A tudomány és a technológia igényeihez mérések sokasága tartozik, amelyek eszközeit és módszereit folyamatosan fejlesztik és fejlesztik. Ezen a területen a legfontosabb szerep az elektromos mennyiségek méréseké, amelyeket széles körben alkalmaznak a különböző iparágakban.
A mérés fogalma
Bármilyen fizikai mennyiség mérése úgy történik, hogy összehasonlítják azt a mértékegységnek vett, azonos típusú jelenség valamely mennyiségével. Az összehasonlítással kapott eredményt numerikusan, a megfelelő mértékegységekben adjuk meg.
Ezt a műveletet speciális mérőműszerek segítségével hajtják végre - olyan műszaki eszközök, amelyek kölcsönhatásba lépnek a tárggyal, és amelyek bizonyos paramétereit mérni kell. Ebben az esetben bizonyos módszereket alkalmaznak - olyan technikákat, amelyek segítségével a mért értéket összehasonlítják a mértékegységgel.
Több jel is szolgál az elektromos mennyiségek mérésének típus szerinti osztályozására:
- Mennyiségmérési aktusok. Itt ezek egyszeri vagy többszörössége elengedhetetlen.
- Pontossági fok. Vannak műszaki, ellenőrzési és hitelesítési, a legpontosabb mérések, valamint egyenlő és egyenlőtlen mérések.
- A mért érték időbeli változásának természete. E kritérium szerint a mérések statikusak és dinamikusak. A dinamikus mérések révén az időben változó mennyiségek pillanatnyi értékeit, statikus mérésekkel pedig néhány állandó értéket kapunk.
- Az eredmény ábrázolása. Az elektromos mennyiségek mérése kifejezhető relatív vagy abszolút formában.
- A kívánt eredmény elérésének módja. E jellemző szerint a méréseket direktre (amelyben az eredményt közvetlenül kapják) és indirektre osztják, amelyekben közvetlenül mérik a kívánt értékhez valamilyen funkcionális függőséggel társított mennyiségeket. Ez utóbbi esetben a kapott eredményekből számítják ki a szükséges fizikai mennyiséget. Tehát az áram ampermérővel történő mérése egy példa a közvetlen mérésre, a teljesítmény pedig egy közvetett mérésre.
Mérések
A mérésre szánt eszközöknek normalizált jellemzőkkel kell rendelkezniük, és egy bizonyos ideig meg kell őrizniük vagy reprodukálniuk kell az érték egységét, amelyre szánták.
Az elektromos mennyiségek mérésére szolgáló eszközök a céltól függően több kategóriába sorolhatók:
- Intézkedések. Ezek az eszközök arra szolgálnak, hogy újratermeljék az adott értékétméret – mint például egy ellenállás, amely egy bizonyos ellenállást ismert hibával reprodukál.
- Mérő jelátalakítók, amelyek tárolásra, átalakításra és átvitelre alkalmas formában adnak jelet. Az ilyen jellegű információk közvetlen észlelésre nem állnak rendelkezésre.
- Elektromos mérőeszközök. Ezeket az eszközöket arra tervezték, hogy az információkat a megfigyelő számára hozzáférhető formában jelenítsék meg. Lehetnek hordozhatóak vagy helyhez kötöttek, analógok vagy digitálisak, rögzítők vagy jelzőberendezések.
- Az elektromos mérőberendezések a fenti eszközök és kiegészítő eszközök komplexumai, amelyek egy helyen koncentrálódnak. Az egységek bonyolultabb méréseket tesznek lehetővé (például mágneses jellemzők vagy ellenállás), ellenőrző vagy referenciaeszközként szolgálnak.
- Az elektromos mérőrendszerek is különféle eszközök kombinációját jelentik. A berendezésektől eltérően azonban az elektromos mennyiségek és egyéb eszközök mérésére szolgáló eszközök a rendszerben szétszórtan helyezkednek el. A rendszerek segítségével többféle mennyiséget mérhet, mérési információs jeleket tárolhat, feldolgozhat és továbbíthat.
Ha egy konkrét összetett mérési feladat megoldására van szükség, akkor olyan mérési és számítási komplexumok jönnek létre, amelyek számos eszközt és elektronikus számítástechnikai berendezést egyesítenek.
Mérőműszerek jellemzői
A mérőberendezések bizonyos fontos tulajdonságokkal rendelkeznekközvetlen funkciójuk ellátására. Ezek a következők:
- Metrológiai jellemzők, például érzékenység és küszöbértéke, elektromos mennyiség mérési tartománya, műszerhiba, osztásérték, sebesség stb.
- Dinamikus jellemzők, például amplitúdó (az eszköz kimeneti jelének amplitúdójának függősége a bemeneti amplitúdótól) vagy fázis (a fáziseltolás függése a jel frekvenciájától).
- Teljesítményjellemzők, amelyek azt tükrözik, hogy a műszer milyen mértékben felel meg a működési követelményeknek bizonyos feltételek mellett. Ide tartoznak az olyan tulajdonságok, mint a jelzések megbízhatósága, a megbízhatóság (a készülék működőképessége, tartóssága és hibamentes működése), karbantarthatóság, elektromos biztonság, gazdaságosság.
A berendezés jellemzőinek készletét az egyes készüléktípusokra vonatkozó szabályozási és műszaki dokumentumok határozzák meg.
Alkalmazott módszerek
Az elektromos mennyiségek mérése különféle módszerekkel történik, amelyek a következő szempontok szerint is osztályozhatók:
- Fizikai jelenségek, amelyek alapján a mérés történik (elektromos vagy mágneses jelenségek).
- A mérőeszköz és az objektum interakciójának jellege. Attól függően különböztetjük meg az érintkező és az érintésmentes módszereket az elektromos mennyiségek mérésére.
- Mérési mód. Eszerint a mérések dinamikusak és statikusak.
- Mérési módszer. A keresett mennyiség közvetlen becslésének módszereiként fejlesztették kiközvetlenül az eszköz által meghatározott (például ampermérő), és pontosabb módszerek (nulla, differenciál, oppozíció, helyettesítés), amelyekben egy ismert értékkel való összehasonlítás révén észlelhető. Az egyen- és váltóáram kompenzátorai és elektromos mérőhidai összehasonlító eszközként szolgálnak.
Elektromos mérőműszerek: típusok és jellemzők
Az alapvető elektromos mennyiségek mérése sokféle műszert igényel. A munkájuk alapjául szolgáló fizikai elvtől függően mindegyik a következő csoportokba sorolható:
- Az elektromechanikus eszközök kialakításában mozgó alkatrésznek kell lennie. A mérőműszerek ebbe a nagy csoportjába tartoznak az elektrodinamikus, ferrodinamikai, magnetoelektromos, elektromágneses, elektrosztatikus, indukciós eszközök. Például a magnetoelektromos elv, amelyet nagyon széles körben használnak, olyan eszközök alapjaként használható, mint a voltmérők, ampermérők, ohmmérők, galvanométerek. A villamosenergia-mérők, frekvenciamérők stb. az indukciós elven alapulnak.
- Az elektronikus eszközöket további blokkok jelenléte különbözteti meg: fizikai mennyiségek átalakítói, erősítők, konverterek stb. Általában az ilyen típusú készülékekben a mért értéket feszültséggé alakítják, és egy voltmérő szolgál. szerkezeti alapjukat. Az elektronikus mérőműszereket frekvenciamérőként, kapacitás-, ellenállás-, induktivitásmérőként, oszcilloszkópként használják.
- TermoelektromosAz eszközök kialakításukban egy magnetoelektromos típusú mérőeszközt és egy hőelemből és egy fűtőelemből kialakított hőátalakítót egyesítenek, amelyeken keresztül a mért áram folyik. Az ilyen típusú műszereket főként nagyfrekvenciás áramok mérésére használják.
- Elektrokémiai. Működésük elve az elektródákon vagy a vizsgált közegben az elektródák közötti térben végbemenő folyamatokon alapul. Az ilyen típusú eszközök az elektromos vezetőképesség, az elektromosság mennyiségének és néhány nem elektromos mennyiség mérésére szolgálnak.
A funkcionális jellemzők szerint az elektromos mennyiségek mérésére szolgáló műszerek következő típusait különböztetjük meg:
- Jelzés (jelzés) – ezek olyan eszközök, amelyek csak a mérési információk közvetlen leolvasását teszik lehetővé, például wattmérők vagy ampermérők.
- Rögzítés – olyan eszközök, amelyek lehetővé teszik leolvasások rögzítését, például elektronikus oszcilloszkópok.
A jel típusa szerint az eszközök analógra és digitálisra oszthatók. Ha a készülék a mért érték folytonos függvénye jelet generál, az analóg, például voltmérő, amelynek leolvasását egy nyíllal ellátott skála adja meg. Abban az esetben, ha a készülékben egy jel automatikusan generálódik diszkrét értékfolyam formájában, amely numerikus formában kerül a kijelzőre, akkor digitális mérőműszerről beszélünk.
A digitális hangszereknek van néhány hátránya az analógokhoz képest: kisebb a megbízhatóság,áramellátás igénye, magasabb költség. Ugyanakkor jelentős előnyökkel is rendelkeznek, amelyek általában előnyösebbé teszik a digitális eszközök használatát: könnyű kezelhetőség, nagy pontosság és zajmentesség, univerzalizálás lehetősége, számítógéppel való kombináció és távoli jelátvitel a pontosság elvesztése nélkül.
Pontatlanságok és műszerek pontossága
Egy elektromos mérőműszer legfontosabb jellemzője a pontossági osztály. Az elektromos mennyiségek mérése, mint bármely más, nem végezhető el a műszaki eszköz hibáinak, valamint a mérési pontosságot befolyásoló további tényezőknek (együtthatóknak) figyelembe vétele nélkül. Az ilyen típusú készülékeknél megengedett hibák határértékeit normalizáltnak nevezzük, és százalékban fejezzük ki. Ezek határozzák meg egy adott eszköz pontossági osztályát.
A mérőeszközök skáláinak jelölésére használt szabványos osztályok a következők: 4, 0; 2, 5; tizenöt; tíz; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05 Ezeknek megfelelően rendeltetés szerinti felosztás jön létre: a 0,05-0,2 osztályba tartozó eszközök példaértékűek, a 0,5 és 1,0 osztályok laboratóriumi eszközökkel rendelkeznek, végül az 1, 5-4, 0 osztályok műszakiak..
A mérőeszköz kiválasztásakor szükséges, hogy az megfeleljen a megoldandó probléma osztályának, míg a felső mérési határ a lehető legközelebb legyen a kívánt érték számértékéhez. Azaz minél nagyobb eltérést lehet elérni a műszermutatóban, annál kisebb lesz a mérés relatív hibája. Ha csak alacsony osztályú műszerek állnak rendelkezésre, akkor a legkisebb működési tartománnyal rendelkezőt kell választani. Ezekkel a módszerekkel az elektromos mennyiségek mérése meglehetősen pontosan elvégezhető. Ebben az esetben figyelembe kell vennie a készülék skála típusát is (egyenletes vagy egyenetlen, pl. ohmmérő skála).
Alapvető elektromos mennyiségek és mértékegységeik
Az elektromos mérések leggyakrabban a következő mennyiségekhez kapcsolódnak:
- Áramerősség (vagy egyszerűen áramerősség) I. Ez az érték a vezető szakaszon 1 másodperc alatt áthaladó elektromos töltés mértékét jelzi. Az elektromos áram nagyságának mérése amperben (A) történik ampermérők, avométerek (teszterek, az úgynevezett "tseshek"), digitális multiméterek, műszertranszformátorok segítségével.
- A villamos energia mennyisége (díj) q. Ez az érték határozza meg, hogy egy adott fizikai test milyen mértékben lehet elektromágneses tér forrása. Az elektromos töltést coulomb-ban (C) mérik. 1 C (amper-másodperc)=1 A ∙ 1 s. A mérési eszközök elektrométerek vagy elektronikus töltésmérők (coulomb-mérők).
- U feszültség. Az elektromos tér két különböző pontja között fennálló potenciálkülönbséget (töltési energiát) fejezi ki. Adott elektromos mennyiségnél a mértékegység a volt (V). Ha az 1 coulomb töltés egyik pontból a másikba mozgatásához a mező 1 joule-os munkát végez (vagyis a megfelelő energiát elhasználja), akkora potenciálkülönbség - feszültség - ezen pontok között 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Az elektromos feszültség mérése voltmérőkkel, digitális vagy analóg (tesztelő) multiméterekkel történik.
- R ellenállás. A vezető azon képességét jellemzi, hogy megakadályozza az elektromos áram áthaladását rajta. Az ellenállás mértékegysége ohm. 1 ohm a végein 1 voltos feszültségű vezető ellenállása 1 amperes áramerősségre: 1 ohm=1 V / 1 A. Az ellenállás egyenesen arányos a vezeték keresztmetszetével és hosszával. Ohmmérőket, avométereket, multimétereket használnak a mérésére.
- Elektromos vezetőképesség (vezetőképesség) G az ellenállás reciproka. Siemensben (cm) mérve: 1 cm=1 ohm-1.
- A C kapacitás a vezető töltéstároló képességének mértéke, egyben az egyik alapvető elektromos mennyiség. Mértékegysége a farad (F). Kondenzátor esetén ezt az értéket a lemezek kölcsönös kapacitásaként határozzák meg, és megegyezik a felhalmozott töltés és a lemezeken lévő potenciálkülönbség arányával. A lapos kondenzátor kapacitása növekszik a lemezek területének növekedésével és a köztük lévő távolság csökkenésével. Ha 1 függő töltéssel 1 voltos feszültség jön létre a lemezeken, akkor egy ilyen kondenzátor kapacitása 1 farad lesz: 1 F \u003d 1 C / 1 V. A mérést a következővel végezzük: speciális műszerek - kapacitásmérők vagy digitális multiméterek.
- A P teljesítmény egy olyan érték, amely az elektromos energia átvitelének (átalakításának) sebességét tükrözi. A teljesítmény rendszeregységeként elfogadottwatt (W; 1 W=1 J/s). Ez az érték a feszültség és az áramerősség szorzatával is kifejezhető: 1 W=1 V ∙ 1 A. Váltakozó áramú áramköröknél aktív (fogyasztott) teljesítmény Pa, meddő P ra (nem vesz részt az áram működésében) és a teljes teljesítmény P. A mérésnél a következő mértékegységeket használjuk: watt, var (a „volt-amper reactive” rövidítése)) és ennek megfelelően volt-amper V ∙ DE. Méretei megegyeznek, és a feltüntetett mennyiségek megkülönböztetésére szolgálnak. Teljesítménymérő műszerek - analóg vagy digitális wattmérők. A közvetett mérések (például ampermérővel) nem mindig alkalmazhatók. Egy olyan fontos mennyiség meghatározásához, mint a teljesítménytényező (a fáziseltolási szögben kifejezve), fázismérőknek nevezett eszközöket használnak.
- Frekvencia f. Ez a váltakozó áram jellemzője, amely megmutatja a nagyságának és irányának változási ciklusainak számát (általános esetben) 1 másodperc alatt. A frekvencia mértékegysége a reciprok másodperc vagy hertz (Hz): 1 Hz=1 s-1. Ezt az értéket a frekvenciamérőknek nevezett műszerek kiterjedt osztályával mérik.
Mágneses mennyiségek
A mágnesesség szorosan összefügg az elektromossággal, mivel mindkettő egyetlen alapvető fizikai folyamat – az elektromágnesesség – megnyilvánulása. Ezért az elektromos és mágneses mennyiségek mérési módszereire és eszközeire ugyanolyan szoros kapcsolat jellemző. De vannak árnyalatok is. Általános szabály, hogy az utóbbi meghatározásakor gyakorlatilagelektromos mérést végeznek. A mágneses értéket közvetve abból a funkcionális kapcsolatból kapjuk, amely összeköti az elektromossal.
A referenciaértékek ezen a mérési területen a mágneses indukció, a térerősség és a mágneses fluxus. Ezek a készülék mérőtekercse segítségével EMF-vé alakíthatók, amelyet megmérnek, majd kiszámolják a szükséges értékeket.
- A mágneses fluxust olyan eszközökkel mérik, mint a weberméterek (fotovoltaikus, magnetoelektromos, analóg elektronikus és digitális) és rendkívül érzékeny ballisztikus galvanométerek.
- Az indukció és a mágneses térerősség mérése különféle típusú jelátalakítókkal felszerelt teslaméterekkel történik.
A közvetlenül összefüggő elektromos és mágneses mennyiségek mérése számos tudományos és műszaki probléma megoldását teszi lehetővé, így például az atommag, a Nap, a Föld és a bolygók mágneses terének vizsgálata, különböző anyagok mágneses tulajdonságai, minőség-ellenőrzés és mások.
Nem elektromos mennyiségek
Az elektromos módszerek kényelme lehetővé teszi azok sikeres kiterjesztését különféle nem elektromos természetű fizikai mennyiségek mérésére, mint például a hőmérséklet, a méretek (lineáris és szögletes), az alakváltozás és sok más mérésére, valamint a kémiai folyamatok és az anyagok összetételének vizsgálatára.
A nem elektromos mennyiségek elektromos mérésére szolgáló műszerek általában egy érzékelőből álló komplexumot alkotnak, amely bármely áramköri paraméterre (feszültség,ellenállás) és elektromos mérőeszköz. Sokféle jelátalakító létezik, amelyeknek köszönhetően sokféle mennyiséget mérhet. Íme néhány példa:
- Reosztatikus érzékelők. Az ilyen jelátalakítókban, amikor a mért érték láthatóvá válik (például amikor a folyadék szintje vagy térfogata megváltozik), a reosztát csúszkája elmozdul, ezáltal megváltozik az ellenállás.
- Termisztorok. Az ilyen típusú eszközök érzékelőjének ellenállása a hőmérséklet hatására megváltozik. Gázáramlási sebesség, hőmérséklet mérésére, gázkeverékek összetételének meghatározására szolgál.
- A húzódási ellenállás lehetővé teszi a huzalfeszültség mérését.
- Fotóérzékelők, amelyek a megvilágítás, a hőmérséklet vagy a mozgás változását fotoárammá alakítják, majd mérik.
- Kapacitív jelátalakítók, amelyeket levegőkémiai, elmozdulás, páratartalom, nyomás érzékelőként használnak.
- A piezoelektromos jelátalakítók azon az elven működnek, hogy bizonyos kristályos anyagokban mechanikusan alkalmazva EMF fordul elő.
- Az induktív érzékelők olyan mennyiségek, mint például a sebesség vagy a gyorsulás indukált emf-vé való átalakításán alapulnak.
Elektromos mérőműszerek és módszerek fejlesztése
Az elektromos mennyiségek mérésére szolgáló eszközök széles választéka számos különböző jelenségnek köszönhető, amelyekben ezek a paraméterek jelentős szerepet játszanak. Az elektromos folyamatok és jelenségek rendkívül széles körben alkalmazhatókminden iparág - lehetetlen megjelölni az emberi tevékenység olyan területét, ahol nem találnának alkalmazást. Ez határozza meg a fizikai mennyiségek elektromos mérésének egyre bővülő problémakörét. A problémák megoldására szolgáló eszközök és módszerek változatossága és fejlesztése folyamatosan növekszik. Különösen gyorsan és sikeresen fejleszti a méréstechnika olyan irányát, mint a nem elektromos mennyiségek elektromos módszerekkel történő mérése.
A modern elektromos méréstechnika a pontosság, a zajtűrés és a sebesség növelése, valamint a mérési folyamat automatizálása és eredményeinek feldolgozásának fokozása irányába fejlődik. A mérőműszerek a legegyszerűbb elektromechanikus eszközöktől az elektronikus és digitális eszközökig, majd a legújabb, mikroprocesszoros technológiát alkalmazó mérő- és számítástechnikai rendszerekig terjedtek. Ugyanakkor nyilvánvalóan a fő fejlesztési irány a mérőeszközök szoftverkomponensének szerepének növekedése.
