Potrebe znanosti in tehnologije vključujejo številne meritve, katerih sredstva in metode se nenehno razvijajo in izboljšujejo. Najpomembnejšo vlogo na tem področju imajo meritve električnih veličin, ki se pogosto uporabljajo v različnih panogah.
Koncept meritev
Meritev katere koli fizikalne količine se izvede tako, da jo primerjamo z neko količino iste vrste pojavov, vzeto kot mersko enoto. Rezultat, dobljen s primerjavo, je predstavljen številčno v ustreznih enotah.
Ta operacija se izvaja s pomočjo posebnih merilnih instrumentov - tehničnih naprav, ki so v interakciji z objektom, katerega določene parametre je treba izmeriti. V tem primeru se uporabljajo določene metode – tehnike, s katerimi se merjena vrednost primerja z mersko enoto.
Obstaja več znakov, ki služijo kot osnova za razvrščanje meritev električnih veličin po vrsti:
- Količinadejanja merjenja. Tukaj je njihova enkratna ali večkratna nujna.
- Stopnja natančnosti. Obstajajo tehnične, kontrolne in verifikacijske, najbolj natančne meritve, pa tudi enake in neenake meritve.
- Narava spremembe izmerjene vrednosti skozi čas. Po tem kriteriju so meritve statične in dinamične. Z dinamičnimi meritvami se pridobijo trenutne vrednosti veličin, ki se spreminjajo skozi čas, statične meritve pa nekatere konstantne vrednosti.
- Predstavitev rezultata. Meritve električnih veličin so lahko izražene v relativni ali absolutni obliki.
- Način do želenega rezultata. Glede na to lastnost delimo meritve na neposredne (pri katerih se rezultat dobi neposredno) in posredne, pri katerih se neposredno merijo količine, ki so povezane z želeno vrednostjo z neko funkcionalno odvisnostjo. V slednjem primeru se zahtevana fizikalna količina izračuna iz dobljenih rezultatov. Torej je merjenje toka z ampermetrom primer neposredne meritve, moč pa posredne.
Meritve
Naprave, ki so namenjene merjenju, morajo imeti normalizirane lastnosti in tudi obdržati določen čas ali reproducirati enoto vrednosti, za katero so namenjene.
Sredstva za merjenje električnih veličin so glede na namen razdeljena v več kategorij:
- Ukrepi. Ta orodja služijo za reprodukcijo vrednosti neke danostivelikost - kot na primer upor, ki reproducira določen upor z znano napako.
- Merilni pretvorniki, ki tvorijo signal v obliki, primerni za shranjevanje, pretvorbo, prenos. Tovrstne informacije niso na voljo za neposredno zaznavanje.
- Električne merilne naprave. Ta orodja so zasnovana tako, da predstavijo informacije v obliki, ki je dostopna opazovalcu. Lahko so prenosni ali stacionarni, analogni ali digitalni, snemalni ali signalizacijski.
- Električne merilne inštalacije so kompleksi zgornjih orodij in dodatnih naprav, zgoščeni na enem mestu. Enote omogočajo bolj zapletene meritve (na primer magnetne karakteristike ali upornost), služijo kot verifikacijske ali referenčne naprave.
- Električni merilni sistemi so tudi kombinacija različnih sredstev. Za razliko od inštalacij pa so naprave za merjenje električnih veličin in druga sredstva v sistemu razpršene. S pomočjo sistemov lahko merite več količin, shranjujete, obdelujete in prenašate merilne informacijske signale.
Če je treba rešiti določen kompleksen merilni problem, se oblikujejo merilni in računalniški kompleksi, ki združujejo številne naprave in elektronsko računalniško opremo.
Lastnosti merilnih instrumentov
Naprave merilne opreme imajo določene lastnosti, ki so pomembneopravljati svoje neposredne funkcije. Ti vključujejo:
- Metrološke značilnosti, kot so občutljivost in njen prag, merilno območje električne količine, napaka instrumenta, vrednost delitve, hitrost itd.
- Dinamične značilnosti, kot je amplituda (odvisnost amplitude izhodnega signala naprave od amplitude na vhodu) ali faza (odvisnost faznega zamika od frekvence signala).
- Zmogljivosti, ki odražajo obseg, v katerem instrument izpolnjuje zahteve delovanja pod določenimi pogoji. Te vključujejo lastnosti, kot so zanesljivost indikacij, zanesljivost (operabilnost, vzdržljivost in brezhibno delovanje naprave), vzdržljivost, električna varnost, ekonomičnost.
Nabor značilnosti opreme je določen z ustreznimi regulativnimi in tehničnimi dokumenti za vsako vrsto naprave.
uporabljene metode
Merjenje električnih veličin se izvaja z različnimi metodami, ki jih lahko razvrstimo tudi po naslednjih kriterijih:
- Vrsta fizikalnih pojavov, na podlagi katerih se meritve (električni ali magnetni pojavi).
- Narava interakcije merilnega orodja s predmetom. Glede na to se razlikujejo kontaktne in brezkontaktne metode za merjenje električnih veličin.
- Način merjenja. Po njem so meritve dinamične in statične.
- Metoda merjenja. Razvito kot metode neposrednega ocenjevanja iskane količineneposredno določena z napravo (na primer ampermeter), in natančnejše metode (nič, diferencial, opozicija, substitucija), pri katerih se zazna s primerjavo z znano vrednostjo. Kompenzatorji in električni merilni mostovi enosmernega in izmeničnega toka služijo kot primerjalne naprave.
Električni merilni instrumenti: vrste in značilnosti
Merenje osnovnih električnih veličin zahteva široko paleto instrumentov. Glede na fizični princip, na katerem temeljijo, so vsi razdeljeni v naslednje skupine:
- Elektromehanske naprave morajo imeti v svoji zasnovi premični del. Ta velika skupina merilnih instrumentov vključuje elektrodinamične, ferodinamične, magnetoelektrične, elektromagnetne, elektrostatične, indukcijske naprave. Na primer, magnetoelektrični princip, ki se uporablja zelo široko, se lahko uporablja kot osnova za takšne naprave, kot so voltmetri, ampermetri, ohmmetri, galvanometri. Števci električne energije, merilniki frekvence itd. temeljijo na indukcijskem principu.
- Elektronske naprave odlikujejo dodatni bloki: pretvorniki fizičnih veličin, ojačevalniki, pretvorniki itd. Praviloma se v napravah te vrste izmerjena vrednost pretvori v napetost, voltmeter pa služi kot njihovo strukturno osnovo. Elektronski merilni instrumenti se uporabljajo kot merilniki frekvence, kapacitivnosti, upornosti, induktivnosti, osciloskopi.
- Termoelektričninaprave v svoji zasnovi združujejo merilno napravo magnetoelektričnega tipa in termični pretvornik, ki ga tvorita termoelement in grelec, skozi katerega teče izmerjeni tok. Instrumenti te vrste se uporabljajo predvsem za merjenje visokofrekvenčnih tokov.
- Elektrokemična. Načelo njihovega delovanja temelji na procesih, ki se pojavljajo na elektrodah ali v preučevanem mediju v medelektrodnem prostoru. Instrumenti te vrste se uporabljajo za merjenje električne prevodnosti, količine električne energije in nekaterih neelektričnih veličin.
Glede na funkcionalne lastnosti ločimo naslednje vrste instrumentov za merjenje električnih veličin:
- Indiciranje (signalizacija) - to so naprave, ki omogočajo samo neposredno odčitavanje merilnih informacij, kot so vatmetri ali ampermetri.
- Snemanje - naprave, ki omogočajo snemanje odčitkov, na primer elektronski osciloskopi.
Glede na vrsto signala se naprave delijo na analogne in digitalne. Če naprava generira signal, ki je neprekinjena funkcija izmerjene vrednosti, je analogni, na primer voltmeter, katerega odčitki so podani s pomočjo lestvice s puščico. V primeru, da se v napravi samodejno generira signal v obliki toka diskretnih vrednosti, ki vstopi na prikazovalnik v številčni obliki, govorimo o digitalnem merilnem instrumentu.
Digitalni instrumenti imajo nekaj pomanjkljivosti v primerjavi z analognimi: manj zanesljivosti,potreba po oskrbi z električno energijo, višji stroški. Odlikujejo pa jih tudi pomembne prednosti, zaradi katerih je uporaba digitalnih naprav na splošno bolj zaželena: enostavna uporaba, visoka natančnost in odpornost proti hrupu, možnost univerzalizacije, kombinacija z računalnikom in prenos signala na daljavo brez izgube natančnosti.
Netočnosti in natančnost instrumentov
Najpomembnejša značilnost električnega merilnega instrumenta je razred točnosti. Merjenje električnih veličin, tako kot vsako drugo, ni mogoče izvesti brez upoštevanja napak tehnične naprave, pa tudi dodatnih dejavnikov (koeficientov), ki vplivajo na natančnost merjenja. Mejne vrednosti danih napak, dovoljenih za to vrsto naprave, se imenujejo normalizirane in so izražene v odstotkih. Določajo razred točnosti določene naprave.
Standardni razredi, ki se uporabljajo za označevanje lestvic merilnih naprav, so naslednji: 4, 0; 2, 5; petnajst; deset; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05 V skladu z njimi je vzpostavljena delitev glede na namen: naprave, ki spadajo v razrede od 0,05 do 0,2, so zgledne, razreda 0,5 in 1,0 imajo laboratorijske naprave in končno naprave razredov 1, 5–4, 0 so tehnične.
Pri izbiri merilne naprave je potrebno, da ustreza razredu problema, ki ga rešujemo, zgornja meja meritve pa mora biti čim bližje številčni vrednosti želene vrednosti. To pomeni, da večji kot je mogoče doseči odstopanje kazalca instrumenta, manjša bo relativna napaka meritve. Če so na voljo samo instrumenti nizkega razreda, je treba izbrati tistega z najmanjšim delovnim območjem. S temi metodami je mogoče meritve električnih veličin opraviti precej natančno. V tem primeru morate upoštevati tudi vrsto lestvice naprave (enakomerna ali neenakomerna, kot so lestvice ohmmetra).
Osnovne električne količine in njihove enote
Najpogosteje so električne meritve povezane z naslednjim nizom količin:
- Tokovna jakost (ali preprosto tok) I. Ta vrednost označuje količino električnega naboja, ki preide skozi odsek prevodnika v 1 sekundi. Merjenje velikosti električnega toka se izvaja v amperih (A) z uporabo ampermetrov, avometrov (testerjev, tako imenovanih "tseshek"), digitalnih multimetrov, instrumentnih transformatorjev.
- Količina električne energije (bremenitev) q. Ta vrednost določa, v kolikšni meri je določeno fizično telo lahko vir elektromagnetnega polja. Električni naboj se meri v kulonih (C). 1 C (amperska sekunda)=1 A ∙ 1 s. Instrumenti za merjenje so elektrometri ali elektronski merilniki naboja (kulonski metri).
- Napetost U. Izraža potencialno razliko (energijo naboja), ki obstaja med dvema različnima točkama električnega polja. Za dano električno količino je merska enota volt (V). Če polje za premikanje naboja 1 kulomb iz ene točke v drugo opravi delo 1 joula (to pomeni, da se porabi ustrezna energija), potempotencialna razlika - napetost - med temi točkami je 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Merjenje električne napetosti se izvaja z voltmetri, digitalnimi ali analognimi (testerji) multimetri.
- Resistance R. Karakterizira sposobnost prevodnika, da prepreči prehod električnega toka skozi njega. Enota upora je ohm. 1 ohm je upor prevodnika z napetostjo 1 volta na koncih proti toku 1 amper: 1 ohm=1 V / 1 A. Upor je premo sorazmeren s presekom in dolžino vodnika. Za merjenje se uporabljajo ohmetri, avometri, multimetri.
- Električna prevodnost (prevodnost) G je recipročna vrednost upora. Merjeno v simensu (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Zmogljivost C je merilo sposobnosti prevodnika za shranjevanje naboja, ki je tudi ena od osnovnih električnih veličin. Njegova merska enota je farad (F). Za kondenzator je ta vrednost opredeljena kot medsebojna kapacitivnost plošč in je enaka razmerju akumuliranega naboja in potencialne razlike na ploščah. Kapaciteta ravnega kondenzatorja se poveča s povečanjem površine plošč in z zmanjšanjem razdalje med njimi. Če se z nabojem 1 obeska na ploščah ustvari napetost 1 volta, bo kapacitivnost takšnega kondenzatorja enaka 1 farad: 1 F=1 C / 1 V. Merjenje se izvede z uporabo posebni instrumenti - merilniki kapacitivnosti ali digitalni multimetri.
- Moč P je vrednost, ki odraža hitrost, s katero se izvaja prenos (pretvorba) električne energije. Kot sistemska enota moči sprejetavat (W; 1 W=1J/s). To vrednost lahko izrazimo tudi z zmnožkom napetosti in jakosti toka: 1 W=1 V ∙ 1 A. Za izmenična vezja aktivna (porabljena) moč Pa, reaktivna P ra (ne sodeluje pri delovanju toka) in polne moči P. Pri merjenju se zanje uporabljajo naslednje enote: watt, var (okrajšava za "volt-ampere reactive") in v skladu s tem volt-amper V ∙ BUT. Njihove dimenzije so enake in služijo za razlikovanje med navedenimi količinami. Instrumenti za merjenje moči - analogni ali digitalni vatmetri. Posredne meritve (na primer z ampermetrom) niso vedno uporabne. Za določitev tako pomembne količine, kot je faktor moči (izražen kot fazni premik), se uporabljajo naprave, imenovane fazni merilniki.
- Pogostost f. To je značilnost izmeničnega toka, ki prikazuje število ciklov spremembe njegove velikosti in smeri (v splošnem primeru) v obdobju 1 sekunde. Frekvenčna enota je recipročna sekunda ali herc (Hz): 1 Hz=1 s-1. Ta vrednost se meri s pomočjo obsežnega razreda instrumentov, imenovanih merilniki frekvence.
magnetne količine
Magnetizem je tesno povezan z elektriko, saj sta oba manifestacija enega samega temeljnega fizikalnega procesa - elektromagnetizma. Zato je za metode in sredstva merjenja električnih in magnetnih veličin značilna enako tesna povezava. Obstajajo pa tudi nianse. Praviloma pri določanju slednjega praktičnoopravi se električna meritev. Magnetno vrednost dobimo posredno iz funkcionalnega razmerja, ki jo povezuje z električnim.
Referenčne vrednosti v tem merilnem območju so magnetna indukcija, jakost polja in magnetni tok. S pomočjo merilne tuljave naprave jih je mogoče pretvoriti v EMF, ki se izmeri, po katerem se izračunajo zahtevane vrednosti.
- Magnetni tok se meri z instrumenti, kot so webermetri (fotovoltaični, magnetoelektrični, analogni elektronski in digitalni) in zelo občutljivi balistični galvanometri.
- Indukcija in jakost magnetnega polja se merita s pomočjo teslametrov, opremljenih z različnimi vrstami pretvornikov.
Merjenje električnih in magnetnih veličin, ki so neposredno povezane, omogoča reševanje številnih znanstvenih in tehničnih problemov, na primer preučevanje atomskega jedra in magnetnega polja Sonca, Zemlje in planetov, preučevanje magnetne lastnosti različnih materialov, kontrola kakovosti in drugo.
Neelektrične količine
Priročnost električnih metod omogoča, da jih uspešno razširimo na meritve različnih fizikalnih veličin neelektrične narave, kot so temperatura, dimenzije (linearne in kotne), deformacije in številne druge ter za raziskovanje kemičnih procesov in sestave snovi.
Instrumenti za električno merjenje neelektričnih veličin so običajno kompleks senzorja - pretvornika v kateri koli parameter vezja (napetost,upornost) in električno merilno napravo. Obstaja veliko vrst pretvornikov, s katerimi lahko merite različne količine. Tukaj je le nekaj primerov:
- Reostatski senzorji. V takšnih pretvornikih, ko je izmerjena vrednost izpostavljena (na primer, ko se spremeni nivo tekočine ali njen volumen), se drsnik reostata premakne in s tem spremeni upor.
- Termistorji. Odpornost senzorja v napravah te vrste se spreminja pod vplivom temperature. Uporablja se za merjenje pretoka plina, temperature, za določanje sestave plinskih mešanic.
- Deformacijski upor omogoča merjenje napetosti žice.
- Fotosenzorji, ki pretvarjajo spremembo osvetlitve, temperature ali gibanja v fototok, ki se nato izmeri.
- Kapacitivni pretvorniki, ki se uporabljajo kot senzorji za kemijo zraka, premik, vlažnost, tlak.
- Piezoelektrični pretvorniki delujejo na principu pojava EMF v nekaterih kristalnih materialih, kadar se nanje mehansko nanašajo.
- Induktivni senzorji temeljijo na pretvorbi veličin, kot sta hitrost ali pospešek, v induciran emf.
Razvoj električnih merilnih instrumentov in metod
Široka paleta sredstev za merjenje električnih veličin je posledica številnih različnih pojavov, pri katerih imajo ti parametri pomembno vlogo. Električni procesi in pojavi imajo izjemno širok spekter uporabevse industrije - nemogoče je navesti takšno področje človeške dejavnosti, kjer ne bi našli uporabe. To določa vedno širši obseg problemov električnih meritev fizikalnih veličin. Raznolikost in izboljševanje sredstev in metod za reševanje teh problemov nenehno narašča. Še posebej hitro in uspešno razvija tako smer merilne tehnologije, kot je merjenje neelektričnih veličin z električnimi metodami.
Sodobna električna merilna tehnologija se razvija v smeri povečanja natančnosti, odpornosti proti hrupu in hitrosti ter vse večje avtomatizacije merilnega procesa in obdelave njegovih rezultatov. Merilni instrumenti so prešli od najpreprostejših elektromehanskih naprav do elektronskih in digitalnih naprav ter naprej do najnovejših merilnih in računalniških sistemov z uporabo mikroprocesorske tehnologije. Hkrati je povečanje vloge programske komponente merilnih naprav očitno glavni razvojni trend.
