Potrzeby nauki i techniki obejmują mnogość pomiarów, których środki i metody są stale rozwijane i ulepszane. Najważniejszą rolę w tym zakresie odgrywają pomiary wielkości elektrycznych, które znajdują szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu.
Koncepcja pomiarów
Pomiar dowolnej wielkości fizycznej polega na porównaniu jej z pewną ilością tego samego rodzaju zjawisk, przyjmowaną jako jednostka miary. Wynik uzyskany przez porównanie jest przedstawiony liczbowo w odpowiednich jednostkach.
Ta operacja jest wykonywana za pomocą specjalnych przyrządów pomiarowych - urządzeń technicznych, które wchodzą w interakcję z obiektem, którego określone parametry mają być mierzone. W tym przypadku stosuje się określone metody - techniki, za pomocą których zmierzona wartość jest porównywana z jednostką miary.
Istnieje kilka znaków, które służą jako podstawa do klasyfikacji pomiarów wielkości elektrycznych według typu:
- Ilośćakty pomiaru. Tutaj ich jednorazowość lub wielokrotność jest niezbędna.
- Stopień dokładności. Istnieją pomiary techniczne, kontrolne i weryfikacyjne, najdokładniejsze pomiary, a także pomiary równe i nierówne.
- Charakter zmian wartości mierzonej w czasie. Zgodnie z tym kryterium pomiary są statyczne i dynamiczne. Poprzez pomiary dynamiczne uzyskuje się wartości chwilowe wielkości zmieniających się w czasie, a pomiary statyczne - pewne wartości stałe.
- Reprezentacja wyniku. Pomiary wielkości elektrycznych mogą być wyrażone w postaci względnej lub bezwzględnej.
- Sposób na uzyskanie pożądanego rezultatu. Zgodnie z tą cechą pomiary dzielą się na bezpośrednie (w których wynik uzyskuje się bezpośrednio) i pośrednie, w których wielkości związane z pożądaną wartością przez pewną zależność funkcjonalną są mierzone bezpośrednio. W tym drugim przypadku wymagana wielkość fizyczna jest obliczana na podstawie uzyskanych wyników. Tak więc pomiar prądu amperomierzem jest przykładem pomiaru bezpośredniego, a moc pośrednim.
Pomiary
Urządzenia przeznaczone do pomiaru muszą mieć znormalizowane właściwości, a także zachowywać przez pewien czas lub odtwarzać jednostkę wartości, dla której są przeznaczone.
Środki do pomiaru wielkości elektrycznych są podzielone na kilka kategorii w zależności od celu:
- Środki. Narzędzia te służą do odtworzenia wartości niektórych danychrozmiar - jak np. rezystor, który odtwarza określoną rezystancję ze znanym błędem.
- Przetworniki pomiarowe, które tworzą sygnał w formie dogodnej do przechowywania, konwersji, transmisji. Informacje tego rodzaju nie są dostępne do bezpośredniego odbioru.
- Elektryczne urządzenia pomiarowe. Narzędzia te mają na celu prezentację informacji w formie dostępnej dla obserwatora. Mogą być przenośne lub stacjonarne, analogowe lub cyfrowe, nagrywające lub sygnalizacyjne.
- Elektryczne instalacje pomiarowe to skupione w jednym miejscu zespoły powyższych narzędzi i urządzeń dodatkowych. Jednostki umożliwiają bardziej złożone pomiary (na przykład charakterystykę magnetyczną lub rezystywność), służą jako urządzenia weryfikacyjne lub referencyjne.
- Elektryczne systemy pomiarowe są również kombinacją różnych środków. Jednak w przeciwieństwie do instalacji, urządzenia do pomiaru wielkości elektrycznych i inne środki w systemie są rozproszone. Za pomocą systemów można mierzyć kilka wielkości, przechowywać, przetwarzać i przesyłać sygnały informacji pomiarowych.
Jeżeli konieczne jest rozwiązanie konkretnego złożonego problemu pomiarowego, powstają kompleksy pomiarowo-obliczeniowe, które łączą szereg urządzeń i elektronicznego sprzętu obliczeniowego.
Charakterystyka przyrządów pomiarowych
Urządzenia pomiarowe mają pewne ważne właściwoścido wykonywania swoich bezpośrednich funkcji. Należą do nich:
- Charakterystyki metrologiczne, takie jak czułość i jej próg, zakres pomiarowy wielkości elektrycznej, błąd przyrządu, wartość działki, prędkość itp.
- Charakterystyki dynamiczne, takie jak amplituda (zależność amplitudy sygnału wyjściowego urządzenia od amplitudy na wejściu) lub faza (zależność przesunięcia fazowego od częstotliwości sygnału).
- Charakterystyka wydajności, która odzwierciedla stopień, w jakim przyrząd spełnia wymagania działania w określonych warunkach. Należą do nich takie właściwości jak niezawodność wskazań, niezawodność (operacyjność, trwałość i bezawaryjna praca urządzenia), łatwość konserwacji, bezpieczeństwo elektryczne, ekonomia.
Zestaw charakterystyk sprzętu jest określony przez odpowiednie dokumenty prawne i techniczne dla każdego typu urządzenia.
Zastosowane metody
Pomiar wielkości elektrycznych odbywa się różnymi metodami, które można również sklasyfikować według następujących kryteriów:
- Rodzaj zjawisk fizycznych, na podstawie których dokonywany jest pomiar (zjawiska elektryczne lub magnetyczne).
- Charakter interakcji narzędzia pomiarowego z obiektem. W zależności od tego rozróżnia się kontaktowe i bezkontaktowe metody pomiaru wielkości elektrycznych.
- Tryb pomiaru. Zgodnie z nią pomiary są dynamiczne i statyczne.
- Metoda pomiaru. Opracowane jako metody estymacji bezpośredniej, gdy poszukiwana wielkośćbezpośrednio określane przez urządzenie (na przykład amperomierz) i dokładniejsze metody (zerowe, różnicowe, przeciwstawne, substytucyjne), w których jest wykrywane przez porównanie ze znaną wartością. Kompensatory i elektryczne mostki pomiarowe prądu stałego i przemiennego służą jako urządzenia porównawcze.
Elektryczne przyrządy pomiarowe: rodzaje i cechy
Pomiar podstawowych wielkości elektrycznych wymaga szerokiej gamy przyrządów. W zależności od fizycznej zasady leżącej u podstaw ich pracy, wszystkie są podzielone na następujące grupy:
- Urządzenia elektromechaniczne muszą mieć w swojej konstrukcji część ruchomą. Ta duża grupa przyrządów pomiarowych obejmuje urządzenia elektrodynamiczne, ferrodynamiczne, magnetoelektryczne, elektromagnetyczne, elektrostatyczne, indukcyjne. Na przykład zasada magnetoelektryczna, która jest bardzo szeroko stosowana, może być wykorzystana jako podstawa dla takich urządzeń jak woltomierze, amperomierze, omomierze, galwanometry. Liczniki energii elektrycznej, mierniki częstotliwości itp. są oparte na zasadzie indukcji.
- Urządzenia elektroniczne wyróżniają się obecnością dodatkowych bloków: przetworników wielkości fizycznych, wzmacniaczy, przetworników itp. Z reguły w urządzeniach tego typu mierzona wartość jest zamieniana na napięcie, a woltomierz służy jako ich podstawa strukturalna. Elektroniczne przyrządy pomiarowe są używane jako mierniki częstotliwości, pojemności, rezystancji, indukcyjności, oscyloskopy.
- Termoelektrycznyurządzenia łączą w swojej konstrukcji urządzenie pomiarowe typu magnetoelektrycznego i przetwornik termiczny utworzony przez termoparę i grzałkę, przez którą przepływa mierzony prąd. Przyrządy tego typu są używane głównie do pomiaru prądów o wysokiej częstotliwości.
- Elektrochemiczny. Zasada ich działania opiera się na procesach zachodzących na elektrodach lub w badanym ośrodku w przestrzeni międzyelektrodowej. Przyrządy tego typu służą do pomiaru przewodności elektrycznej, ilości energii elektrycznej i niektórych wielkości nieelektrycznych.
Zgodnie z cechami funkcjonalnymi rozróżnia się następujące typy przyrządów do pomiaru wielkości elektrycznych:
- Wskazujące (sygnalizujące) - są to urządzenia, które umożliwiają tylko bezpośredni odczyt informacji pomiarowych, takich jak watomierze lub amperomierze.
- Recording - urządzenia, które dają możliwość rejestracji odczytów, np. oscyloskopy elektroniczne.
W zależności od rodzaju sygnału urządzenia dzielą się na analogowe i cyfrowe. Jeżeli urządzenie generuje sygnał będący ciągłą funkcją wartości mierzonej, jest to analogowe, np. woltomierz, którego wskazania podaje się za pomocą skali ze strzałką. W przypadku, gdy w urządzeniu automatycznie generowany jest sygnał w postaci strumienia wartości dyskretnych, który pojawia się na wyświetlaczu w postaci numerycznej, mówi się o cyfrowym przyrządzie pomiarowym.
Przyrządy cyfrowe mają pewne wady w porównaniu z analogowymi: mniejszą niezawodność,potrzeba zasilania, wyższy koszt. Wyróżniają się jednak również istotnymi zaletami, które generalnie sprawiają, że korzystanie z urządzeń cyfrowych jest bardziej preferowane: łatwość obsługi, wysoka dokładność i odporność na zakłócenia, możliwość uniwersalizacji, połączenia z komputerem i zdalnej transmisji sygnału bez utraty dokładności.
Niedokładności i dokładność instrumentów
Najważniejszą cechą elektrycznego przyrządu pomiarowego jest klasa dokładności. Pomiar wielkości elektrycznych, jak każdy inny, nie może być wykonany bez uwzględnienia błędów urządzenia technicznego, a także dodatkowych czynników (współczynników) wpływających na dokładność pomiaru. Wartości graniczne podanych błędów dozwolone dla tego typu urządzenia nazywane są znormalizowanymi i są wyrażone w procentach. Określają klasę dokładności konkretnego urządzenia.
Standardowe klasy używane do oznaczania skali urządzeń pomiarowych to: 4, 0; 2, 5; piętnaście; dziesięć; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05 Zgodnie z nimi ustala się podział według przeznaczenia: urządzenia należące do klas od 0,05 do 0,2 są wzorcowe, klasy 0,5 i 1,0 mają urządzenia laboratoryjne, wreszcie urządzenia klas 1, 5–4, 0 są techniczne.
Przy wyborze urządzenia pomiarowego konieczne jest, aby odpowiadało klasie rozwiązywanego problemu, a górna granica pomiaru powinna być jak najbardziej zbliżona do wartości liczbowej żądanej wartości. Oznacza to, że im większe odchylenie wskaźnika instrumentu można osiągnąć, tym mniejszy będzie względny błąd pomiaru. Jeżeli dostępne są tylko przyrządy niskiej klasy, należy wybrać ten o najmniejszym zakresie roboczym. Korzystając z tych metod, pomiary wielkości elektrycznych można przeprowadzić dość dokładnie. W takim przypadku należy również wziąć pod uwagę rodzaj skali urządzenia (jednolita lub nierówna, taka jak skala omomierza).
Podstawowe wielkości elektryczne i ich jednostki
Najczęściej pomiary elektryczne są powiązane z następującym zestawem wielkości:
- Natężenie prądu (lub po prostu prąd) I. Ta wartość wskazuje ilość ładunku elektrycznego przechodzącego przez przekrój przewodnika w ciągu 1 sekundy. Pomiar wielkości prądu elektrycznego odbywa się w amperach (A) za pomocą amperomierzy, avometrów (testerów, tzw. „tseshek”), multimetrów cyfrowych, przekładników.
- Ilość energii elektrycznej (opłata) q. Wartość ta określa, w jakim stopniu dane ciało fizyczne może być źródłem pola elektromagnetycznego. Ładunek elektryczny jest mierzony w kulombach (C). 1 C (amperosekunda)=1 A ∙ 1 s. Przyrządami do pomiaru są elektrometry lub mierniki ładunku elektronicznego (mierniki kulombowskie).
- Napięcie U. Wyraża różnicę potencjałów (energię ładowania) istniejącą między dwoma różnymi punktami pola elektrycznego. Dla danej wielkości elektrycznej jednostką miary jest wolt (V). Jeśli w celu przeniesienia ładunku o wartości 1 kulomba z jednego punktu do drugiego, pole wykonuje pracę o wartości 1 dżula (czyli zużywa odpowiednią energię), toróżnica potencjałów - napięcie - między tymi punktami wynosi 1 wolt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Pomiar napięcia elektrycznego odbywa się za pomocą woltomierzy, multimetrów cyfrowych lub analogowych (testery).
- Resistance R. Charakteryzuje zdolność przewodnika do zapobiegania przepływowi przez niego prądu elektrycznego. Jednostką oporu jest om. 1 ohm to rezystancja przewodu o napięciu na końcach 1 V na prąd o natężeniu 1 ampera: 1 ohm=1 V / 1 A. Rezystancja jest wprost proporcjonalna do przekroju i długości przewodu. Do pomiaru służą omomierze, avometry, multimetry.
- Przewodność elektryczna (przewodność) G jest odwrotnością oporu. Mierzone w siemensach (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Pojemność C jest miarą zdolności przewodnika do przechowywania ładunku, również jednej z podstawowych wielkości elektrycznych. Jego jednostką miary jest farad (F). W przypadku kondensatora wartość ta jest definiowana jako wzajemna pojemność płyt i jest równa stosunkowi nagromadzonego ładunku do różnicy potencjałów na płytkach. Pojemność płaskiego kondensatora wzrasta wraz ze wzrostem powierzchni płytek i zmniejszeniem odległości między nimi. Jeżeli przy ładunku 1 wisiorka na płytkach powstanie napięcie 1 wolta, wówczas pojemność takiego kondensatora będzie równa 1 faradzie: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Pomiar przeprowadza się za pomocą przyrządy specjalne - mierniki pojemności lub multimetry cyfrowe.
- Moc P to wartość, która odzwierciedla prędkość, z jaką odbywa się transfer (konwersja) energii elektrycznej. Jako jednostka systemowa mocy przyjętawat (W; 1 W=1J/s). Wartość tę można również wyrazić jako iloczyn napięcia i natężenia prądu: 1 W=1 V ∙ 1 A. Dla obwodów prądu przemiennego moc czynna (pobierana) Pa, bierna P ra (nie bierze udziału w działaniu prądu) i pełna moc P. Podczas pomiaru używane są dla nich następujące jednostki: wat, var (oznacza „woltamper reaktywny”) i odpowiednio woltamper V ∙ A. Ich wymiary są takie same i służą do rozróżniania wskazanych ilości. Przyrządy do pomiaru mocy - watomierze analogowe lub cyfrowe. Pomiary pośrednie (na przykład za pomocą amperomierza) nie zawsze mają zastosowanie. Do wyznaczenia tak ważnej wielkości jak współczynnik mocy (wyrażony w postaci kąta przesunięcia fazowego) stosuje się urządzenia zwane miernikami fazy.
- Częstotliwość fa. Jest to cecha prądu przemiennego, pokazująca liczbę cykli zmiany jego wielkości i kierunku (w ogólnym przypadku) w okresie 1 sekundy. Jednostką częstotliwości jest odwrotność sekundy lub herc (Hz): 1 Hz=1 s-1. Wartość ta jest mierzona za pomocą szerokiej klasy instrumentów zwanych miernikami częstotliwości.
Wielkości magnetyczne
Magnetyzm jest ściśle związany z elektrycznością, ponieważ oba są przejawami jednego fundamentalnego procesu fizycznego - elektromagnetyzmu. Dlatego równie ścisły związek jest charakterystyczny dla metod i środków pomiaru wielkości elektrycznych i magnetycznych. Ale są też niuanse. Z reguły przy ustalaniu tego ostatniego praktyczniewykonywany jest pomiar elektryczny. Wartość magnetyczną uzyskuje się pośrednio z zależności funkcjonalnej, która łączy ją z elektryczną.
Wartości odniesienia w tym obszarze pomiarowym to indukcja magnetyczna, natężenie pola i strumień magnetyczny. Można je przekształcić za pomocą cewki pomiarowej urządzenia na siłę elektromotoryczną, która jest mierzona, po czym obliczane są wymagane wartości.
- Strumień magnetyczny jest mierzony za pomocą przyrządów, takich jak webermetry (fotowoltaiczne, magnetoelektryczne, analogowe elektroniczne i cyfrowe) oraz bardzo czułe galwanometry balistyczne.
- Indukcja i natężenie pola magnetycznego są mierzone za pomocą teslametrów wyposażonych w różnego rodzaju przetworniki.
Pomiar wielkości elektrycznych i magnetycznych, które są bezpośrednio ze sobą powiązane, pozwala rozwiązać wiele problemów naukowych i technicznych, na przykład badanie jądra atomowego i pola magnetycznego Słońca, Ziemi i planet, badanie właściwości magnetyczne różnych materiałów, kontrola jakości i inne.
Wielkości nieelektryczne
Wygoda metod elektrycznych pozwala z powodzeniem rozszerzyć je o pomiary różnych wielkości fizycznych o charakterze nieelektrycznym, takich jak temperatura, wymiary (liniowe i kątowe), odkształcenia i wiele innych, a także do badania procesów chemicznych i składu substancji.
Przyrządy do elektrycznego pomiaru wielkości nieelektrycznych są zwykle zespołem czujnika - przetwornikiem na dowolny parametr obwodu (napięcie,rezystancji) i elektrycznego urządzenia pomiarowego. Istnieje wiele rodzajów przetworników, dzięki którym można mierzyć różne wielkości. Oto tylko kilka przykładów:
- Czujniki reostatyczne. W takich przetwornikach, gdy mierzona wartość jest wyeksponowana (np. gdy zmienia się poziom cieczy lub jej objętość), suwak reostatu przesuwa się, tym samym zmieniając rezystancję.
- Termistory. Rezystancja czujnika w tego typu urządzeniach zmienia się pod wpływem temperatury. Służy do pomiaru natężenia przepływu gazu, temperatury, określenia składu mieszanin gazowych.
- Rezystancje naprężeń umożliwiają pomiary naprężeń przewodów.
- Fotoczujniki, które przetwarzają zmianę oświetlenia, temperatury lub ruchu na prąd fotoelektryczny, a następnie mierzą.
- Przetworniki pojemnościowe używane jako czujniki chemii powietrza, przemieszczenia, wilgotności, ciśnienia.
- Przetworniki piezoelektryczne działają na zasadzie występowania pola elektromagnetycznego w niektórych materiałach krystalicznych, gdy są do nich nakładane mechanicznie.
- Czujniki indukcyjne opierają się na konwersji wielkości, takich jak prędkość lub przyspieszenie, na indukowaną siłę elektromotoryczną.
Rozwój elektrycznych przyrządów i metod pomiarowych
Szeroki wachlarz środków do pomiaru wielkości elektrycznych wynika z wielu różnych zjawisk, w których parametry te odgrywają znaczącą rolę. Procesy i zjawiska elektryczne mają niezwykle szerokie zastosowanie wwszystkie branże - nie można wskazać takiego obszaru działalności człowieka, w którym nie znalazłyby zastosowania. To determinuje coraz szerszy zakres problemów elektrycznych pomiarów wielkości fizycznych. Różnorodność i doskonalenie środków i metod rozwiązywania tych problemów stale rośnie. Szczególnie szybko iz powodzeniem rozwija taki kierunek techniki pomiarowej jak pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi.
Nowoczesna technologia pomiarów elektrycznych rozwija się w kierunku zwiększenia dokładności, odporności na zakłócenia i szybkości, a także zwiększenia automatyzacji procesu pomiarowego i przetwarzania jego wyników. Przyrządy pomiarowe przeszły od najprostszych urządzeń elektromechanicznych do urządzeń elektronicznych i cyfrowych, a następnie do najnowszych systemów pomiarowych i obliczeniowych wykorzystujących technologię mikroprocesorową. Jednocześnie głównym trendem rozwojowym jest oczywiście wzrost roli komponentu programowego urządzeń pomiarowych.
