Nevoile științei și tehnologiei includ o multitudine de măsurători, ale căror mijloace și metode sunt în mod constant dezvoltate și îmbunătățite. Cel mai important rol în acest domeniu revine măsurătorilor cantităților electrice, care sunt utilizate pe scară largă în diverse industrii.
Conceptul de măsurători
Măsurarea oricărei mărimi fizice se face prin compararea acesteia cu o cantitate de același tip de fenomene, luată ca unitate de măsură. Rezultatul obţinut prin comparaţie este prezentat numeric în unităţile corespunzătoare.
Această operațiune se realizează cu ajutorul unor instrumente speciale de măsurare - aparate tehnice care interacționează cu obiectul, a căror anumiți parametri urmează a fi măsurați. În acest caz, se folosesc anumite metode - tehnici prin care valoarea măsurată este comparată cu unitatea de măsură.
Există mai multe semne care servesc drept bază pentru clasificarea măsurătorilor mărimilor electrice după tip:
- Cantitateacte de măsurare. Aici, o singură dată sau multiplicitatea lor este esențială.
- Grad de precizie. Există măsurători tehnice, de control și verificare, cele mai precise măsurători, precum și măsurători egale și inegale.
- Natura modificării valorii măsurate în timp. Conform acestui criteriu, măsurătorile sunt statice și dinamice. Prin măsurători dinamice se obțin valori instantanee ale cantităților care se modifică în timp, iar măsurători statice - unele valori constante.
- Reprezentarea rezultatului. Măsurătorile mărimilor electrice pot fi exprimate în formă relativă sau absolută.
- Modul de a obține rezultatul dorit. Conform acestei caracteristici, măsurătorile sunt împărțite în directe (în care rezultatul se obține direct) și indirecte, în care se măsoară direct mărimile asociate valorii dorite printr-o anumită dependență funcțională. În acest din urmă caz, cantitatea fizică necesară este calculată din rezultatele obținute. Deci, măsurarea curentului cu un ampermetru este un exemplu de măsurare directă, iar puterea este una indirectă.
Măsurări
Dispozitivele destinate măsurării trebuie să aibă caracteristici normalizate și, de asemenea, să păstreze pentru un anumit timp sau să reproducă unitatea valorii pentru care sunt destinate.
Mijloacele de măsurare a cantităților electrice sunt împărțite în mai multe categorii în funcție de scop:
- Măsuri. Aceste instrumente servesc la reproducerea valorii unor datedimensiune - cum ar fi, de exemplu, un rezistor care reproduce o anumită rezistență cu o eroare cunoscută.
- Traductoare de măsurare care formează un semnal într-o formă convenabilă pentru stocare, conversie, transmisie. Informațiile de acest fel nu sunt disponibile pentru percepție directă.
- Aparate electrice de măsurare. Aceste instrumente sunt concepute pentru a prezenta informațiile într-o formă accesibilă observatorului. Pot fi portabile sau staționare, analogice sau digitale, de înregistrare sau de semnalizare.
- Instalațiile electrice de măsurare sunt complexe ale instrumentelor de mai sus și dispozitive suplimentare, concentrate într-un singur loc. Unitățile permit măsurători mai complexe (de exemplu, caracteristici magnetice sau rezistivitate), servesc ca dispozitive de verificare sau de referință.
- Sistemele electrice de măsurare sunt, de asemenea, o combinație de diferite mijloace. Cu toate acestea, spre deosebire de instalații, dispozitivele de măsurare a cantităților electrice și alte mijloace din sistem sunt dispersate. Cu ajutorul sistemelor, puteți măsura mai multe cantități, puteți stoca, procesa și transmite semnale de informații de măsurare.
Dacă este necesar să se rezolve o anumită problemă complexă de măsurare, se formează complexe de măsurare și de calcul care combină o serie de dispozitive și echipamente electronice de calcul.
Caracteristicile instrumentelor de măsură
Dispozitivele echipamentelor de măsurare au anumite proprietăți care sunt importantepentru a-și îndeplini funcțiile directe. Acestea includ:
- Caracteristici metrologice, cum ar fi sensibilitatea și pragul acesteia, domeniul de măsurare a unei mărimi electrice, eroarea instrumentului, valoarea diviziunii, viteza etc.
- Caracteristici dinamice, cum ar fi amplitudinea (dependența amplitudinii semnalului de ieșire al dispozitivului de amplitudinea la intrare) sau faza (dependența defazajului de frecvența semnalului).
- Caracteristici de performanță care reflectă măsura în care instrumentul îndeplinește cerințele de funcționare în anumite condiții. Acestea includ proprietăți precum fiabilitatea indicațiilor, fiabilitatea (operabilitatea, durabilitatea și funcționarea fără defecțiune a dispozitivului), mentenabilitatea, siguranța electrică, economia.
Setul de caracteristici echipamentului este stabilit de documentele de reglementare și tehnice relevante pentru fiecare tip de dispozitiv.
Metode aplicate
Măsurarea mărimilor electrice se realizează prin diverse metode, care pot fi, de asemenea, clasificate după următoarele criterii:
- Tipul de fenomene fizice pe baza cărora se face măsurarea (fenomene electrice sau magnetice).
- Natura interacțiunii instrumentului de măsurare cu obiectul. În funcție de acesta, se disting metodele de contact și cele fără contact pentru măsurarea cantităților electrice.
- Mod de măsurare. Potrivit acestuia, măsurătorile sunt dinamice și statice.
- Metoda de măsurare. Dezvoltat ca metode de estimare directă când cantitatea căutatădeterminat direct de dispozitiv (de exemplu, un ampermetru) și metode mai precise (zero, diferențial, opoziție, substituție), în care este detectat prin comparație cu o valoare cunoscută. Compensatoarele și punțile electrice de măsurare a curentului continuu și alternativ servesc drept dispozitive de comparație.
Instrumente electrice de măsură: tipuri și caracteristici
Măsurarea mărimilor electrice de bază necesită o mare varietate de instrumente. În funcție de principiul fizic care stă la baza activității lor, toți sunt împărțiți în următoarele grupuri:
- Dispozitivele electromecanice trebuie să aibă o parte mobilă în design. Acest grup mare de instrumente de măsurare include dispozitive electrodinamice, ferodinamice, magnetoelectrice, electromagnetice, electrostatice, cu inducție. De exemplu, principiul magnetoelectric, care este utilizat pe scară largă, poate fi folosit ca bază pentru dispozitive precum voltmetre, ampermetre, ohmmetre, galvanometre. Contoarele de energie electrică, contoarele de frecvență etc. se bazează pe principiul inducției.
- Dispozitivele electronice se disting prin prezența blocurilor suplimentare: convertoare de mărimi fizice, amplificatoare, convertoare etc. De regulă, în dispozitivele de acest tip, valoarea măsurată este convertită în tensiune, iar un voltmetru servește ca baza lor structurală. Instrumentele electronice de măsurare sunt folosite ca frecvențemetre, capacități, rezistențe, inductanțe, osciloscoape.
- Termoelectricdispozitivele combină în proiectarea lor un dispozitiv de măsurare de tip magnetoelectric și un convertor termic format dintr-un termocuplu și un încălzitor prin care circulă curentul măsurat. Instrumentele de acest tip sunt utilizate în principal pentru măsurarea curenților de în altă frecvență.
- Electrochimic. Principiul funcționării lor se bazează pe procesele care au loc pe electrozi sau în mediul studiat în spațiul interelectrod. Instrumente de acest tip sunt folosite pentru a măsura conductivitatea electrică, cantitatea de electricitate și unele cantități neelectrice.
După caracteristicile funcționale, se disting următoarele tipuri de instrumente pentru măsurarea mărimilor electrice:
- Indicator (semnalizare) - acestea sunt dispozitive care permit doar citirea directă a informațiilor de măsurare, cum ar fi wattmetre sau ampermetre.
- Înregistrare - dispozitive care permit posibilitatea înregistrării citirilor, de exemplu, osciloscoapele electronice.
În funcție de tipul de semnal, dispozitivele sunt împărțite în analogice și digitale. Dacă dispozitivul generează un semnal care este o funcție continuă a valorii măsurate, acesta este analog, de exemplu, un voltmetru, ale cărui citiri sunt date folosind o scară cu o săgeată. În cazul în care un semnal este generat automat în dispozitiv sub forma unui flux de valori discrete care intră pe afișaj sub formă numerică, se vorbește de un instrument digital de măsură.
Instrumentele digitale au unele dezavantaje în comparație cu cele analogice: fiabilitate mai mică,nevoie de alimentare cu energie, cost mai mare. Cu toate acestea, ele se disting și prin avantaje semnificative care fac, în general, utilizarea dispozitivelor digitale mai preferabilă: ușurință în utilizare, acuratețe ridicată și imunitate la zgomot, posibilitatea de universalizare, combinație cu un computer și transmiterea semnalului de la distanță fără pierderi de precizie.
Inexactități și acuratețea instrumentelor
Cea mai importantă caracteristică a unui instrument de măsurat electric este clasa de precizie. Măsurarea mărimilor electrice, ca oricare alta, nu poate fi efectuată fără a ține cont de erorile dispozitivului tehnic, precum și de factorii suplimentari (coeficienți) care afectează precizia măsurării. Valorile limită ale erorilor date admise pentru acest tip de dispozitiv se numesc normalizate și sunt exprimate în procente. Acestea determină clasa de precizie a unui anumit dispozitiv.
Clasele standard utilizate pentru marcarea cântarelor aparatelor de măsură sunt următoarele: 4, 0; 2, 5; cincisprezece; zece; 0,5; 0,2; 0,1; 0.05. În conformitate cu acestea, se stabilește o împărțire în funcție de scop: dispozitivele aparținând claselor de la 0.05 la 0.2 sunt exemplare, clasele 0.5 și 1.0 au dispozitive de laborator și, în final, dispozitivele din clasele 1, 5–4, 0 sunt tehnice..
La alegerea unui dispozitiv de măsurare, este necesar ca acesta să corespundă clasei problemei care se rezolvă, în timp ce limita superioară de măsurare să fie cât mai apropiată de valoarea numerică a valorii dorite. Adică, cu cât se poate obține o abatere mai mare a indicatorului instrumentului, cu atât eroarea relativă a măsurătorii va fi mai mică. Dacă sunt disponibile doar instrumente de clasă joasă, ar trebui să fie selectat cel cu cel mai mic domeniu de operare. Folosind aceste metode, măsurătorile mărimilor electrice pot fi efectuate destul de precis. În acest caz, trebuie să țineți cont și de tipul de scară a dispozitivului (uniformă sau neuniformă, cum ar fi scalele ohmmetre).
Mărimile electrice de bază și unitățile acestora
Cel mai adesea, măsurătorile electrice sunt asociate cu următorul set de mărimi:
- Puterea curentului (sau pur și simplu curent) I. Această valoare indică cantitatea de sarcină electrică care trece prin secțiunea conductorului în 1 secundă. Măsurarea mărimii curentului electric se realizează în amperi (A) folosind ampermetre, avometre (testere, așa-numitele „tseshek”), multimetre digitale, transformatoare de instrumente.
- Cantitatea de energie electrică (încărcare) q. Această valoare determină în ce măsură un anumit corp fizic poate fi o sursă a unui câmp electromagnetic. Sarcina electrică se măsoară în coulombs (C). 1 C (amperi-secundă)=1 A ∙ 1 s. Instrumentele de măsurare sunt electrometrele sau contoarele electronice de încărcare (contoare de coulomb).
- Voltaj U. Exprimă diferența de potențial (energia de încărcare) care există între două puncte diferite ale câmpului electric. Pentru o anumită mărime electrică, unitatea de măsură este voltul (V). Dacă pentru a muta o sarcină de 1 coulomb dintr-un punct în altul, câmpul lucrează de 1 joule (adică energia corespunzătoare este consumată), atuncidiferența de potențial - tensiune - între aceste puncte este de 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Măsurarea tensiunii electrice se realizează cu ajutorul voltmetrelor, multimetrelor digitale sau analogice (testere).
- Rezistența R. Caracterizează capacitatea unui conductor de a împiedica trecerea curentului electric prin el. Unitatea de rezistență este ohm. 1 ohm este rezistența unui conductor cu o tensiune de 1 volt la capete la un curent de 1 amper: 1 ohm=1 V / 1 A. Rezistența este direct proporțională cu secțiunea transversală și lungimea conductorului. Pentru măsurarea acestuia se folosesc ohmetre, avometre, multimetre.
- Conductivitatea electrică (conductibilitatea) G este reciproca rezistenței. Măsurat în siemens (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Capacitatea C este o măsură a capacității unui conductor de a stoca sarcina, de asemenea, una dintre cantitățile electrice de bază. Unitatea sa de măsură este faradul (F). Pentru un condensator, această valoare este definită ca capacitatea reciprocă a plăcilor și este egală cu raportul dintre sarcina acumulată și diferența de potențial de pe plăci. Capacitatea unui condensator plat crește odată cu creșterea suprafeței plăcilor și cu scăderea distanței dintre ele. Dacă, cu o sarcină de 1 pandantiv, se creează o tensiune de 1 volt pe plăci, atunci capacitatea unui astfel de condensator va fi egală cu 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Măsurarea se efectuează folosind instrumente speciale - contoare de capacitate sau multimetre digitale.
- Puterea P este o valoare care reflectă viteza cu care se realizează transferul (conversia) energiei electrice. Ca unitate de sistem de putere adoptatăwatt (W; 1 W=1 J/s). Această valoare poate fi exprimată și prin produsul tensiunii și intensității curentului: 1 W=1 V ∙ 1 A. Pentru circuitele de curent alternativ, puterea activă (consumată) Pa, reactiv P ra (nu ia parte la funcționarea curentului) și puterea maximă P. La măsurare, se folosesc următoarele unități pentru acestea: watt, var (însemnă „volt-ampere reactiv”) și, în consecință, volt-amper V ∙ DAR. Dimensiunile lor sunt aceleași și servesc pentru a face distincția între cantitățile indicate. Instrumente pentru măsurarea puterii - wattmetre analogice sau digitale. Măsurătorile indirecte (de exemplu, folosind un ampermetru) nu sunt întotdeauna aplicabile. Pentru a determina o cantitate atât de importantă precum factorul de putere (exprimat în termeni de unghi de defazare), se folosesc dispozitive numite contoare de fază.
- Frecvență f. Aceasta este o caracteristică a unui curent alternativ, care arată numărul de cicluri de schimbare a mărimii și direcției sale (în cazul general) pe o perioadă de 1 secundă. Unitatea de frecvență este secunda reciprocă sau hertzi (Hz): 1 Hz=1 s-1. Această valoare este măsurată cu ajutorul unei clase extinse de instrumente numite frecvențămetre.
Cantități magnetice
Magnetismul este strâns legat de electricitate, deoarece ambele sunt manifestări ale unui singur proces fizic fundamental - electromagnetismul. Prin urmare, o legătură la fel de strânsă este caracteristică metodelor și mijloacelor de măsurare a cantităților electrice și magnetice. Dar există și nuanțe. De regulă, la determinarea acestuia din urmă, practicse face o masurare electrica. Valoarea magnetică se obține indirect din relația funcțională care o leagă de cea electrică.
Valorile de referință din această zonă de măsurare sunt inducția magnetică, intensitatea câmpului și fluxul magnetic. Acestea pot fi convertite folosind bobina de măsurare a dispozitivului în EMF, care este măsurată, după care se calculează valorile necesare.
- Fluxul magnetic este măsurat folosind instrumente precum webermetre (fotovoltaice, magnetoelectrice, electronice analogice și digitale) și galvanometre balistice foarte sensibile.
- Inducția și intensitatea câmpului magnetic sunt măsurate folosind teslametre echipate cu diferite tipuri de traductoare.
Măsurarea mărimilor electrice și magnetice, care sunt direct legate, permite rezolvarea multor probleme științifice și tehnice, de exemplu, studiul nucleului atomic și al câmpului magnetic al Soarelui, al Pământului și al planetelor, studiul proprietățile magnetice ale diferitelor materiale, controlul calității și altele.
Cantități neelectrice
Comfortul metodelor electrice face posibilă extinderea cu succes a acestora la măsurători de diferite mărimi fizice de natură neelectrică, cum ar fi temperatura, dimensiunile (liniare și unghiulare), deformarea și multe altele, precum și pentru a investiga procesele chimice și compoziția substanțelor.
Instrumentele pentru măsurarea electrică a cantităților neelectrice sunt de obicei un complex de senzor - un convertor în orice parametru de circuit (tensiune,rezistență) și dispozitiv electric de măsurare. Există multe tipuri de traductoare, datorită cărora puteți măsura o varietate de cantități. Iată doar câteva exemple:
- Senzori reostatici. La astfel de traductoare, atunci când valoarea măsurată este expusă (de exemplu, când nivelul lichidului sau volumul acestuia se modifică), cursorul reostatului se mișcă, modificând astfel rezistența.
- Termistori. Rezistența senzorului la dispozitivele de acest tip se modifică sub influența temperaturii. Folosit pentru a măsura debitul de gaz, temperatura, pentru a determina compoziția amestecurilor de gaze.
- Rezistența la deformare permite măsurarea deformarii firului.
- Fotosenzori care convertesc o schimbare a luminii, temperaturii sau mișcării într-un fotocurent apoi măsurat.
- Traductoare capacitive utilizate ca senzori pentru chimia aerului, deplasare, umiditate, presiune.
- Traductoarele piezoelectrice funcționează pe principiul apariției EMF în unele materiale cristaline atunci când sunt aplicate mecanic asupra acestora.
- Senzorii inductivi se bazează pe conversia unor cantități precum viteza sau accelerația într-o fem indusă.
Dezvoltarea instrumentelor și metodelor electrice de măsură
O mare varietate de mijloace de măsurare a mărimilor electrice se datorează multor fenomene diferite în care acești parametri joacă un rol semnificativ. Procesele și fenomenele electrice au o gamă extrem de largă de utilizări întoate industriile - este imposibil să se indice o astfel de zonă a activității umane în care nu și-ar găsi aplicație. Aceasta determină gama în continuă extindere a problemelor măsurătorilor electrice ale mărimilor fizice. Varietatea și îmbunătățirea mijloacelor și metodelor de rezolvare a acestor probleme este în continuă creștere. În special, dezvoltă rapid și cu succes o astfel de direcție a tehnologiei de măsurare precum măsurarea mărimilor neelectrice prin metode electrice.
Tehnologia modernă de măsurare electrică se dezvoltă în direcția creșterii preciziei, imunității la zgomot și vitezei, precum și în creșterea automatizării procesului de măsurare și a procesării rezultatelor acestuia. Instrumentele de măsurare au trecut de la cele mai simple dispozitive electromecanice la dispozitive electronice și digitale și, mai departe, la cele mai recente sisteme de măsurare și calcul care utilizează tehnologia microprocesoarelor. În același timp, creșterea rolului componentei software a aparatelor de măsură este, evident, principala tendință de dezvoltare.
