Potrebe znanosti i tehnologije uključuju mnoštvo mjerenja čija se sredstva i metode neprestano razvijaju i poboljšavaju. Najvažnija uloga u ovom području pripada mjerenju električnih veličina koje se široko koriste u raznim industrijama.
Koncept mjerenja
Mjerenje bilo koje fizičke veličine se vrši uspoređivanjem s nekom količinom iste vrste fenomena, koja se uzima kao mjerna jedinica. Rezultat dobiven usporedbom prikazan je brojčano u odgovarajućim jedinicama.
Ova se operacija provodi uz pomoć posebnih mjernih instrumenata - tehničkih uređaja koji su u interakciji s objektom, čiji se određeni parametri mjere. U ovom slučaju koriste se određene metode - tehnike kojima se izmjerena vrijednost uspoređuje s mjernom jedinicom.
Postoji nekoliko znakova koji služe kao osnova za klasifikaciju mjerenja električnih veličina prema vrsti:
- Količinaradnje mjerenja. Ovdje je bitna njihova jednokratna ili višestruka.
- Stupanj točnosti. Postoje tehnička, kontrolna i verifikacija, najtočnija mjerenja, kao i jednaka i nejednaka mjerenja.
- Priroda promjene izmjerene vrijednosti tijekom vremena. Prema ovom kriteriju mjerenja su statična i dinamička. Kroz dinamička mjerenja dobivaju se trenutne vrijednosti veličina koje se mijenjaju tijekom vremena, a statička mjerenja - neke konstantne vrijednosti.
- Prikaz rezultata. Mjerenja električnih veličina mogu se izraziti u relativnom ili apsolutnom obliku.
- Način za postizanje željenog rezultata. Prema ovom obilježju mjerenja se dijele na izravna (u kojima se rezultat dobiva izravno) i neizravna, u kojima se izravno mjere veličine povezane s željenom vrijednošću nekom funkcionalnom ovisnošću. U potonjem slučaju, potrebna fizička veličina izračunava se iz dobivenih rezultata. Dakle, mjerenje struje ampermetrom je primjer izravnog mjerenja, a snaga je neizravno.
Mjerenja
Uređaji namijenjeni mjerenju moraju imati normalizirane karakteristike, a također moraju zadržati određeno vrijeme ili reproducirati jedinicu vrijednosti za koju su namijenjeni.
Sredstva za mjerenje električnih veličina podijeljena su u nekoliko kategorija ovisno o namjeni:
- Mjere. Ti alati služe za reprodukciju vrijednosti neke danostiveličina - poput, na primjer, otpornika koji reproducira određeni otpor s poznatom pogreškom.
- Mjerni pretvarači koji formiraju signal u obliku prikladnom za pohranu, pretvorbu, prijenos. Informacije ove vrste nisu dostupne za izravnu percepciju.
- Električni mjerni uređaji. Ti su alati dizajnirani da prezentiraju informacije u obliku dostupnom promatraču. Mogu biti prijenosni ili stacionarni, analogni ili digitalni, za snimanje ili signalizaciju.
- Električne mjerne instalacije su kompleksi navedenih alata i dodatnih uređaja, koncentrirani na jednom mjestu. Jedinice omogućuju složenija mjerenja (primjerice, magnetske karakteristike ili otpornost), služe kao verifikacijski ili referentni uređaji.
- Električni mjerni sustavi također su kombinacija različitih sredstava. Međutim, za razliku od instalacija, uređaji za mjerenje električnih veličina i druga sredstva u sustavu su raspršeni. Uz pomoć sustava možete izmjeriti nekoliko veličina, pohraniti, obraditi i prenijeti mjerne informacijske signale.
Ako je potrebno riješiti konkretan složeni mjerni problem, formiraju se mjerno-računski kompleksi koji kombiniraju niz uređaja i elektroničke računalne opreme.
Karakteristike mjernih instrumenata
Uređaji za mjernu opremu imaju određena svojstva koja su važnaobavljati svoje izravne funkcije. To uključuje:
- Mjeriteljske karakteristike, kao što su osjetljivost i njezin prag, mjerni raspon električne veličine, pogreška instrumenta, vrijednost podjele, brzina, itd.
- Dinamske karakteristike, kao što su amplituda (ovisnost amplitude izlaznog signala uređaja o amplitudi na ulazu) ili faza (ovisnost pomaka faze o frekvenciji signala).
- Karakteristike izvedbe koje odražavaju stupanj u kojem instrument zadovoljava zahtjeve rada pod određenim uvjetima. To uključuje svojstva kao što su pouzdanost indikacija, pouzdanost (operabilnost, izdržljivost i rad uređaja bez kvarova), mogućnost održavanja, električna sigurnost, ekonomičnost.
Skup karakteristika opreme utvrđen je relevantnim regulatornim i tehničkim dokumentima za svaku vrstu uređaja.
Primijenjene metode
Mjerenje električnih veličina provodi se različitim metodama, koje se također mogu klasificirati prema sljedećim kriterijima:
- Vrsta fizikalnih pojava na temelju kojih se vrši mjerenje (električni ili magnetski fenomeni).
- Priroda interakcije mjernog alata s objektom. Ovisno o tome, razlikuju se kontaktne i beskontaktne metode mjerenja električnih veličina.
- Način mjerenja. Prema njemu, mjerenja su dinamična i statična.
- Metoda mjerenja. Razvijeno kao metode izravne procjene kada se traži količinaizravno određene uređajem (na primjer, ampermetar), i točnije metode (nula, diferencijal, opozicija, supstitucija), u kojima se detektira usporedbom s poznatom vrijednošću. Kompenzatori i električni mjerni mostovi istosmjerne i izmjenične struje služe kao uređaji za usporedbu.
Električni mjerni instrumenti: vrste i značajke
Mjerenje osnovnih električnih veličina zahtijeva širok izbor instrumenata. Ovisno o fizičkom principu na kojem se temelji njihov rad, svi su podijeljeni u sljedeće grupe:
- Elektromehanički uređaji moraju imati pokretni dio u svom dizajnu. Ova velika skupina mjernih instrumenata uključuje elektrodinamičke, ferodinamičke, magnetoelektrične, elektromagnetske, elektrostatičke, indukcijske uređaje. Na primjer, magnetoelektrični princip, koji se vrlo široko koristi, može se koristiti kao osnova za takve uređaje kao što su voltmetri, ampermetri, ohmmetri, galvanometri. Mjerila električne energije, frekvencije itd. temelje se na principu indukcije.
- Elektronske uređaje odlikuje prisutnost dodatnih blokova: pretvarači fizičkih veličina, pojačala, pretvarači itd. U pravilu se u uređajima ove vrste izmjerena vrijednost pretvara u napon, a voltmetar služi kao njihovu strukturnu osnovu. Elektronički mjerni instrumenti koriste se kao mjerači frekvencije, kapacitivnosti, otpora, induktiviteta, osciloskopi.
- Termoelektričniuređaji u svom dizajnu kombiniraju mjerni uređaj magnetoelektričnog tipa i toplinski pretvarač formiran od termoelementa i grijača kroz koji teče izmjerena struja. Instrumenti ovog tipa uglavnom se koriste za mjerenje visokofrekventnih struja.
- Elektrokemijska. Princip njihova rada temelji se na procesima koji se događaju na elektrodama ili u ispitivanom mediju u međuelektrodnom prostoru. Instrumenti ove vrste koriste se za mjerenje električne vodljivosti, količine električne energije i nekih neelektričnih veličina.
Prema funkcionalnim karakteristikama razlikuju se sljedeće vrste instrumenata za mjerenje električnih veličina:
- Indiciranje (signalizacija) - to su uređaji koji dopuštaju samo izravno čitanje mjernih informacija, kao što su vatmetri ili ampermetri.
- Snimanje - uređaji koji dopuštaju mogućnost snimanja očitanja, na primjer, elektronički osciloskopi.
Prema vrsti signala uređaji se dijele na analogne i digitalne. Ako uređaj generira signal koji je kontinuirana funkcija izmjerene vrijednosti, to je analogni, na primjer, voltmetar, čija se očitanja daju pomoću skale sa strelicom. U slučaju da se u uređaju automatski generira signal u obliku toka diskretnih vrijednosti koji ulazi na zaslon u numeričkom obliku, govori se o digitalnom mjernom instrumentu.
Digitalni instrumenti imaju neke nedostatke u odnosu na analogne: manju pouzdanost,potreba za napajanjem, veća cijena. Međutim, odlikuju ih i značajne prednosti koje općenito čine korištenje digitalnih uređaja poželjnijim: jednostavnost korištenja, visoka točnost i otpornost na buku, mogućnost univerzalizacije, kombinacija s računalom i daljinski prijenos signala bez gubitka točnosti.
Netočnosti i točnost instrumenata
Najvažnija karakteristika električnog mjernog instrumenta je klasa točnosti. Mjerenje električnih veličina, kao i svako drugo, ne može se provoditi bez uzimanja u obzir pogrešaka tehničkog uređaja, kao i dodatnih čimbenika (koeficijenata) koji utječu na točnost mjerenja. Granične vrijednosti zadanih pogrešaka dopuštenih za ovu vrstu uređaja nazivaju se normalizirane i izražavaju se u postocima. Oni određuju klasu točnosti određenog uređaja.
Standardne klase koje se koriste za označavanje ljestvica mjernih uređaja su sljedeće: 4, 0; 2, 5; petnaest; deset; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05 U skladu s njima uspostavljena je podjela prema namjeni: uređaji koji pripadaju klasama od 0,05 do 0,2 su ogledni, klase 0,5 i 1,0 imaju laboratorijske uređaje i, konačno, uređaji klasa 1, 5–4, 0 su tehnički.
Prilikom odabira mjernog uređaja potrebno je da odgovara klasi problema koji se rješava, a gornja granica mjerenja treba biti što bliža brojčanoj vrijednosti željene vrijednosti. Odnosno, što se može postići veće odstupanje pokazivača instrumenta, to će biti manja relativna pogreška mjerenja. Ako su dostupni samo instrumenti niske klase, treba odabrati onaj s najmanjim radnim rasponom. Koristeći ove metode, mjerenja električnih veličina mogu se provesti prilično precizno. U tom slučaju također morate uzeti u obzir vrstu skale uređaja (ujednačena ili neravnomjerna, kao što su ohmmetarske skale).
Osnovne električne veličine i njihove jedinice
Najčešće su električna mjerenja povezana sa sljedećim skupom veličina:
- Jačina struje (ili jednostavno struja) I. Ova vrijednost označava količinu električnog naboja koji prolazi kroz dio vodiča u 1 sekundi. Mjerenje veličine električne struje provodi se u amperima (A) pomoću ampermetara, avometara (testera, tzv. "tseshek"), digitalnih multimetara, instrumentnih transformatora.
- Količina električne energije (naplata) q. Ova vrijednost određuje u kojoj mjeri određeno fizičko tijelo može biti izvor elektromagnetskog polja. Električni naboj se mjeri u kulonima (C). 1 C (amper-sekunda)=1 A ∙ 1 s. Instrumenti za mjerenje su elektrometri ili elektronički mjerači naboja (kulonometri).
- Napon U. Izražava razliku potencijala (energija naboja) koja postoji između dvije različite točke električnog polja. Za danu električnu veličinu mjerna jedinica je volt (V). Ako za pomicanje naboja od 1 kulona iz jedne točke u drugu, polje izvrši rad od 1 džula (tj. troši se odgovarajuća energija), tadarazlika potencijala - napon - između ovih točaka je 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Mjerenje električnog napona provodi se pomoću voltmetara, digitalnih ili analognih (testera) multimetara.
- Otpor R. Karakterizira sposobnost vodiča da spriječi prolaz električne struje kroz njega. Jedinica otpora je ohm. 1 ohm je otpor vodiča s naponom od 1 volta na krajevima prema struji od 1 ampera: 1 ohm=1 V / 1 A. Otpor je izravno proporcionalan presjeku i duljini vodiča. Za mjerenje se koriste ommetri, avometri, multimetri.
- Električna vodljivost (vodljivost) G je recipročna vrijednost otpora. Izmjereno u siemensu (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Kapacitet C je mjera sposobnosti vodiča da pohrani naboj, također jednu od osnovnih električnih veličina. Njegova mjerna jedinica je farad (F). Za kondenzator je ta vrijednost definirana kao međusobni kapacitet ploča i jednaka je omjeru akumuliranog naboja i razlike potencijala na pločama. Kapacitet ravnog kondenzatora raste s povećanjem površine ploča i smanjenjem udaljenosti između njih. Ako se s nabojem od 1 privjeska na pločama stvori napon od 1 volta, tada će kapacitet takvog kondenzatora biti jednak 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Mjerenje se provodi pomoću specijalni instrumenti - mjerači kapacitivnosti ili digitalni multimetri.
- Snaga P je vrijednost koja odražava brzinu kojom se obavlja prijenos (pretvorba) električne energije. Kao sistemska jedinica snage usvojenavat (W; 1 W=1J/s). Ova vrijednost se također može izraziti umnošku napona i jakosti struje: 1 W=1 V ∙ 1 A. Za AC krugove, aktivna (potrošena) snaga Pa, reaktivna P ra (ne sudjeluje u radu struje) i puna snaga P. Prilikom mjerenja za njih se koriste sljedeće jedinice: watt, var (znači "volt-amper reactive") i, prema tome, volt-amper V ∙ ALI. Dimenzije su im iste, a služe za razlikovanje naznačenih veličina. Instrumenti za mjerenje snage - analogni ili digitalni vatmetri. Neizravna mjerenja (na primjer, korištenjem ampermetra) nisu uvijek primjenjiva. Za određivanje tako važne veličine kao što je faktor snage (izražen u kutu pomaka faze), koriste se uređaji koji se nazivaju fazometri.
- Učestalost f. Ovo je karakteristika izmjenične struje, koja pokazuje broj ciklusa promjene njezine veličine i smjera (u općem slučaju) u razdoblju od 1 sekunde. Jedinica frekvencije je recipročna sekunda, ili herc (Hz): 1 Hz=1 s-1. Ova vrijednost se mjeri pomoću opsežne klase instrumenata koji se nazivaju mjerači frekvencije.
Magnetske količine
Magnetizam je usko povezan s elektricitetom, budući da su oboje manifestacije jednog temeljnog fizičkog procesa - elektromagnetizma. Stoga je jednako bliska povezanost karakteristična za metode i sredstva mjerenja električnih i magnetskih veličina. Ali postoje i nijanse. U pravilu, pri određivanju potonjeg, praktičnovrši se električno mjerenje. Magnetska vrijednost se dobiva neizravno iz funkcionalnog odnosa koji je povezuje s električnim.
Referentne vrijednosti u ovom području mjerenja su magnetska indukcija, jakost polja i magnetski tok. Mogu se pretvoriti pomoću mjerne zavojnice uređaja u EMF, koji se mjeri, nakon čega se izračunavaju tražene vrijednosti.
- Magnetski tok se mjeri pomoću instrumenata kao što su webermetri (fotonaponski, magnetoelektrični, analogni elektronički i digitalni) i visokoosjetljivi balistički galvanometri.
- Snaga indukcije i magnetskog polja mjere se pomoću testametara opremljenih raznim vrstama pretvarača.
Mjerenje električnih i magnetskih veličina, koje su izravno povezane, omogućuje rješavanje mnogih znanstvenih i tehničkih problema, na primjer, proučavanje atomske jezgre i magnetskog polja Sunca, Zemlje i planeta, proučavanje magnetska svojstva raznih materijala, kontrola kvalitete i ostalo.
Neelektrične količine
Pogodnost električnih metoda omogućuje njihovo uspješno proširenje na mjerenja različitih fizičkih veličina neelektrične prirode, kao što su temperatura, dimenzije (linearne i kutne), deformacije i mnoge druge, kao i istražiti kemijske procese i sastav tvari.
Instrumenti za električno mjerenje neelektričnih veličina obično su kompleks senzora - pretvarač u bilo koji parametar strujnog kruga (napon,otpor) i električni mjerni uređaj. Postoji mnogo vrsta pretvarača, zahvaljujući kojima možete mjeriti različite količine. Evo samo nekoliko primjera:
- Reostatski senzori. U takvim pretvaračima, kada je izmjerena vrijednost izložena (na primjer, kada se promijeni razina tekućine ili njezin volumen), klizač reostata se pomiče, čime se mijenja otpor.
- Termistori. Otpor senzora u uređajima ove vrste mijenja se pod utjecajem temperature. Koristi se za mjerenje brzine protoka plina, temperature, za određivanje sastava plinskih mješavina.
- Otpor na naprezanje omogućuje mjerenje naprezanja žice.
- Fotosenzori koji pretvaraju promjenu osvjetljenja, temperature ili kretanja u fotostruju koja se zatim mjeri.
- Kapacitivni pretvarači koji se koriste kao senzori za kemiju zraka, pomak, vlažnost, tlak.
- Piezoelektrični pretvarači rade na principu pojave EMF-a u nekim kristalnim materijalima kada se na njih mehanički primjenjuju.
- Induktivni senzori temelje se na pretvorbi veličina kao što su brzina ili ubrzanje u inducirani emf.
Razvoj električnih mjernih instrumenata i metoda
Širok izbor sredstava za mjerenje električnih veličina rezultat je mnogih različitih pojava u kojima ovi parametri igraju značajnu ulogu. Električni procesi i pojave imaju izuzetno široku primjenu usve industrije - nemoguće je naznačiti takvo područje ljudske aktivnosti u kojem ne bi našli primjenu. To određuje sve širi raspon problema električnih mjerenja fizikalnih veličina. Raznolikost i usavršavanje sredstava i metoda za rješavanje ovih problema neprestano raste. Osobito brzo i uspješno razvija takav smjer mjerne tehnologije kao što je mjerenje neelektričnih veličina električnim metodama.
Moderna električna mjerna tehnologija razvija se u smjeru povećanja točnosti, otpornosti na buku i brzine, kao i sve veće automatizacije mjernog procesa i obrade njegovih rezultata. Mjerni instrumenti su prošli put od najjednostavnijih elektromehaničkih uređaja do elektroničkih i digitalnih uređaja, te dalje do najnovijih mjernih i računalnih sustava koji koriste mikroprocesorsku tehnologiju. Istovremeno, povećanje uloge softverske komponente mjernih uređaja očito je glavni trend razvoja.
