Vetenskapens och teknikens behov inkluderar en mängd mätningar, vars medel och metoder ständigt utvecklas och förbättras. Den viktigaste rollen inom detta område tillhör mätningarna av elektriska storheter, som används flitigt i olika industrier.
Begreppet mått
Mätning av någon fysisk storhet görs genom att jämföra den med någon kvantitet av samma typ av fenomen, taget som en måttenhet. Resultatet som erhålls genom jämförelse presenteras numeriskt i lämpliga enheter.
Denna operation utförs med hjälp av speciella mätinstrument - tekniska anordningar som interagerar med objektet, vars vissa parametrar ska mätas. I det här fallet används vissa metoder - tekniker genom vilka det uppmätta värdet jämförs med måttenheten.
Det finns flera tecken som ligger till grund för att klassificera mätningar av elektriska storheter efter typ:
- Quantitymätningshandlingar. Här är deras engång eller mångfald avgörande.
- Grad av noggrannhet. Det finns tekniska, kontroll och verifiering, de mest exakta mätningarna, såväl som lika och ojämlika mätningar.
- Typen av förändringen i det uppmätta värdet över tiden. Enligt detta kriterium är mätningarna statiska och dynamiska. Genom dynamiska mätningar erhålls momentana värden av storheter som förändras över tiden, och statiska mätningar - några konstanta värden.
- Representation av resultatet. Mätningar av elektriska storheter kan uttryckas i relativ eller absolut form.
- Sättet att få önskat resultat. Enligt denna funktion delas mätningar in i direkt (där resultatet erhålls direkt) och indirekt, där de kvantiteter som är associerade med det önskade värdet av något funktionellt beroende mäts direkt. I det senare fallet beräknas den erforderliga fysiska kvantiteten från de erhållna resultaten. Så att mäta ström med en amperemeter är ett exempel på en direkt mätning, och ström är en indirekt.
Mätningar
Enheter som är avsedda för mätning måste ha normaliserade egenskaper och även behålla under en viss tid eller återge enheten för det värde som de är avsedda för.
Medlen för att mäta elektriska storheter är indelade i flera kategorier beroende på syftet:
- Åtgärder. Dessa verktyg tjänar till att reproducera värdet av en viss givenstorlek - som till exempel ett motstånd som återger ett visst motstånd med ett känt fel.
- Mätgivare som bildar en signal i en form som är bekväm för lagring, konvertering, överföring. Information av det här slaget är inte tillgänglig för direkt uppfattning.
- Elektriska mätanordningar. Dessa verktyg är utformade för att presentera information i en form som är tillgänglig för observatören. De kan vara bärbara eller stationära, analoga eller digitala, spela in eller signalera.
- Elektriska mätinstallationer är komplex av ovanstående verktyg och ytterligare enheter, koncentrerade på ett ställe. Enheterna tillåter mer komplexa mätningar (till exempel magnetiska egenskaper eller resistivitet), fungerar som verifierings- eller referensenheter.
- Elektriska mätsystem är också en kombination av olika sätt. Men till skillnad från installationer är anordningar för mätning av elektriska mängder och andra medel i systemet utspridda. Med hjälp av system kan du mäta flera kvantiteter, lagra, bearbeta och överföra mätinformationssignaler.
Om det är nödvändigt att lösa ett specifikt komplext mätproblem, bildas mät- och beräkningskomplex som kombinerar ett antal enheter och elektronisk datorutrustning.
Mätinstruments egenskaper
Mätutrustning har vissa egenskaper som är viktigaatt utföra sina direkta funktioner. Dessa inkluderar:
- Metrologiska egenskaper, såsom känslighet och dess tröskel, mätområde för en elektrisk storhet, instrumentfel, divisionsvärde, hastighet, etc.
- Dynamiska egenskaper, såsom amplitud (beroende av amplituden för enhetens utsignal på amplituden vid ingången) eller fas (beroende av fasförskjutningen på signalens frekvens).
- Prestandaegenskaper som återspeglar i vilken utsträckning instrumentet uppfyller kraven för drift under vissa förhållanden. Dessa inkluderar sådana egenskaper som tillförlitligheten hos indikationer, tillförlitlighet (drift, hållbarhet och felfunktion av enheten), underhållsbarhet, elektrisk säkerhet, ekonomi.
Utrustningens egenskaper fastställs av relevanta regulatoriska och tekniska dokument för varje typ av enhet.
Tillämpade metoder
Mätning av elektriska storheter utförs med olika metoder, som även kan klassificeras enligt följande kriterier:
- Slags fysiska fenomen på grundval av vilka mätningen görs (elektriska eller magnetiska fenomen).
- Mätverktygets interaktion med objektet. Beroende på det särskiljs kontakt- och beröringsfria metoder för att mäta elektriska storheter.
- Mätningsläge. Enligt den är mätningarna dynamiska och statiska.
- Mätmetod. Utvecklad som metoder för direkt uppskattning när den sökta kvantitetenbestäms direkt av enheten (till exempel en amperemeter), och mer exakta metoder (noll, differential, opposition, substitution), där den detekteras genom jämförelse med ett känt värde. Kompensatorer och elektriska mätbryggor för lik- och växelström fungerar som jämförelseanordningar.
Elektriska mätinstrument: typer och funktioner
Mätning av grundläggande elektriska storheter kräver en mängd olika instrument. Beroende på den fysiska principen som ligger till grund för deras arbete är de alla indelade i följande grupper:
- Elektromekaniska enheter måste ha en rörlig del i sin design. Denna stora grupp av mätinstrument inkluderar elektrodynamiska, ferrodynamiska, magnetoelektriska, elektromagnetiska, elektrostatiska, induktionsapparater. Till exempel kan den magnetoelektriska principen, som används mycket brett, användas som grund för sådana enheter som voltmetrar, amperetrar, ohmmetrar, galvanometrar. Elmätare, frekvensmätare etc. bygger på induktionsprincipen.
- Elektroniska enheter kännetecknas av närvaron av ytterligare block: omvandlare av fysiska storheter, förstärkare, omvandlare, etc. Som regel, i enheter av denna typ, omvandlas det uppmätta värdet till spänning, och en voltmeter fungerar som deras strukturella grund. Elektroniska mätinstrument används som frekvensmätare, kapacitans, resistans, induktansmätare, oscilloskop.
- Termoelektriskenheter kombinerar i sin design en mätanordning av magnetoelektrisk typ och en termisk omvandlare bildad av ett termoelement och en värmare genom vilken den uppmätta strömmen flyter. Instrument av denna typ används främst för att mäta högfrekventa strömmar.
- Elektrokemi. Principen för deras funktion är baserad på de processer som sker på elektroderna eller i mediet som studeras i interelektrodutrymmet. Instrument av denna typ används för att mäta elektrisk ledningsförmåga, mängden elektricitet och vissa icke-elektriska storheter.
Beroende på funktionella egenskaper särskiljs följande typer av instrument för mätning av elektriska storheter:
- Indikering (signalering) - det här är enheter som endast tillåter direkt avläsning av mätinformation, såsom wattmätare eller amperemetrar.
- Recording - enheter som gör det möjligt att spela in avläsningar, till exempel elektroniska oscilloskop.
Beroende på typen av signal delas enheter in i analoga och digitala. Om enheten genererar en signal som är en kontinuerlig funktion av det uppmätta värdet är det analogt, till exempel en voltmeter, vars avläsningar ges med hjälp av en skala med en pil. I händelse av att en signal automatiskt genereras i enheten i form av en ström av diskreta värden som kommer in i displayen i numerisk form, talar man om ett digit alt mätinstrument.
Digitala instrument har vissa nackdelar jämfört med analoga: mindre tillförlitlighet,behov av strömförsörjning, högre kostnad. Men de kännetecknas också av betydande fördelar som i allmänhet gör användningen av digitala enheter mer att föredra: användarvänlighet, hög noggrannhet och brusimmunitet, möjligheten till universalisering, kombination med en dator och fjärrsignalöverföring utan förlust av noggrannhet.
Oriktigheter och noggrannhet i instrument
Den viktigaste egenskapen hos ett elektriskt mätinstrument är noggrannhetsklassen. Mätning av elektriska storheter, som alla andra, kan inte utföras utan att ta hänsyn till felen i den tekniska enheten, såväl som ytterligare faktorer (koefficienter) som påverkar mätnoggrannheten. Gränsvärdena för de givna felen som är tillåtna för denna typ av enhet kallas normaliserade och uttrycks i procent. De bestämmer noggrannhetsklassen för en viss enhet.
Standardklasser som används för att markera skalorna för mätanordningar är följande: 4, 0; 2, 5; femton; tio; 0,5; 0,2; 0,1; 0.05 I enlighet med dem upprättas en uppdelning efter syfte: anordningar som tillhör klasserna 0.05 till 0.2 är exemplariska, klasserna 0.5 och 1.0 har laboratorieanordningar, och slutligen anordningar i klasserna 1, 5-4, 0 är tekniska.
När man väljer en mätanordning är det nödvändigt att den motsvarar klassen för det problem som ska lösas, medan den övre mätgränsen ska vara så nära det numeriska värdet för det önskade värdet som möjligt. Det vill säga, ju större avvikelsen för instrumentpekaren kan uppnås, desto mindre blir det relativa felet för mätningen. Om endast lågklassiga instrument är tillgängliga, bör den med minsta driftsområdet väljas. Med dessa metoder kan mätningar av elektriska storheter utföras ganska exakt. I det här fallet måste du också ta hänsyn till enhetens typ av skala (likformig eller ojämn, såsom ohmmeterskalor).
Grundläggande elektriska mängder och deras enheter
Oftast är elektriska mätningar associerade med följande uppsättning kvantiteter:
- Strömstyrka (eller helt enkelt ström) I. Detta värde anger mängden elektrisk laddning som passerar genom ledarsektionen på 1 sekund. Mätning av storleken på den elektriska strömmen utförs i ampere (A) med hjälp av amperetrar, avometrar (testare, den så kallade "tseshek"), digitala multimetrar, instrumenttransformatorer.
- Mängd el (avgift) q. Detta värde bestämmer i vilken utsträckning en viss fysisk kropp kan vara en källa till ett elektromagnetiskt fält. Elektrisk laddning mäts i coulombs (C). 1 C (amperesekund)=1 A ∙ 1 s. Instrument för mätning är elektrometrar eller elektroniska laddningsmätare (coulomb-mätare).
- Voltage U. Uttrycker potentialskillnaden (laddningsenergi) som finns mellan två olika punkter i det elektriska fältet. För en given elektrisk storhet är måttenheten volt (V). Om för att flytta en laddning på 1 coulomb från en punkt till en annan, utför fältet arbete på 1 joule (det vill säga motsvarande energi förbrukas), dåpotentialskillnaden - spänning - mellan dessa punkter är 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Mätningen av den elektriska spänningen utförs med hjälp av voltmetrar, digitala eller analoga (testare) multimetrar.
- Resistance R. Karakteriserar en ledares förmåga att förhindra passage av elektrisk ström genom den. Motståndsenheten är ohm. 1 ohm är motståndet hos en ledare med en spänning på 1 volt i ändarna till en ström på 1 ampere: 1 ohm=1 V / 1 A. Resistansen är direkt proportionell mot ledarens tvärsnitt och längd. Ohmmetrar, avometrar, multimetrar används för att mäta det.
- Elektrisk konduktivitet (konduktivitet) G är resistansens reciproka. Mätt i siemens (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Kapacitet C är ett mått på en ledares förmåga att lagra laddning, också en av de grundläggande elektriska storheterna. Dess måttenhet är farad (F). För en kondensator definieras detta värde som plattornas inbördes kapacitans och är lika med förhållandet mellan den ackumulerade laddningen och potentialskillnaden på plattorna. Kapacitansen hos en platt kondensator ökar med en ökning av plattornas yta och med en minskning av avståndet mellan dem. Om det skapas en spänning på 1 volt på plattorna med en laddning på 1 hängande, kommer kapacitansen för en sådan kondensator att vara lika med 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Mätningen utförs med hjälp av specialinstrument - kapacitansmätare eller digitala multimetrar
- Power P är ett värde som återspeglar den hastighet med vilken överföringen (omvandlingen) av elektrisk energi utförs. Som en systemenhet av makt antagenwatt (W; 1 W=1 J/s). Detta värde kan också uttryckas i termer av produkten av spänning och strömstyrka: 1 W=1 V ∙ 1 A. För AC-kretsar, aktiv (förbrukad) effekt Pa, reaktiv P ra (tar inte del av driften av strömmen) och full effekt P. Vid mätning används följande enheter för dem: watt, var (står för "volt-ampere reactive") och följaktligen volt-ampere V ∙ MEN. Deras dimensioner är desamma och de tjänar till att skilja mellan de angivna kvantiteterna. Instrument för att mäta effekt - analoga eller digitala wattmätare. Indirekta mätningar (till exempel med en amperemeter) är inte alltid tillämpliga. För att bestämma en så viktig storhet som effektfaktorn (uttryckt i termer av fasförskjutningsvinkeln) används enheter som kallas fasmätare.
- Frekvens f. Detta är en egenskap hos en växelström, som visar antalet förändringscykler i dess storlek och riktning (i det allmänna fallet) under en period av 1 sekund. Frekvensenheten är den reciproka sekunden, eller hertz (Hz): 1 Hz=1 s-1. Detta värde mäts med hjälp av en omfattande klass av instrument som kallas frekvensmätare
Magnetiska kvantiteter
Magnetism är nära besläktad med elektricitet, eftersom båda är manifestationer av en enda grundläggande fysisk process - elektromagnetism. Därför är en lika nära koppling karakteristisk för metoder och medel för att mäta elektriska och magnetiska storheter. Men det finns också nyanser. Som regel, när man bestämmer det senare, praktiskt tageten elektrisk mätning görs. Det magnetiska värdet erhålls indirekt från det funktionella förhållandet som förbinder det med det elektriska.
Referensvärdena i detta mätområde är magnetisk induktion, fältstyrka och magnetiskt flöde. De kan omvandlas med hjälp av enhetens mätspole till EMF, som mäts, varefter de erforderliga värdena beräknas.
- Magnetiskt flöde mäts med instrument som webermetrar (fotovoltaiska, magnetoelektriska, analoga elektroniska och digitala) och mycket känsliga ballistiska galvanometrar.
- Induktion och magnetfältsstyrka mäts med teslametrar utrustade med olika typer av givare.
Mätning av elektriska och magnetiska storheter, som är direkt relaterade, gör det möjligt att lösa många vetenskapliga och tekniska problem, till exempel studiet av atomkärnan och magnetfältet hos solen, jorden och planeterna, studiet av magnetiska egenskaper hos olika material, kvalitetskontroll och andra.
Icke-elektriska mängder
Bekvämligheten med elektriska metoder gör det möjligt att framgångsrikt utvidga dem till mätningar av olika fysiska storheter av icke-elektrisk natur, såsom temperatur, dimensioner (linjära och vinklade), deformation och många andra, samt att undersöka kemiska processer och ämnens sammansättning.
Instrument för elektrisk mätning av icke-elektriska storheter är vanligtvis ett komplex av en sensor - en omvandlare till valfri kretsparameter (spänning,motstånd) och elektrisk mätanordning. Det finns många typer av givare, tack vare vilka du kan mäta en mängd olika kvantiteter. Här är bara några exempel:
- Reostatiska sensorer. I sådana givare, när det uppmätta värdet exponeras (till exempel när vätskenivån eller dess volym ändras), rör sig reostatreglaget och ändrar därmed motståndet.
- Termistorer. Sensorns motstånd i enheter av denna typ förändras under påverkan av temperaturen. Används för att mäta gasflödeshastighet, temperatur, för att bestämma sammansättningen av gasblandningar.
- Töjningsmotstånd tillåter trådtöjningsmätningar.
- Fotosensorer som omvandlar en förändring i belysning, temperatur eller rörelse till en fotoström som sedan mäts.
- Kapacitiva givare som används som sensorer för luftkemi, förskjutning, fukt, tryck.
- Piezoelektriska givare arbetar enligt principen om förekomsten av elektromagnetiska fält i vissa kristallina material när de appliceras mekaniskt på dem.
- Induktiva sensorer är baserade på omvandling av kvantiteter som hastighet eller acceleration till en inducerad emf.
Utveckling av elektriska mätinstrument och metoder
En mängd olika sätt att mäta elektriska storheter beror på många olika fenomen där dessa parametrar spelar en betydande roll. Elektriska processer och fenomen har ett extremt brett användningsområde inomalla branscher - det är omöjligt att ange ett sådant område av mänsklig aktivitet där de inte skulle hitta tillämpning. Detta bestämmer det ständigt växande utbudet av problem med elektriska mätningar av fysiska storheter. Mångfalden och förbättringen av medel och metoder för att lösa dessa problem växer ständigt. Särskilt snabbt och framgångsrikt utvecklar en sådan riktning av mätteknik som mätning av icke-elektriska storheter med elektriska metoder.
Modern elektrisk mätteknik utvecklas i riktning mot ökad noggrannhet, brusimmunitet och hastighet, samt ökad automatisering av mätprocessen och bearbetning av dess resultat. Mätinstrument har gått från de enklaste elektromekaniska enheterna till elektroniska och digitala enheter och vidare till de senaste mät- och beräkningssystemen som använder mikroprocessorteknik. Samtidigt är uppenbarligen ökningen av rollen för mjukvarukomponenten i mätenheter den främsta utvecklingstrenden.
