот расход приблизительно пропорционален корню третьей степени из скорости1; при втором способе наблюдение ведется при постоянной силе тока и падающей температуре проволоки, причем зависимость между сопротивлением проволоки и скоростью воздуха устанавливается путем тарировки. Электрический способ особенно пригоден для измерения малых скоростей воздуха, когда другие способы неприменимы. гиромагнитный квантовый метрологический измерение

Для измерения расхода в динамическом режиме в системах пневмоники используются термоанемометры. Принцип действия термоанемометра был рассмотрен ранее.

При измерении скорости в неустановившихся течениях, а также малых скоростей до 5 м / с, применяются термоанемометры. Принцип действия термоанемометра основан на известном физическом эффекте зависимости электрического сопротивления проводника от его температуры.

Большое распространение получают электрические методы измерения давления и расхода газа-носителя. В измерителе давления Сапфир-22 давление определяется тензодатчиком Д-16. Для электрического измерения расхода газа-носителя обычно используют датчики, действие которых основано на принципе действия термоанемометра.

6. Как функционирует «система воспроизведения единиц величин»?

Большое число средств измерений одной физической величины, применяемых в России, не позволяет передать им размер единицы с наивысшей точностью от одного исходного средства измерений, которое воспроизводит единицу. Поэтому в стране созданы специальные системы технических средств поверок. Технические средства этих систем, расположенные в определенном порядке в соответствии с их точностью, принимают участие в последовательной передаче размера единицы от исходного средства измерений всем средствам измерений этой физической величины. Порядок передачи устанавливается нормативно--техническими документами специального вида, называемыми поверочными, и правилами поверочной деятельности. По данным статистики эти документы составляют 94 % от общего объема метрологических документов. Технические и нормативные средства обеспечения единообразия средств измерений одной физической величины, представляют собой упорядоченные системы средств измерений и документов, предназначенные для достижения общей цели.

На практике их принято называть системами воспроизведения единиц и передачи их размеров рабочим средствам измерений составляют метрологические НИИ Госстандарта, низший - лаборатории государственного надзора и специальные поверочные лаборатории промышленных предприятий. Указанные системы непрерывно совершенствуются, следуя в русле развития всех отраслей хозяйственного комплекса РФ, при этом работа метрологических служб по совершенствованию проводится по следующим направлениям:

1) совершенствование существующих и создание новых методов и средств измерений высшей точности с целью повышения точности воспроизведения единиц и передачи их размеров. Эта работа проводится метрологическими НИИ, а также лабораториями РАН РФ, приборостроительных предприятий и различных ведомств;

2) создание высококачественных образцовых средств измерений и поверочных установок, обеспечивающих передачу размеров единиц от эталонов рабочим средствам измерений с требуемой точностью и производительностью. Эта проблема решается также органами метрологической службы (НИИ, лабораториями, центрами);

3) рациональное распределение вторичных эталонов, образцовых средств измерений и поверочных установок между поверочными метрологическими лабораториями. Кооперация поверочных лабораторий метрологических служб на базе их специализации создает предпосылки эффективного применения высокопроизводительных автоматизированных средств поверки;

4) разработка и внедрение нормативных документов, способствующих нормальному функционированию систем воспроизведения единиц физических величин (исполнители - органы метрологической службы всех видов и уровней).

7. Каковы свойства, определяющие точность результатов измерения?

Метрологические свойства СИ -- это свойства, влияющие на результат измерений и его погрешность. Показатели метрологических свойств являются их количественной характеристикой и называются метрологическими характеристиками.

Метрологические характеристики, устанавливаемые НД, называют нормируемыми метрологическими характеристиками.

Все метрологические свойства СИ можно разделить на две группы:

§ свойства, определяющие область применения СИ;

§ свойства, определяющие точность (правильность и прецизионность) результатов измерения.

К основным метрологическим характеристикам, определяющим область применения СИ, относятся диапазон измерений и порог чувствительности.

Диапазон измерений -- область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.

Порог чувствительности -- наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменении массы, как 10 мг.

К метрологическим свойствам второй группы относятся два главных свойства точности: правильность и прецизионность результатов.

Точность измерений СИ определяется их погрешностью.

Погрешность средства измерений -- это разность между показаниями СИ и истинным (действительным) значением измеряемой величины. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением. Для рабочего СИ за действительное значение принимают показания рабочего эталона низшего разряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою очередь, -- значение величины, полученное с помощью рабочего эталона 3-го разряда. Таким образом, за базу для сравнения принимают значение СИ, которое является в поверочной схеме вышестоящим по отношению к подчиненному СИ, подлежащему поверке.

Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:

§ по способу выражения -- абсолютные, относительные;

§ по характеру проявления -- систематические, случайные;

§ по отношению к условиям применения -- основные, дополнительные.

Наибольшее распространение получили метрологические свойства, связанные с абсолютными и относительными погрешностями.

Систематическая погрешность -- составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной (или же закономерно изменяющейся) при повторных измерениях одной и той же величины. Ее примером может быть погрешность градуировки, в частности погрешность показаний прибора с круговой шкалой и стрелкой, если ось последней смещена на некоторую величину относительно центра шкалы. Если эта погрешность известна, то ее исключают из результатов разными способами, в частности введением поправок. При химическом анализе систематическая погрешность проявляется в случаях, когда метод измерений не позволяет полностью выделить элемент или когда наличие одного элемента мешает определению другого.

Величина систематической погрешности определяет такое метрологическое свойство, как правильность измерений СИ.

Случайная погрешность -- составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного и того же размера величины с одинаковой тщательностью. В появлении этого вида погрешности не наблюдается какой-либо закономерности. Они неизбежны и неустранимы, всегда присутствуют в результатах измерения. При многократном и достаточно точном измерении они порождают рассеяние результатов.

Характеристиками рассеяния являются средняя арифметическая погрешность, средняя квадратическая погрешность, размах результатов измерений. Поскольку рассеяние носит вероятностный характер, то при указании на значения случайной погрешности задают вероятность.

Оценка погрешности измерений СИ, используемых для определения показателей качества товаров, определяется спецификой применения последних. Например, погрешность измерения цветового тона керамических плиток для внутренней отделки жилища должна быть по крайней мере на порядок ниже, чем погрешность измерения аналогичного показателя серийно выпускаемых картин, сделанных цветной фотопечатью. Дело в том, что разнотонность двух наклеенных рядом на стену кафельных плиток будет бросаться в глаза, тогда как разнотонность отдельных экземпляров одной картины заметно не проявится, так как они используются разрозненно.

Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ определяется назначением, условиями эксплуатации и многими другими факторами. У СИ, применяемых для высокоточных измерений, нормируется до десятка и более метрологических характеристик в стандартах технических требований (технических условий) и ТУ. Нормы на основные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации на СИ. Учет всех нормируемых характеристик необходим при измерениях высокой точности и в метрологической практике. В повседневной производственной практике широко пользуются обобщенной характеристикой -- классом точности. Класс точности СИ -- обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых (основной и дополнительной) погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в НД. При этом для каждого класса точности устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса. Классы точности присваиваются средствам измерений при их разработке (по результатам приемочных испытаний). В связи с тем что при эксплуатации их метрологические характеристики обычно ухудшаются, допускается понижать класс точности по результатам поверки (калибровки). Таким образом, класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это важно знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности измерений.

Список использованной литературы

1) Гугелёв А.В. Стандартизация, метрология и сертификация . Учебное пособие. -М.: Изд. Дашков и К, 2009. -С.272

2) Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учебник для вузов 3-е изд. - Спб.: Питер, 2010 - 464 с.: ил. -(Серия :»Учебник для вузов»).

3) Метрология, стандартизация и технические средства измерений : учебник для вузов /Д.Ф. Тартаковский, А.С. Ястребов- -М. :Выш. Шк., 2001, - 525 с.

4) Спектр С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений: Учебное пособие для вузов.- Л.: Энергоатомоиздат.

Размещено на Allbest.ru