Mokslo ir technologijų poreikiai apima daugybę matavimų, kurių priemonės ir metodai nuolat tobulinami ir tobulinami. Svarbiausias vaidmuo šioje srityje tenka elektros dydžių matavimams, kurie plačiai naudojami įvairiose pramonės šakose.
Matavimo samprata
Bet koks fizinis dydis matuojamas lyginant jį su tam tikru tos pačios rūšies reiškinių kiekiu, kuris laikomas matavimo vienetu. Rezultatas, gautas lyginant, pateikiamas skaitine forma atitinkamais vienetais.
Ši operacija atliekama naudojant specialius matavimo prietaisus – su objektu sąveikaujančius techninius prietaisus, kurių tam tikrus parametrus norima išmatuoti. Šiuo atveju naudojami tam tikri metodai – metodai, kuriais išmatuota vertė lyginama su matavimo vienetu.
Yra keletas ženklų, kuriais remiantis klasifikuojami elektros dydžių matavimai pagal tipą:
- Kiekismatavimo aktai. Čia būtinas jų vienkartinis arba daugybinis skaičius.
- Tikslumo laipsnis. Yra techniniai, kontrolės ir patikros, tiksliausi matavimai, taip pat vienodi ir nevienodi matavimai.
- Išmatuotos vertės pokyčio pobūdis laikui bėgant. Pagal šį kriterijų matavimai yra statiniai ir dinamiški. Atliekant dinaminius matavimus gaunamos momentinės dydžių vertės, kurios kinta laikui bėgant, o statiniai matavimai – kai kurios pastovios vertės.
- Rezultato atvaizdavimas. Elektrinių dydžių matavimai gali būti išreikšti santykine arba absoliučia forma.
- Būdas pasiekti norimą rezultatą. Pagal šią savybę matavimai skirstomi į tiesioginius (kuriuose rezultatas gaunamas tiesiogiai) ir netiesioginius, kuriuose tiesiogiai matuojami dydžiai, susiję su norima reikšme tam tikra funkcine priklausomybe. Pastaruoju atveju iš gautų rezultatų apskaičiuojamas reikalingas fizinis kiekis. Taigi, srovės matavimas ampermetru yra tiesioginio matavimo pavyzdys, o galia – netiesioginio.
Išmatavimai
Matavimui skirti prietaisai turi turėti normalizuotas charakteristikas, taip pat tam tikrą laiką išlaikyti arba atkurti vertės, kuriai jie yra skirti, vienetą.
Elektrinių dydžių matavimo priemonės pagal paskirtį skirstomos į kelias kategorijas:
- Priemonės. Šios priemonės padeda atkurti kai kurių duotybių vertędydis – kaip, pavyzdžiui, rezistorius, atkuriantis tam tikrą varžą su žinoma klaida.
- Matavimo keitikliai, formuojantys signalą patogia saugojimui, konvertavimui, perdavimui forma. Tokio pobūdžio informacija negalima tiesiogiai suvokti.
- Elektros matavimo prietaisai. Šios priemonės skirtos pateikti informaciją stebėtojui prieinama forma. Jie gali būti nešiojami arba stacionarūs, analoginiai arba skaitmeniniai, įrašantys arba signalizuojantys.
- Elektros matavimo įrenginiai – tai minėtų įrankių ir papildomų prietaisų kompleksai, sutelkti vienoje vietoje. Įrenginiai leidžia atlikti sudėtingesnius matavimus (pavyzdžiui, magnetines charakteristikas ar savitąją varžą), naudojami kaip tikrinimo arba atskaitos prietaisai.
- Elektros matavimo sistemos taip pat yra įvairių priemonių derinys. Tačiau skirtingai nei įrenginiai, elektros dydžių ir kitų priemonių matavimo prietaisai sistemoje yra išsklaidyti. Sistemų pagalba galite išmatuoti kelis dydžius, saugoti, apdoroti ir perduoti matavimo informacijos signalus.
Jei reikia išspręsti konkrečią sudėtingą matavimo problemą, formuojami matavimo ir skaičiavimo kompleksai, kurie apjungia daugybę įrenginių ir elektroninės skaičiavimo įrangos.
Matavimo priemonių charakteristikos
Matavimo įrangos prietaisai turi tam tikrų savybių, kurios yra svarbiosatlikti savo tiesiogines funkcijas. Tai apima:
- Metrologinės charakteristikos, pvz., jautrumas ir jo slenkstis, elektrinio dydžio matavimo diapazonas, prietaiso paklaida, padalijimo vertė, greitis ir kt.
- Dinaminės charakteristikos, pvz., amplitudė (įrenginio išėjimo signalo amplitudės priklausomybė nuo amplitudės prie įėjimo) arba fazė (fazės poslinkio priklausomybė nuo signalo dažnio).
- Eksploatacinės charakteristikos, atspindinčios, kokiu mastu prietaisas atitinka veikimo tam tikromis sąlygomis reikalavimus. Tai apima tokias savybes kaip rodmenų patikimumas, patikimumas (prietaiso veikimas, ilgaamžiškumas ir nenutrūkstamas veikimas), techninė priežiūra, elektros sauga, ekonomiškumas.
Įrangos charakteristikų rinkinys yra nustatytas atitinkamuose norminiuose ir techniniuose dokumentuose kiekvienam įrenginio tipui.
Taikyti metodai
Elektros dydžių matavimas atliekamas įvairiais metodais, kurie taip pat gali būti klasifikuojami pagal šiuos kriterijus:
- Fizikinių reiškinių, kuriais remiantis atliekami matavimai, rūšis (elektros arba magnetiniai reiškiniai).
- Matavimo priemonės sąveikos su objektu pobūdis. Atsižvelgiant į tai, išskiriami kontaktiniai ir nekontaktiniai elektros dydžių matavimo metodai.
- Matavimo režimas. Pagal jį matavimai yra dinamiški ir statiški.
- Matavimo metodas. Sukurtas kaip tiesioginio įvertinimo, kai ieškoma kiekis, metodaitiesiogiai nustato prietaisas (pavyzdžiui, ampermetras) ir tikslesni metodai (nulis, diferencialas, opozicija, pakeitimas), kuriuose jis aptinkamas lyginant su žinoma reikšme. Nuolatinės ir kintamosios srovės kompensatoriai ir elektriniai matavimo tilteliai naudojami kaip palyginimo įtaisai.
Elektrinės matavimo priemonės: tipai ir savybės
Pagrindiniams elektros dydžiams išmatuoti reikia įvairių prietaisų. Atsižvelgiant į fizinį principą, kuriuo grindžiamas jų darbas, jie visi skirstomi į šias grupes:
- Elektromechaninių prietaisų konstrukcijoje turi būti judama dalis. Į šią didelę matavimo priemonių grupę įeina elektrodinaminiai, ferodinaminiai, magnetoelektriniai, elektromagnetiniai, elektrostatiniai, indukciniai prietaisai. Pavyzdžiui, magnetoelektrinis principas, kuris naudojamas labai plačiai, gali būti naudojamas kaip pagrindas tokiems prietaisams kaip voltmetrai, ampermetrai, ommetrai, galvanometrai. Elektros skaitikliai, dažnio matuokliai ir kt. yra pagrįsti indukciniu principu.
- Elektroniniai įrenginiai išsiskiria papildomais blokais: fizinių dydžių keitikliais, stiprintuvais, keitikliais ir kt. Paprastai tokio tipo įrenginiuose išmatuota vertė paverčiama įtampa, o voltmetras tarnauja kaip jų struktūrinis pagrindas. Elektroniniai matavimo prietaisai naudojami kaip dažnio matuokliai, talpos, varžos, induktyvumo matuokliai, osciloskopai.
- Termoelektrinisprietaisai savo konstrukcijoje sujungia magnetoelektrinio tipo matavimo prietaisą ir terminį keitiklį, kurį sudaro termopora ir šildytuvas, per kurį teka išmatuota srovė. Šio tipo prietaisai daugiausia naudojami aukšto dažnio srovėms matuoti.
- Elektrochemija. Jų veikimo principas pagrįstas procesais, vykstančiais ant elektrodų arba tiriamoje terpėje tarpelektrodinėje erdvėje. Šio tipo prietaisai naudojami elektros laidumui, elektros kiekiui ir kai kuriems neelektriniams dydžiams matuoti.
Pagal funkcines savybes išskiriami šie elektros dydžių matavimo prietaisų tipai:
- Rodymas (signalavimas) – tai įrenginiai, leidžiantys tik tiesiogiai nuskaityti matavimo informaciją, pvz., vatmetrai arba ampermetrai.
- Įrašymas – įrenginiai, leidžiantys įrašyti rodmenis, pavyzdžiui, elektroniniai osciloskopai.
Pagal signalo tipą įrenginiai skirstomi į analoginius ir skaitmeninius. Jei prietaisas generuoja signalą, kuris yra nuolatinė išmatuotos vertės funkcija, tai analoginis, pavyzdžiui, voltmetras, kurio rodmenys pateikiami naudojant skalę su rodykle. Tuo atveju, kai įrenginyje automatiškai generuojamas signalas diskrečiųjų verčių srauto pavidalu, kuris į ekraną patenka skaitine forma, kalbama apie skaitmeninį matavimo prietaisą.
Skaitmeniniai instrumentai turi tam tikrų trūkumų, palyginti su analoginiais: mažesnis patikimumas,maitinimo poreikis, didesne kaina. Tačiau jie taip pat išsiskiria reikšmingais pranašumais, dėl kurių skaitmeninių įrenginių naudojimas paprastai yra geresnis: naudojimo paprastumas, didelis tikslumas ir atsparumas triukšmui, universalumo galimybė, derinimas su kompiuteriu ir nuotolinis signalo perdavimas neprarandant tikslumo.
Netikslumai ir prietaisų tikslumas
Svarbiausia elektrinės matavimo priemonės charakteristika yra tikslumo klasė. Elektrinių dydžių matavimas, kaip ir bet kuris kitas, negali būti atliekamas neatsižvelgiant į techninio prietaiso paklaidas, taip pat į papildomus veiksnius (koeficientus), turinčius įtakos matavimo tikslumui. Šio tipo įrenginiams leidžiamos nurodytos paklaidos ribinės vertės vadinamos normalizuotomis ir išreiškiamos procentais. Jie nustato konkretaus įrenginio tikslumo klasę.
Standartinės klasės, naudojamos matavimo prietaisų skalėms žymėti, yra šios: 4, 0; 2, 5; penkiolika; dešimt; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05 Pagal juos nustatomas skirstymas pagal paskirtį: 0,05–0,2 klasių prietaisai yra pavyzdiniai, 0,5 ir 1,0 klasės turi laboratorinius, galiausiai 1, 5–4, 0 klasių prietaisai yra techniniai..
Renkantis matavimo prietaisą, būtina, kad jis atitiktų sprendžiamos problemos klasę, o viršutinė matavimo riba turi būti kuo artimesnė norimos reikšmės skaitinei reikšmei. Tai yra, kuo didesnis prietaiso rodyklės nuokrypis, tuo mažesnė bus santykinė matavimo paklaida. Jei yra tik žemos klasės prietaisai, reikia pasirinkti mažiausią veikimo diapazoną. Taikant šiuos metodus, elektros dydžių matavimus galima atlikti gana tiksliai. Tokiu atveju taip pat turite atsižvelgti į įrenginio skalės tipą (vienodą ar nelygią, pvz., ommetro skalės).
Pagrindiniai elektros dydžiai ir jų vienetai
Dažniausiai elektriniai matavimai siejami su tokiu dydžių rinkiniu:
- Srovės stipris (arba tiesiog srovė) I. Ši reikšmė rodo elektros krūvio, praeinančio per laidininko sekciją, kiekį per 1 sekundę. Elektros srovės dydis matuojamas amperais (A), naudojant ampermetrus, avometrus (testerius, vadinamuosius "tseshek"), skaitmeninius multimetrus, prietaisų transformatorius.
- Elektros kiekis (mokestis) q. Ši reikšmė lemia, kokiu mastu konkretus fizinis kūnas gali būti elektromagnetinio lauko š altinis. Elektros krūvis matuojamas kulonais (C). 1 C (ampersekundė)=1 A ∙ 1 s. Matavimo prietaisai yra elektrometrai arba elektroniniai įkrovimo matuokliai (kulonų matuokliai).
- Įtampa U. Išreiškia potencialų skirtumą (įkrovimo energiją), esantį tarp dviejų skirtingų elektrinio lauko taškų. Tam tikro elektros kiekio matavimo vienetas yra voltas (V). Jei norint perkelti 1 kulono krūvį iš vieno taško į kitą, laukas atlieka 1 džaulio darbą (ty išeikvojama atitinkama energija), tadapotencialų skirtumas - įtampa - tarp šių taškų yra 1 voltas: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Elektros įtampa matuojama naudojant voltmetrus, skaitmeninius arba analoginius (testerius) multimetrus.
- Atsparumas R. Apibūdina laidininko gebėjimą neleisti per jį praeiti elektros srovei. Atsparumo vienetas yra omas. 1 omas – tai laidininko, kurio galuose yra 1 volto įtampa, varža 1 ampero srovei: 1 omas=1 V / 1 A. Atsparumas yra tiesiogiai proporcingas laidininko skerspjūviui ir ilgiui. Jam matuoti naudojami omometrai, avometrai, multimetrai.
- Elektros laidumas (laidumas) G yra varžos atvirkštinė vertė. Išmatuota siemenais (cm): 1 cm=1 omas-1.
- C talpa yra laidininko gebėjimo kaupti krūvį matas, taip pat vienas iš pagrindinių elektros dydžių. Jo matavimo vienetas yra faradas (F). Kondensatoriaus atveju ši vertė apibrėžiama kaip plokščių abipusė talpa ir yra lygi sukaupto krūvio ir potencialų skirtumo ant plokštelių santykiui. Plokščiojo kondensatoriaus talpa didėja didėjant plokščių plotui ir mažėjant atstumui tarp jų. Jei, įkrovus 1 pakabuką, ant plokštelių sukuriama 1 volto įtampa, tada tokio kondensatoriaus talpa bus lygi 1 faradui: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Matavimas atliekamas naudojant specialūs prietaisai – talpos matuokliai arba skaitmeniniai multimetrai.
- Galingumas P yra vertė, atspindinti elektros energijos perdavimo (konvertavimo) greitį. Kaip sisteminis galios vienetasvatų (W; 1 W=1 J/s). Šią reikšmę taip pat galima išreikšti įtampos ir srovės stiprumo sandauga: 1 W=1 V ∙ 1 A. Kintamosios srovės grandinėms aktyvioji (suvartota) galia Pa, reaktyvioji P ra (nedalyvauja veikiant srovei) ir visa galia P. Matuojant jiems naudojami šie vienetai: vatas, var (reiskia „voltas-amperas reaktyvus“).) ir atitinkamai volt-amperas V ∙ BET. Jų matmenys yra vienodi ir jie padeda atskirti nurodytus kiekius. Prietaisai galiai matuoti – analoginiai arba skaitmeniniai vatmetrai. Netiesioginiai matavimai (pavyzdžiui, naudojant ampermetrą) ne visada taikomi. Norint nustatyti tokį svarbų dydį kaip galios koeficientas (išreiškiamas fazės poslinkio kampu), naudojami prietaisai, vadinami faziniais matuokliais.
- Dažnis f. Tai yra kintamosios srovės charakteristika, rodanti jos dydžio ir krypties kitimo ciklų skaičių (bendruoju atveju) per 1 sekundę. Dažnio vienetas yra atvirkštinė sekundė arba hercai (Hz): 1 Hz=1 s-1. Ši vertė matuojama naudojant plačią prietaisų klasę, vadinamą dažnio matuokliais.
Magnetiniai kiekiai
Magnetizmas yra glaudžiai susijęs su elektra, nes abu yra vieno pagrindinio fizinio proceso – elektromagnetizmo – apraiškos. Todėl vienodai glaudus ryšys būdingas elektrinių ir magnetinių dydžių matavimo metodams ir priemonėms. Tačiau yra ir niuansų. Paprastai nustatant pastarąjį praktiškaiatliekamas elektrinis matavimas. Magnetinė vertė gaunama netiesiogiai iš funkcinio ryšio, jungiančio jį su elektriniu.
Referencinės vertės šioje matavimo srityje yra magnetinė indukcija, lauko stiprumas ir magnetinis srautas. Juos naudojant prietaiso matavimo ritę galima konvertuoti į EMF, kuris išmatuojamas, po to apskaičiuojamos reikiamos reikšmės.
- Magnetinis srautas matuojamas naudojant tokius prietaisus kaip webermetrai (fotovoltiniai, magnetoelektriniai, analoginiai elektroniniai ir skaitmeniniai) ir labai jautrūs balistiniai galvanometrai.
- Indukcija ir magnetinio lauko stiprumas matuojami naudojant teslametrus su įvairių tipų keitikliais.
Tiesiogiai susijusių elektrinių ir magnetinių dydžių matavimas leidžia išspręsti daugybę mokslinių ir techninių problemų, pavyzdžiui, tirti Saulės, Žemės ir planetų atomo branduolį ir magnetinį lauką, tirti įvairių medžiagų magnetinės savybės, kokybės kontrolė ir kt.
Neelektriniai kiekiai
Elektros metodų patogumas leidžia juos sėkmingai išplėsti matuojant įvairius neelektrinio pobūdžio fizikinius dydžius, tokius kaip temperatūra, matmenys (tiesiniai ir kampiniai), deformacijos ir daugelis kitų, taip pat tirti cheminius procesus ir medžiagų sudėtį.
Neelektrinių dydžių elektrinio matavimo prietaisai paprastai yra jutiklio kompleksas – keitiklis į bet kurį grandinės parametrą (įtampa,varža) ir elektrinis matavimo prietaisas. Yra daugybė keitiklių tipų, kurių dėka galite išmatuoti įvairius kiekius. Štai tik keli pavyzdžiai:
- Reostatiniai jutikliai. Tokiuose keitikliuose, kai išmatuota vertė yra veikiama (pavyzdžiui, kai keičiasi skysčio lygis ar jo tūris), reostato slankiklis juda ir taip keičiasi varža.
- Termistoriai. Jutiklio varža tokio tipo įrenginiuose keičiasi veikiant temperatūrai. Naudojamas dujų srauto greičiui, temperatūrai matuoti, dujų mišinių sudėčiai nustatyti.
- Atsparumas deformacijai leidžia išmatuoti laido įtempimą.
- Fotojutikliai, kurie apšvietimo, temperatūros ar judėjimo pokyčius paverčia fotosrove, tada išmatuojami.
- Talpiniai keitikliai, naudojami kaip oro chemijos, poslinkio, drėgmės, slėgio jutikliai.
- Pjezoelektriniai keitikliai veikia pagal EML atsiradimo principą kai kuriose kristalinėse medžiagose, kai jas mechaniškai veikia.
- Indukciniai jutikliai yra pagrįsti dydžių, pvz., greičio ar pagreičio, konvertavimu į sukeltą emf.
Elektrinių matavimo priemonių ir metodų kūrimas
Dėl daugybės skirtingų reiškinių, kuriuose šie parametrai vaidina svarbų vaidmenį, yra įvairių elektros dydžių matavimo priemonių. Elektriniai procesai ir reiškiniai turi labai platų panaudojimo spektrąvisos pramonės šakos - neįmanoma nurodyti tokios žmogaus veiklos srities, kurioje jie nerastų pritaikymo. Tai lemia nuolat besiplečiantį fizikinių dydžių elektrinių matavimų problemų spektrą. Šių problemų sprendimo priemonių ir metodų įvairovė ir tobulinimas nuolat auga. Ypač greitai ir sėkmingai plėtojama tokia matavimo technologijos kryptis kaip neelektrinių dydžių matavimas elektros metodais.
Šiuolaikinė elektros matavimo technologija tobulėja tikslumo, atsparumo triukšmui ir greičio didinimo bei matavimo proceso automatizavimo ir jo rezultatų apdorojimo didinimo kryptimi. Matavimo prietaisai nuo paprasčiausių elektromechaninių prietaisų tapo elektroniniais ir skaitmeniniais prietaisais, o toliau – iki naujausių matavimo ir skaičiavimo sistemų, naudojančių mikroprocesorinę technologiją. Tuo pačiu metu, be abejo, pagrindinė plėtros tendencija yra matavimo prietaisų programinės įrangos komponento vaidmens didėjimas.
