Videnskabens og teknologiens behov omfatter en lang række målinger, hvis midler og metoder konstant udvikles og forbedres. Den vigtigste rolle på dette område tilhører måling af elektriske mængder, som er meget udbredt i forskellige industrier.
Begrebet mål
Måling af enhver fysisk størrelse foretages ved at sammenligne den med en eller anden mængde af samme slags fænomener, taget som en måleenhed. Resultatet opnået ved sammenligning præsenteres numerisk i de relevante enheder.
Denne operation udføres ved hjælp af specielle måleinstrumenter - tekniske enheder, der interagerer med objektet, hvis bestemte parametre skal måles. I dette tilfælde anvendes visse metoder - teknikker, hvorved den målte værdi sammenlignes med måleenheden.
Der er flere tegn, der tjener som grundlag for klassificering af målinger af elektriske størrelser efter type:
- Mængdemålehandlinger. Her er deres engangs- eller mangfoldighed afgørende.
- Nøjagtighedsgrad. Der er tekniske, kontrol og verifikation, de mest nøjagtige mål, såvel som ens og ulige målinger.
- Karten af ændringen i den målte værdi over tid. Ifølge dette kriterium er målinger statiske og dynamiske. Gennem dynamiske målinger opnås øjeblikkelige værdier af mængder, der ændrer sig over tid, og statiske målinger - nogle konstante værdier.
- Repræsentation af resultatet. Målinger af elektriske størrelser kan udtrykkes i relativ eller absolut form.
- Måden til at få det ønskede resultat. Ifølge denne funktion er målinger opdelt i direkte (hvor resultatet opnås direkte) og indirekte, hvor de mængder, der er forbundet med den ønskede værdi af en vis funktionel afhængighed, måles direkte. I sidstnævnte tilfælde beregnes den nødvendige fysiske mængde ud fra de opnåede resultater. Så måling af strøm med et amperemeter er et eksempel på en direkte måling, og effekt er en indirekte.
Målinger
Enheder, der er beregnet til måling, skal have normaliserede karakteristika og også beholde i en vis tid eller gengive enheden for den værdi, som de er beregnet til.
Midler til måling af elektriske mængder er opdelt i flere kategorier afhængigt af formålet:
- Foranst altninger. Disse værktøjer tjener til at gengive værdien af nogle givnestørrelse - som for eksempel en modstand, der gengiver en vis modstand med en kendt fejl.
- Måletransducere, der danner et signal i en form, der er praktisk til lagring, konvertering, transmission. Oplysninger af denne art er ikke tilgængelige for direkte perception.
- Elektriske måleenheder. Disse værktøjer er designet til at præsentere information i en form, der er tilgængelig for observatøren. De kan være bærbare eller stationære, analoge eller digitale, optage eller signalere.
- Elektriske måleinstallationer er komplekser af ovennævnte værktøjer og yderligere enheder, koncentreret på ét sted. Enhederne tillader mere komplekse målinger (f.eks. magnetiske karakteristika eller resistivitet), tjener som verifikations- eller referenceenheder.
- Elektriske målesystemer er også en kombination af forskellige midler. Men i modsætning til installationer er anordninger til måling af elektriske mængder og andre midler i systemet spredt. Ved hjælp af systemer kan du måle flere mængder, lagre, behandle og transmittere måleinformationssignaler.
Hvis det er nødvendigt at løse et specifikt komplekst måleproblem, dannes der måle- og beregningskomplekser, der kombinerer en række enheder og elektronisk computerudstyr.
Karakteristika for måleinstrumenter
Måleudstyr har visse egenskaber, der er vigtigeat udføre deres direkte funktioner. Disse omfatter:
- Metrologiske karakteristika, såsom følsomhed og dens tærskel, måleområde for en elektrisk størrelse, instrumentfejl, divisionsværdi, hastighed osv.
- Dynamiske karakteristika, såsom amplitude (afhængighed af amplituden af enhedens udgangssignal af amplituden ved indgangen) eller fase (afhængig af faseforskydningen af signalets frekvens).
- Ydeevnekarakteristika, der afspejler, i hvilket omfang instrumentet opfylder kravene til drift under visse forhold. Disse omfatter egenskaber som pålideligheden af indikationer, pålidelighed (drift, holdbarhed og fejlfri drift af enheden), vedligeholdelse, elektrisk sikkerhed, økonomi.
Sættet af udstyrskarakteristika er fastsat af de relevante regulatoriske og tekniske dokumenter for hver type enhed.
Anvendte metoder
Måling af elektriske mængder udføres ved forskellige metoder, som også kan klassificeres efter følgende kriterier:
- Slags fysiske fænomener, som målingen er baseret på (elektriske eller magnetiske fænomener).
- Kartenheden af måleværktøjets interaktion med objektet. Afhængigt af det skelnes der mellem kontakt- og berøringsfri metoder til måling af elektriske mængder.
- Måletilstand. Ifølge den er målingerne dynamiske og statiske.
- Målemetode. Udviklet som metoder til direkte estimering, når den eftersøgte mængdedirekte bestemt af enheden (for eksempel et amperemeter), og mere nøjagtige metoder (nul, differential, opposition, substitution), hvor det detekteres ved sammenligning med en kendt værdi. Kompensatorer og elektriske målebroer for jævn- og vekselstrøm tjener som sammenligningsenheder.
Elektriske måleinstrumenter: typer og funktioner
Måling af grundlæggende elektriske størrelser kræver en bred vifte af instrumenter. Afhængigt af det fysiske princip, der ligger til grund for deres arbejde, er de alle opdelt i følgende grupper:
- Elektromekaniske enheder skal have en bevægelig del i deres design. Denne store gruppe af måleinstrumenter omfatter elektrodynamiske, ferrodynamiske, magnetoelektriske, elektromagnetiske, elektrostatiske, induktionsenheder. For eksempel kan det magnetoelektriske princip, som bruges meget bredt, bruges som grundlag for sådanne enheder som voltmetre, amperetre, ohmmetre, galvanometre. Elmålere, frekvensmålere osv. er baseret på induktionsprincippet.
- Elektroniske enheder er kendetegnet ved tilstedeværelsen af yderligere blokke: omformere af fysiske størrelser, forstærkere, omformere osv. Som regel konverteres den målte værdi i enheder af denne type til spænding, og et voltmeter fungerer som deres strukturelle grundlag. Elektroniske måleinstrumenter bruges som frekvensmålere, kapacitans, modstand, induktansmålere, oscilloskoper.
- Termoelektriskenheder kombinerer i deres design en måleanordning af en magnetoelektrisk type og en termisk omformer dannet af et termoelement og en varmelegeme, gennem hvilken den målte strøm løber. Instrumenter af denne type bruges hovedsageligt til måling af højfrekvente strømme.
- Elektrokemisk. Princippet for deres drift er baseret på de processer, der forekommer på elektroderne eller i mediet under undersøgelse i interelektroderummet. Instrumenter af denne type bruges til at måle elektrisk ledningsevne, mængden af elektricitet og nogle ikke-elektriske størrelser.
I henhold til funktionelle egenskaber skelnes der mellem følgende typer instrumenter til måling af elektriske størrelser:
- Indikerende (signalering) - disse er enheder, der kun tillader direkte aflæsning af måleinformation, såsom wattmetre eller amperemetre.
- Recording - enheder, der giver mulighed for at optage aflæsninger, for eksempel elektroniske oscilloskoper.
Afhængigt af typen af signal er enheder opdelt i analoge og digitale. Hvis enheden genererer et signal, der er en kontinuerlig funktion af den målte værdi, er det analogt, for eksempel et voltmeter, hvis aflæsninger er givet ved hjælp af en skala med en pil. I tilfælde af at der automatisk genereres et signal i enheden i form af en strøm af diskrete værdier, der kommer ind i displayet i numerisk form, taler man om et digit alt måleinstrument.
Digitale instrumenter har nogle ulemper sammenlignet med analoge: mindre pålidelighed,behov for strømforsyning, højere omkostninger. De er dog også kendetegnet ved betydelige fordele, der generelt gør brugen af digitale enheder mere at foretrække: brugervenlighed, høj nøjagtighed og støjimmunitet, muligheden for universalisering, kombination med en computer og fjernsign altransmission uden tab af nøjagtighed.
Unøjagtigheder og nøjagtighed af instrumenter
Den vigtigste egenskab ved et elektrisk måleinstrument er nøjagtighedsklassen. Målingen af elektriske størrelser, som enhver anden, kan ikke udføres uden at tage højde for fejlene i den tekniske enhed, såvel som yderligere faktorer (koefficienter), der påvirker målenøjagtigheden. Grænseværdierne for de givne fejl tilladte for denne type enhed kaldes normaliserede og udtrykkes som en procentdel. De bestemmer nøjagtighedsklassen for en bestemt enhed.
Standardklasser, der bruges til at markere skalaerne for måleanordninger, er som følger: 4, 0; 2, 5; femten; ti; 0,5; 0,2; 0,1; 0.05 I overensstemmelse med dem etableres en opdeling efter formål: enheder, der tilhører klasserne fra 0.05 til 0.2, er eksemplariske, klassene 0.5 og 1.0 har laboratorieudstyr, og endelig er enheder i klasse 1, 5-4, 0 tekniske.
Når du vælger et måleapparat, er det nødvendigt, at det svarer til klassen for det problem, der skal løses, mens den øvre målegrænse skal være så tæt som muligt på den numeriske værdi af den ønskede værdi. Det vil sige, at jo større afvigelsen af instrumentmarkøren kan opnås, jo mindre vil den relative fejl i målingen være. Hvis kun instrumenter i lav klasse er tilgængelige, bør den med det mindste driftsområde vælges. Ved hjælp af disse metoder kan målinger af elektriske størrelser udføres ret præcist. I dette tilfælde skal du også tage højde for enhedens skalatype (ensartet eller ujævnt, såsom ohmmeterskalaer).
Grundlæggende elektriske mængder og deres enheder
Oftest er elektriske målinger forbundet med følgende sæt af mængder:
- Strømstyrke (eller blot strøm) I. Denne værdi angiver mængden af elektrisk ladning, der passerer gennem ledersektionen på 1 sekund. Måling af størrelsen af den elektriske strøm udføres i ampere (A) ved hjælp af amperetre, avometre (testere, de såkaldte "tseshek"), digitale multimetre, instrumenttransformatorer.
- Mængde af elektricitet (afgift) q. Denne værdi bestemmer, i hvilket omfang et bestemt fysisk legeme kan være en kilde til et elektromagnetisk felt. Elektrisk ladning måles i coulombs (C). 1 C (ampere-sekund)=1 A ∙ 1 s. Instrumenter til måling er elektrometre eller elektroniske ladningsmålere (coulomb-målere).
- Spænding U. Udtrykker den potentielle forskel (ladeenergi), der eksisterer mellem to forskellige punkter i det elektriske felt. For en given elektrisk størrelse er måleenheden volt (V). Hvis for at flytte en ladning på 1 coulomb fra et punkt til et andet, udfører feltet arbejde på 1 joule (det vil sige, at den tilsvarende energi bruges), såpotentialforskellen - spænding - mellem disse punkter er 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Målingen af den elektriske spænding udføres ved hjælp af voltmetre, digitale eller analoge (testere) multimetre.
- Modstand R. Karakteriserer en leders evne til at forhindre passage af elektrisk strøm gennem den. Modstandsenheden er ohm. 1 ohm er modstanden af en leder med en spænding på 1 volt i enderne til en strøm på 1 ampere: 1 ohm=1 V / 1 A. Modstanden er direkte proportional med lederens tværsnit og længde. Ohmmetre, avometre, multimetre bruges til at måle det.
- Elektrisk ledningsevne (ledningsevne) G er den gensidige modstand. Målt i siemens (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Kapacitet C er et mål for en leders evne til at lagre ladning, også en af de grundlæggende elektriske størrelser. Dens måleenhed er farad (F). For en kondensator er denne værdi defineret som pladernes indbyrdes kapacitans og er lig med forholdet mellem den akkumulerede ladning og potentialforskellen på pladerne. Kapacitansen af en flad kondensator stiger med en stigning i pladernes areal og med et fald i afstanden mellem dem. Hvis der med en ladning på 1 vedhæng skabes en spænding på 1 volt på pladerne, så vil kapacitansen af en sådan kondensator være lig med 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Målingen udføres vha. specielle instrumenter - kapacitansmålere eller digitale multimetre
- Power P er en værdi, der afspejler den hastighed, hvormed overførslen (konverteringen) af elektrisk energi udføres. Som en systemenhed af magt vedtagetwatt (W; 1 W=1 J/s). Denne værdi kan også udtrykkes som produktet af spænding og strømstyrke: 1 W=1 V ∙ 1 A. For AC-kredsløb, aktiv (forbrugt) effekt Pa, reaktiv P ra (deltager ikke i driften af strømmen) og fuld effekt P. Ved måling bruges følgende enheder til dem: watt, var (står for "volt-ampere reactive") og følgelig volt-ampere V ∙ MEN. Deres dimensioner er de samme, og de tjener til at skelne mellem de angivne mængder. Instrumenter til måling af effekt - analoge eller digitale wattmålere. Indirekte målinger (f.eks. ved hjælp af et amperemeter) er ikke altid anvendelige. For at bestemme en så vigtig størrelse som effektfaktoren (udtrykt i form af faseforskydningsvinklen), bruges enheder kaldet fasemålere.
- Frekvens f. Dette er en karakteristik af en vekselstrøm, der viser antallet af ændringscyklusser i dens størrelse og retning (i det generelle tilfælde) over en periode på 1 sekund. Frekvensenheden er det reciproke sekund eller hertz (Hz): 1 Hz=1 s-1. Denne værdi måles ved hjælp af en omfattende klasse af instrumenter kaldet frekvensmålere
Magnetiske mængder
Magnetisme er tæt forbundet med elektricitet, da begge er manifestationer af en enkelt grundlæggende fysisk proces - elektromagnetisme. Derfor er en lige så tæt forbindelse karakteristisk for metoder og midler til at måle elektriske og magnetiske størrelser. Men der er også nuancer. Som regel, når man bestemmer sidstnævnte, praktisk t altder foretages en elektrisk måling. Den magnetiske værdi opnås indirekte fra det funktionelle forhold, der forbinder den med den elektriske.
Referenceværdierne i dette måleområde er magnetisk induktion, feltstyrke og magnetisk flux. De kan konverteres ved hjælp af enhedens målespole til EMF, som måles, hvorefter de nødvendige værdier beregnes.
- Magnetisk flux måles ved hjælp af instrumenter såsom webermetre (fotovoltaiske, magnetoelektriske, analoge elektroniske og digitale) og meget følsomme ballistiske galvanometre.
- Induktion og magnetisk feltstyrke måles ved hjælp af teslametre udstyret med forskellige typer transducere.
Måling af elektriske og magnetiske størrelser, som er direkte relaterede, gør det muligt at løse mange videnskabelige og tekniske problemer, for eksempel studiet af atomkernen og magnetfeltet i Solen, Jorden og planeterne, studiet af magnetiske egenskaber af forskellige materialer, kvalitetskontrol og andre.
Ikke-elektriske mængder
Bekvemmeligheden ved elektriske metoder gør det muligt med succes at udvide dem til målinger af forskellige fysiske størrelser af ikke-elektrisk karakter, såsom temperatur, dimensioner (lineær og vinkel), deformation og mange andre, samt at undersøge kemiske processer og sammensætning af stoffer.
Instrumenter til elektrisk måling af ikke-elektriske størrelser er norm alt et kompleks af en sensor - en konverter til enhver kredsløbsparameter (spænding,modstand) og elektrisk måleanordning. Der er mange typer transducere, takket være hvilke du kan måle en række forskellige mængder. Her er blot nogle få eksempler:
- Reostatiske sensorer. I sådanne transducere, når den målte værdi blotlægges (f.eks. når væskeniveauet eller dets volumen ændres), bevæger rheostatskyderen sig og ændrer derved modstanden.
- Termistorer. Sensorens modstand i enheder af denne type ændres under indflydelse af temperatur. Bruges til at måle gasstrømningshastighed, temperatur, til at bestemme sammensætningen af gasblandinger.
- Belastningsmodstande tillader måling af trådbelastning.
- Fotosensorer, der konverterer en ændring i belysning, temperatur eller bevægelse til en fotostrøm, der derefter måles.
- Kapacitive transducere brugt som sensorer til luftkemi, forskydning, fugt, tryk.
- Piezoelektriske transducere fungerer efter princippet om forekomsten af EMF i nogle krystallinske materialer, når de påføres mekanisk på dem.
- Induktive sensorer er baseret på konvertering af størrelser såsom hastighed eller acceleration til en induceret emf.
Udvikling af elektriske måleinstrumenter og metoder
En lang række måder at måle elektriske størrelser på skyldes mange forskellige fænomener, hvor disse parametre spiller en væsentlig rolle. Elektriske processer og fænomener har en ekstrem bred vifte af anvendelser ialle industrier - det er umuligt at angive et sådant område med menneskelig aktivitet, hvor de ikke ville finde anvendelse. Dette bestemmer den stadigt voksende række af problemer med elektriske målinger af fysiske størrelser. Variationen og forbedringen af midler og metoder til at løse disse problemer vokser konstant. Særligt hurtigt og med succes udvikler en sådan retning af måleteknologi som måling af ikke-elektriske størrelser ved hjælp af elektriske metoder.
Moderne elektrisk måleteknologi udvikler sig i retning af at øge nøjagtigheden, støjimmuniteten og hastigheden, samt øge automatiseringen af måleprocessen og behandlingen af dens resultater. Måleinstrumenter er gået fra de enkleste elektromekaniske enheder til elektroniske og digitale enheder og videre til de nyeste måle- og computersystemer ved hjælp af mikroprocessorteknologi. Samtidig er stigningen i rollen som softwarekomponenten i måleapparater naturligvis den vigtigste udviklingstendens.
