Måling av elektriske størrelser: enheter og midler, målemetoder

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 05:37

Vitenskapens og teknologiens behov inkluderer en mengde målinger, midler og metoder som stadig utvikles og forbedres. Den viktigste rollen på dette området tilhører måling av elektriske mengder, som er mye brukt i ulike bransjer.

Konseptet med mål

Måling av enhver fysisk mengde gjøres ved å sammenligne den med en mengde av samme type fenomener, tatt som en måleenhet. Resultatet oppnådd ved sammenligning presenteres numerisk i de riktige enhetene.

Denne operasjonen utføres ved hjelp av spesielle måleinstrumenter - tekniske enheter som samhandler med objektet, og det er visse parametere som skal måles. I dette tilfellet brukes visse metoder - teknikker der den målte verdien sammenlignes med måleenheten.

Det er flere tegn som tjener som grunnlag for å klassifisere målinger av elektriske størrelser etter type:

Antallmålingshandlinger. Her er engangs- eller mangfoldigheten deres avgjørende.
Nøyaktighetsgrad. Det er tekniske, kontroll og verifisering, de mest nøyaktige målingene, samt like og ulik målinger.
Typen av endringen i den målte verdien over tid. I henhold til dette kriteriet er målinger statiske og dynamiske. Gjennom dynamiske målinger oppnås øyeblikkelige verdier av mengder som endrer seg over tid, og statiske målinger - noen konstante verdier.
Representasjon av resultatet. Målinger av elektriske størrelser kan uttrykkes i relativ eller absolutt form.
Måten for å få ønsket resultat. I henhold til denne funksjonen er målinger delt inn i direkte (hvor resultatet oppnås direkte) og indirekte, der mengdene knyttet til den ønskede verdien av en viss funksjonell avhengighet måles direkte. I sistnevnte tilfelle beregnes den nødvendige fysiske mengden fra de oppnådde resultatene. Så måling av strøm med et amperemeter er et eksempel på en direkte måling, og effekt er en indirekte.

Målinger

Enheter beregnet for måling må ha normaliserte egenskaper, og også beholde i en viss tid eller gjengi enheten for verdien de er beregnet for.

Mål for å måle elektriske mengder er delt inn i flere kategorier avhengig av formålet:

Tiltak. Disse verktøyene tjener til å reprodusere verdien av noen gittestørrelse - som for eksempel en motstand som gjengir en viss motstand med en kjent feil.
Måletransdusere som danner et signal i en form som er praktisk for lagring, konvertering, overføring. Informasjon av denne typen er ikke tilgjengelig for direkte oppfatning.
Elektriske måleenheter. Disse verktøyene er laget for å presentere informasjon i en form som er tilgjengelig for observatøren. De kan være bærbare eller stasjonære, analoge eller digitale, for opptak eller signalering.
Elektriske måleinstallasjoner er komplekser av ovennevnte verktøy og tilleggsutstyr, konsentrert på ett sted. Enhetene tillater mer komplekse målinger (for eksempel magnetiske egenskaper eller resistivitet), fungerer som verifikasjons- eller referanseenheter.
Elektriske målesystemer er også en kombinasjon av ulike virkemidler. I motsetning til installasjoner er imidlertid enheter for måling av elektriske mengder og andre midler i systemet spredt. Ved hjelp av systemer kan du måle flere mengder, lagre, behandle og overføre måleinformasjonssignaler.

Hvis det er nødvendig å løse et spesifikt komplekst måleproblem, dannes det måle- og datakomplekser som kombinerer en rekke enheter og elektronisk datautstyr.

Kennetegn ved måleinstrumenter

Måleutstyr har visse egenskaper som er viktigeå utføre sine direkte funksjoner. Disse inkluderer:

Metrologiske egenskaper, som følsomhet og dens terskel, måleområde for en elektrisk størrelse, instrumentfeil, divisjonsverdi, hastighet osv.
Dynamiske egenskaper, som amplitude (avhengig av amplituden til utgangssignalet til enheten av amplituden ved inngangen) eller fase (avhengig av faseforskyvningen av frekvensen til signalet).
Ytelseskarakteristikker som gjenspeiler i hvilken grad instrumentet oppfyller kravene til drift under visse forhold. Disse inkluderer egenskaper som påliteligheten til indikasjoner, pålitelighet (operabilitet, holdbarhet og ikke-feil drift av enheten), vedlikeholdbarhet, elektrisk sikkerhet, økonomi.

Settet med utstyrsegenskaper er fastsatt av relevante regulatoriske og tekniske dokumenter for hver type enhet.

Anvendte metoder

Måling av elektriske mengder utføres med ulike metoder, som også kan klassifiseres etter følgende kriterier:

Slags fysiske fenomener som målingen er gjort på grunnlag av (elektriske eller magnetiske fenomener).
Typen av interaksjonen mellom måleverktøyet og objektet. Avhengig av det skilles kontakt- og ikke-kontaktmetoder for måling av elektriske mengder.
Målemodus. Ifølge den er målingene dynamiske og statiske.
Målemetode. Utviklet som metoder for direkte estimering når søkt mengdedirekte bestemt av enheten (for eksempel et amperemeter), og mer nøyaktige metoder (null, differensial, opposisjon, substitusjon), der den oppdages ved sammenligning med en kjent verdi. Kompensatorer og elektriske målebroer for like- og vekselstrøm fungerer som sammenligningsenheter.

Berøringsfri metode for elektriske målinger

Elektriske måleinstrumenter: typer og funksjoner

Måling av grunnleggende elektriske mengder krever et bredt utvalg av instrumenter. Avhengig av det fysiske prinsippet som ligger til grunn for arbeidet deres, er de alle delt inn i følgende grupper:

Elektromekaniske enheter må ha en bevegelig del i utformingen. Denne store gruppen av måleinstrumenter inkluderer elektrodynamiske, ferrodynamiske, magnetoelektriske, elektromagnetiske, elektrostatiske, induksjonsenheter. For eksempel kan det magnetoelektriske prinsippet, som brukes veldig mye, brukes som grunnlag for slike enheter som voltmetre, amperemeter, ohmmetre, galvanometre. Strømmålere, frekvensmålere osv. er basert på induksjonsprinsippet.
Elektroniske enheter utmerker seg ved tilstedeværelsen av tilleggsblokker: omformere av fysiske mengder, forsterkere, omformere osv. Som regel, i enheter av denne typen, blir målt verdi konvertert til spenning, og et voltmeter fungerer som deres strukturelle grunnlag. Elektroniske måleinstrumenter brukes som frekvensmålere, kapasitans, motstand, induktansmålere, oscilloskop.
Termoelektriskenheter kombinerer i sin design en måleenhet av magnetoelektrisk type og en termisk omformer dannet av et termoelement og en varmeovn som den målte strømmen flyter gjennom. Instrumenter av denne typen brukes hovedsakelig til å måle høyfrekvente strømmer.
Elektrokjemisk. Prinsippet for deres operasjon er basert på prosessene som skjer på elektrodene eller i mediet som studeres i interelektroderommet. Instrumenter av denne typen brukes til å måle elektrisk ledningsevne, mengden elektrisitet og enkelte ikke-elektriske størrelser.

I henhold til funksjonelle egenskaper skilles følgende typer instrumenter for måling av elektriske mengder ut:

Indikering (signalering) – dette er enheter som kun tillater direkte avlesning av måleinformasjon, for eksempel watt- eller amperemeter.
Recording - enheter som gir mulighet for opptak av avlesninger, for eksempel elektroniske oscilloskop.

Avhengig av typen signal er enheter delt inn i analoge og digitale. Hvis enheten genererer et signal som er en kontinuerlig funksjon av den målte verdien, er det analogt, for eksempel et voltmeter, hvis avlesninger er gitt ved hjelp av en skala med en pil. I tilfelle det automatisk genereres et signal i enheten i form av en strøm av diskrete verdier som kommer inn i displayet i numerisk form, snakker man om et digit alt måleinstrument.

Digitale instrumenter har noen ulemper sammenlignet med analoge: mindre pålitelighet,behov for strømforsyning, høyere kostnad. Imidlertid utmerker de seg også ved betydelige fordeler som generelt gjør bruken av digitale enheter mer å foretrekke: brukervennlighet, høy nøyaktighet og støyimmunitet, muligheten for universalisering, kombinasjon med en datamaskin og ekstern signaloverføring uten tap av nøyaktighet.

Unøyaktigheter og nøyaktighet av instrumenter

Den viktigste egenskapen til et elektrisk måleinstrument er nøyaktighetsklassen. Målingen av elektriske mengder, som alle andre, kan ikke utføres uten å ta hensyn til feilene til den tekniske enheten, samt tilleggsfaktorer (koeffisienter) som påvirker målenøyaktigheten. Grenseverdiene for de gitte feilene som er tillatt for denne typen enhet kalles normalisert og uttrykkes i prosent. De bestemmer nøyaktighetsklassen til en bestemt enhet.

Standardklasser som brukes til å merke skalaene til måleenheter er som følger: 4, 0; 2, 5; femten; ti; 0,5; 0,2; 0,1; 0.05. I samsvar med dem etableres en inndeling etter formål: enheter som tilhører klassene fra 0.05 til 0.2 er eksemplariske, klassene 0.5 og 1.0 har laboratorieutstyr, og til slutt er enheter i klassene 1, 5–4, 0 tekniske.

Ved valg av måleapparat er det nødvendig at det tilsvarer klassen til problemet som skal løses, mens øvre målegrense bør være så nært som mulig den numeriske verdien til ønsket verdi. Det vil si at jo større avviket til instrumentpekeren kan oppnås, jo mindre vil den relative feilen til målingen være. Hvis kun instrumenter av lav klasse er tilgjengelige, bør den med minste driftsområde velges. Ved hjelp av disse metodene kan målinger av elektriske mengder utføres ganske nøyaktig. I dette tilfellet må du også ta hensyn til enhetens skalatype (uniform eller ujevn, for eksempel ohmmeterskalaer).

Grunnleggende elektriske mengder og deres enheter

Ofte er elektriske målinger knyttet til følgende sett med mengder:

Strømstyrke (eller ganske enkelt strøm) I. Denne verdien indikerer mengden elektrisk ladning som passerer gjennom lederseksjonen i løpet av 1 sekund. Måling av størrelsen på den elektriske strømmen utføres i ampere (A) ved hjelp av amperemetre, avometre (testere, den såk alte "tseshek"), digitale multimetre, instrumenttransformatorer.
Mengde elektrisitet (lading) kv. Denne verdien bestemmer i hvilken grad en bestemt fysisk kropp kan være en kilde til et elektromagnetisk felt. Elektrisk ladning måles i coulombs (C). 1 C (ampere-sekund)=1 A ∙ 1 s. Instrumenter for måling er elektrometre eller elektroniske ladningsmålere (coulomb-målere).
Spenning U. Uttrykker potensialforskjellen (ladeenergi) som eksisterer mellom to forskjellige punkter i det elektriske feltet. For en gitt elektrisk størrelse er måleenheten volt (V). Hvis for å flytte en ladning på 1 coulomb fra ett punkt til et annet, gjør feltet arbeid på 1 joule (det vil si at den tilsvarende energien blir brukt), såpotensialforskjellen - spenning - mellom disse punktene er 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Målingen av den elektriske spenningen utføres ved hjelp av voltmetre, digitale eller analoge (testere) multimetre.
Resistance R. Karakteriserer evnen til en leder til å hindre passasje av elektrisk strøm gjennom den. Motstandsenheten er ohm. 1 ohm er motstanden til en leder med en spenning på 1 volt i endene til en strøm på 1 ampere: 1 ohm=1 V / 1 A. Motstanden er direkte proporsjonal med lederens tverrsnitt og lengde. Ohmmetre, avometre, multimetre brukes til å måle det.
Elektrisk ledningsevne (konduktivitet) G er resiprok av motstand. Målt i siemens (cm): 1 cm=1 ohm^-1.
Kapasitet C er et mål på en leders evne til å lagre ladning, også en av de grunnleggende elektriske størrelsene. Dens måleenhet er farad (F). For en kondensator er denne verdien definert som den gjensidige kapasitansen til platene og er lik forholdet mellom den akkumulerte ladningen og potensialforskjellen på platene. Kapasitansen til en flat kondensator øker med en økning i arealet til platene og med en reduksjon i avstanden mellom dem. Hvis det med en ladning på 1 anheng opprettes en spenning på 1 volt på platene, vil kapasitansen til en slik kondensator være lik 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Målingen utføres ved å bruke spesielle instrumenter – kapasitansmålere eller digitale multimetre
Power P er en verdi som reflekterer hastigheten som overføringen (konverteringen) av elektrisk energi utføres med. Som en systemenhet av makt vedtattwatt (W; 1 W=1J/s). Denne verdien kan også uttrykkes i form av produktet av spenning og strømstyrke: 1 W=1 V ∙ 1 A. For AC-kretser, aktiv (forbrukt) effekt P_a, reaktiv P _ra (tar ikke del i driften av strømmen) og full effekt P. Ved måling brukes følgende enheter for dem: watt, var (står for "volt-ampere reactive") og følgelig volt-ampere V ∙ MEN. Dimensjonene deres er de samme, og de tjener til å skille mellom de angitte mengdene. Instrumenter for å måle effekt - analoge eller digitale wattmålere. Indirekte målinger (for eksempel ved bruk av et amperemeter) er ikke alltid aktuelt. For å bestemme en så viktig størrelse som effektfaktoren (uttrykt i form av faseforskyvningsvinkel), brukes enheter som kalles fasemålere.
Frekvens f. Dette er en karakteristikk av en vekselstrøm, som viser antall endringssykluser i dens størrelse og retning (i det generelle tilfellet) over en periode på 1 sekund. Frekvensenheten er det resiproke sekundet, eller hertz (Hz): 1 Hz=1 s^-1. Denne verdien måles ved hjelp av en omfattende klasse instrumenter k alt frekvensmålere

Magnetiske mengder

Magnetisme er nært knyttet til elektrisitet, siden begge er manifestasjoner av en enkelt grunnleggende fysisk prosess - elektromagnetisme. Derfor er en like nær forbindelse karakteristisk for metoder og midler for å måle elektriske og magnetiske størrelser. Men det er også nyanser. Som regel, når du bestemmer sistnevnte, praktisk t altdet foretas en elektrisk måling. Den magnetiske verdien hentes indirekte fra det funksjonelle forholdet som forbinder den med den elektriske.

Referanseverdiene i dette måleområdet er magnetisk induksjon, feltstyrke og magnetisk fluks. De kan konverteres ved hjelp av målespolen til enheten til EMF, som måles, hvoretter de nødvendige verdiene beregnes.

Magnetisk fluks måles ved hjelp av instrumenter som webermetre (fotovoltaiske, magnetoelektriske, analoge elektroniske og digitale) og svært følsomme ballistiske galvanometre.
Induksjon og magnetisk feltstyrke måles ved hjelp av teslametre utstyrt med ulike typer transdusere.

Måling av elektriske og magnetiske størrelser, som er direkte relatert, gjør det mulig å løse mange vitenskapelige og tekniske problemer, for eksempel studiet av atomkjernen og magnetfeltet til solen, jorden og planetene, studiet av magnetiske egenskaper av ulike materialer, kvalitetskontroll og andre.

Ikke-elektriske mengder

Bekvemmeligheten til elektriske metoder gjør det mulig å lykkes med å utvide dem til målinger av ulike fysiske størrelser av ikke-elektrisk karakter, som temperatur, dimensjoner (lineær og vinkel), deformasjon og mange andre, samt å undersøke kjemiske prosesser og sammensetningen av stoffer.

Instrumenter for elektrisk måling av ikke-elektriske størrelser er vanligvis et kompleks av en sensor - en omformer til en hvilken som helst kretsparameter (spenning,motstand) og elektrisk måleenhet. Det finnes mange typer transdusere, takket være dem kan du måle en rekke mengder. Her er bare noen få eksempler:

Reostatiske sensorer. I slike transdusere, når den målte verdien blir eksponert (for eksempel når væskenivået eller volumet endres), beveger reostatskyveren seg og endrer dermed motstanden.
Termistorer. Motstanden til sensoren i enheter av denne typen endres under påvirkning av temperatur. Brukes til å måle gassstrømningshastighet, temperatur, for å bestemme sammensetningen av gassblandinger.
Strekkmotstander tillater trådtøyningsmålinger.
Fotosensorer som konverterer en endring i belysning, temperatur eller bevegelse til en fotostrøm som deretter måles.
Kapasitive transdusere brukt som sensorer for luftkjemi, fortrengning, fuktighet, trykk.
Piezoelektriske transdusere fungerer etter prinsippet om forekomst av EMF i enkelte krystallinske materialer når de påføres mekanisk på dem.
Induktive sensorer er basert på konvertering av størrelser som hastighet eller akselerasjon til en indusert emf.

Utvikling av elektriske måleinstrumenter og metoder

En lang rekke måter å måle elektriske mengder på skyldes mange forskjellige fenomener der disse parameterne spiller en betydelig rolle. Elektriske prosesser og fenomener har et ekstremt bredt spekter av bruksområder ialle bransjer - det er umulig å indikere et slikt område med menneskelig aktivitet der de ikke ville finne anvendelse. Dette bestemmer det stadig voksende spekteret av problemer med elektriske målinger av fysiske mengder. Variasjonen og forbedringen av midler og metoder for å løse disse problemene vokser stadig. Spesielt raskt og vellykket utvikler en slik retning for måleteknologi som måling av ikke-elektriske mengder ved hjelp av elektriske metoder.

Moderne elektrisk måleteknologi utvikler seg i retning av økt nøyaktighet, støyimmunitet og hastighet, samt økende automatisering av måleprosessen og behandling av resultatene. Måleinstrumenter har gått fra de enkleste elektromekaniske enhetene til elektroniske og digitale enheter, og videre til de nyeste måle- og datasystemene ved bruk av mikroprosessorteknologi. Samtidig er økningen i rollen til programvarekomponenten til måleenheter åpenbart den viktigste utviklingstrenden.