De behoeften van wetenschap en technologie omvatten een veelheid aan metingen, waarvan de middelen en methoden voortdurend worden ontwikkeld en verbeterd. De belangrijkste rol op dit gebied is het meten van elektrische grootheden, die veel worden gebruikt in verschillende industrieën.
Het concept van metingen
Meting van een fysieke grootheid wordt gedaan door deze te vergelijken met een hoeveelheid van hetzelfde soort verschijnselen, genomen als een meeteenheid. Het resultaat verkregen door vergelijking wordt numeriek weergegeven in de juiste eenheden.
Deze operatie wordt uitgevoerd met behulp van speciale meetinstrumenten - technische apparaten die interageren met het object, waarvan bepaalde parameters moeten worden gemeten. In dit geval worden bepaalde methoden gebruikt - technieken waarmee de gemeten waarde wordt vergeleken met de meeteenheid.
Er zijn verschillende tekens die als basis dienen voor het classificeren van metingen van elektrische grootheden per type:
- Hoeveelheidhandelingen van meten. Hier is hun eenmalige of veelvoud essentieel.
- Nauwkeurigheid. Er zijn technische, controle en verificatie, de meest nauwkeurige metingen, evenals gelijke en ongelijke metingen.
- De aard van de verandering in de gemeten waarde in de tijd. Volgens dit criterium zijn metingen statisch en dynamisch. Door dynamische metingen worden ogenblikkelijke waarden verkregen van grootheden die in de loop van de tijd veranderen, en statische metingen - enkele constante waarden.
- Vertegenwoordiging van het resultaat. Metingen van elektrische grootheden kunnen worden uitgedrukt in relatieve of absolute vorm.
- De manier om het gewenste resultaat te krijgen. Volgens dit kenmerk worden metingen onderverdeeld in direct (waarbij het resultaat direct wordt verkregen) en indirect, waarbij de grootheden die door een functionele afhankelijkheid bij de gewenste waarde horen, direct worden gemeten. In het laatste geval wordt uit de verkregen resultaten de benodigde fysieke hoeveelheid berekend. Het meten van stroom met een ampèremeter is dus een voorbeeld van een directe meting, en vermogen is een indirecte.
Metingen
Apparaten die bedoeld zijn om te meten, moeten genormaliseerde kenmerken hebben en ook gedurende een bepaalde tijd de eenheid van de waarde behouden of reproduceren waarvoor ze zijn bedoeld.
Middelen voor het meten van elektrische grootheden zijn onderverdeeld in verschillende categorieën, afhankelijk van het doel:
- Maatregelen. Deze tools dienen om de waarde van een gegeven te reproducerengrootte - zoals bijvoorbeeld een weerstand die een bepaalde weerstand reproduceert met een bekende fout.
- Meettransducers die een signaal vormen in een vorm die geschikt is voor opslag, conversie en verzending. Dit soort informatie is niet beschikbaar voor directe waarneming.
- Elektrische meetapparatuur. Deze tools zijn ontworpen om informatie te presenteren in een vorm die toegankelijk is voor de waarnemer. Ze kunnen draagbaar of stationair zijn, analoog of digitaal, opnemen of signaleren.
- Elektrische meetinstallaties zijn complexen van bovenstaande gereedschappen en aanvullende apparaten, geconcentreerd op één plek. De eenheden maken complexere metingen mogelijk (bijvoorbeeld magnetische eigenschappen of soortelijke weerstand), dienen als verificatie- of referentieapparatuur.
- Elektrische meetsystemen zijn ook een combinatie van verschillende middelen. In tegenstelling tot installaties zijn apparaten voor het meten van elektrische hoeveelheden en andere middelen in het systeem echter verspreid. Met behulp van systemen kunt u verschillende hoeveelheden meten, meetinformatiesignalen opslaan, verwerken en verzenden.
Als het nodig is om een specifiek complex meetprobleem op te lossen, worden meet- en rekencomplexen gevormd die een aantal apparaten en elektronische rekenapparatuur combineren.
Kenmerken van meetinstrumenten
Meetapparatuur hebben bepaalde eigenschappen die belangrijk zijnom hun directe taken uit te voeren. Deze omvatten:
- Metrologische kenmerken, zoals gevoeligheid en de drempel, meetbereik van een elektrische grootheid, instrumentfout, delingswaarde, snelheid, enz.
- Dynamische kenmerken, zoals amplitude (afhankelijkheid van de amplitude van het uitgangssignaal van het apparaat van de amplitude aan de ingang) of fase (afhankelijkheid van de faseverschuiving van de frequentie van het signaal).
- Prestatiekenmerken die de mate weergeven waarin het instrument onder bepaalde omstandigheden voldoet aan de vereisten voor gebruik. Deze omvatten eigenschappen als de betrouwbaarheid van indicaties, betrouwbaarheid (functionaliteit, duurzaamheid en storingvrije werking van het apparaat), onderhoudbaarheid, elektrische veiligheid, zuinigheid.
De set uitrustingskenmerken wordt bepaald door de relevante regelgevende en technische documenten voor elk type apparaat.
Toegepaste methoden
Meting van elektrische grootheden wordt uitgevoerd door verschillende methoden, die ook kunnen worden geclassificeerd volgens de volgende criteria:
- Soort fysieke verschijnselen op basis waarvan de meting wordt gedaan (elektrische of magnetische verschijnselen).
- De aard van de interactie van het meetinstrument met het object. Afhankelijk hiervan worden contact- en contactloze methoden voor het meten van elektrische grootheden onderscheiden.
- Meetmodus. Volgens het zijn metingen dynamisch en statisch.
- Meetmethode. Ontwikkeld als methoden voor directe schatting wanneer de gezochte hoeveelheiddirect bepaald door het apparaat (bijvoorbeeld een ampèremeter), en nauwkeuriger methoden (nul, differentieel, oppositie, vervanging), waarin het wordt gedetecteerd door vergelijking met een bekende waarde. Compensatoren en elektrische meetbruggen van gelijk- en wisselstroom dienen als vergelijkingsapparaten.
Elektrische meetinstrumenten: soorten en kenmerken
Het meten van elektrische basisgrootheden vereist een grote verscheidenheid aan instrumenten. Afhankelijk van het fysieke principe dat aan hun werk ten grondslag ligt, zijn ze allemaal onderverdeeld in de volgende groepen:
- Elektromechanische apparaten moeten een bewegend onderdeel in hun ontwerp hebben. Deze grote groep meetinstrumenten omvat elektrodynamische, ferrodynamische, magneto-elektrische, elektromagnetische, elektrostatische, inductieapparaten. Het magneto-elektrische principe, dat op grote schaal wordt gebruikt, kan bijvoorbeeld worden gebruikt als basis voor apparaten als voltmeters, ampèremeters, ohmmeters, galvanometers. Elektriciteitsmeters, frequentiemeters, enz. zijn gebaseerd op het inductieprincipe.
- Elektronische apparaten onderscheiden zich door de aanwezigheid van extra blokken: converters van fysieke grootheden, versterkers, converters, enz. In de regel wordt bij apparaten van dit type de gemeten waarde omgezet in spanning en dient een voltmeter als hun structurele basis. Elektronische meetinstrumenten worden gebruikt als frequentiemeters, capaciteits-, weerstands-, inductantiemeters, oscilloscopen.
- Thermo-elektrischapparaten combineren in hun ontwerp een meetapparaat van een magneto-elektrisch type en een thermische omzetter gevormd door een thermokoppel en een verwarming waardoor de gemeten stroom vloeit. Instrumenten van dit type worden voornamelijk gebruikt voor het meten van hoogfrequente stromen.
- Elektrochemisch. Het principe van hun werking is gebaseerd op de processen die plaatsvinden op de elektroden of in het te bestuderen medium in de interelektroderuimte. Instrumenten van dit type worden gebruikt om de elektrische geleidbaarheid, de hoeveelheid elektriciteit en sommige niet-elektrische grootheden te meten.
Volgens functionele kenmerken worden de volgende soorten instrumenten voor het meten van elektrische grootheden onderscheiden:
- Indicatie (signalering) - dit zijn apparaten waarmee alleen direct meetinformatie kan worden gelezen, zoals wattmeters of ampèremeters.
- Opname - apparaten die de mogelijkheid bieden om metingen op te nemen, bijvoorbeeld elektronische oscilloscopen.
Afhankelijk van het type signaal worden apparaten onderverdeeld in analoog en digitaal. Als het apparaat een signaal genereert dat een continue functie is van de gemeten waarde, is het analoog, bijvoorbeeld een voltmeter, waarvan de aflezingen worden gegeven met behulp van een schaal met een pijl. In het geval dat er automatisch een signaal in het apparaat wordt gegenereerd in de vorm van een stroom van discrete waarden die in numerieke vorm het display binnenkomt, spreekt men van een digitaal meetinstrument.
Digitale instrumenten hebben enkele nadelen in vergelijking met analoge: minder betrouwbaar,behoefte aan voeding, hogere kosten. Ze onderscheiden zich echter ook door aanzienlijke voordelen die het gebruik van digitale apparaten over het algemeen de voorkeur geven: gebruiksgemak, hoge nauwkeurigheid en ruisimmuniteit, de mogelijkheid van universalisering, combinatie met een computer en signaaloverdracht op afstand zonder verlies van nauwkeurigheid.
Onnauwkeurigheden en nauwkeurigheid van instrumenten
Het belangrijkste kenmerk van een elektrisch meetinstrument is de nauwkeurigheidsklasse. De meting van elektrische grootheden, zoals elke andere, kan niet worden uitgevoerd zonder rekening te houden met de fouten van het technische apparaat, evenals met aanvullende factoren (coëfficiënten) die de meetnauwkeurigheid beïnvloeden. De grenswaarden van de gegeven fouten die voor dit type apparaat zijn toegestaan, worden genormaliseerd genoemd en worden uitgedrukt als een percentage. Ze bepalen de nauwkeurigheidsklasse van een bepaald apparaat.
Standaardklassen die worden gebruikt om de schalen van meetinstrumenten te markeren zijn als volgt: 4, 0; 2, 5; vijftien; tien; 0,5; 0,2; 0,1; In overeenstemming daarmee wordt een indeling naar doel vastgesteld: apparaten die behoren tot de klassen van 0,05 tot 0,2 zijn exemplarisch, de klassen 0,5 en 1,0 hebben laboratoriumapparaten en ten slotte zijn apparaten van de klassen 1, 5-4, 0 technisch.
Bij het kiezen van een meetinstrument is het noodzakelijk dat het overeenkomt met de klasse van het probleem dat wordt opgelost, terwijl de bovenste meetlimiet zo dicht mogelijk bij de numerieke waarde van de gewenste waarde moet liggen. Dat wil zeggen, hoe groter de afwijking van de instrumentwijzer kan worden bereikt, hoe kleiner de relatieve fout van de meting zal zijn. Als er alleen instrumenten van lage kwaliteit beschikbaar zijn, moet degene met het kleinste werkbereik worden gekozen. Met deze methoden kunnen metingen van elektrische grootheden vrij nauwkeurig worden uitgevoerd. In dit geval moet u ook rekening houden met het type schaal van het apparaat (uniform of ongelijkmatig, zoals ohmmeterschalen).
Basis elektrische grootheden en hun eenheden
Meestal worden elektrische metingen geassocieerd met de volgende reeks grootheden:
- Stroomsterkte (of gewoon stroom) I. Deze waarde geeft de hoeveelheid elektrische lading aan die in 1 seconde door het geleidergedeelte gaat. Meting van de grootte van de elektrische stroom wordt uitgevoerd in ampère (A) met behulp van ampèremeters, avometers (testers, de zogenaamde "tseshek"), digitale multimeters, instrumenttransformatoren.
- Hoeveelheid elektriciteit (opladen) q. Deze waarde bepa alt in hoeverre een bepaald fysiek lichaam een bron van een elektromagnetisch veld kan zijn. Elektrische lading wordt gemeten in coulombs (C). 1 C (ampère-seconde)=1 A 1 s. Instrumenten voor het meten zijn elektrometers of elektronische ladingsmeters (coulombmeters).
- Voltage U. Drukt het potentiaalverschil (ladingsenergie) uit dat bestaat tussen twee verschillende punten van het elektrische veld. Voor een gegeven elektrische grootheid is de meeteenheid de volt (V). Als om een lading van 1 coulomb van het ene punt naar het andere te verplaatsen, het veld werkt van 1 joule (dat wil zeggen, de bijbehorende energie wordt verbruikt), danhet potentiaalverschil - spanning - tussen deze punten is 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. De meting van de elektrische spanning wordt uitgevoerd met behulp van voltmeters, digitale of analoge (testers) multimeters.
- Weerstand R. Karakteristiek voor het vermogen van een geleider om de doorgang van elektrische stroom erdoorheen te voorkomen. De eenheid van weerstand is ohm. 1 ohm is de weerstand van een geleider met een spanning van 1 volt aan de uiteinden tot een stroomsterkte van 1 ampère: 1 ohm=1 V / 1 A. De weerstand is recht evenredig met de doorsnede en lengte van de geleider. Ohmmeters, avometers, multimeters worden gebruikt om het te meten.
- Elektrische geleidbaarheid (geleidbaarheid) G is het omgekeerde van weerstand. Gemeten in siemens (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Capaciteit C is een maat voor het vermogen van een geleider om lading op te slaan, ook een van de fundamentele elektrische grootheden. De maateenheid is de farad (F). Voor een condensator wordt deze waarde gedefinieerd als de onderlinge capaciteit van de platen en is gelijk aan de verhouding van de geaccumuleerde lading tot het potentiaalverschil op de platen. De capaciteit van een platte condensator neemt toe met een toename van het oppervlak van de platen en met een afname van de afstand ertussen. Als, met een lading van 1 hanger, een spanning van 1 volt op de platen wordt gecreëerd, dan is de capaciteit van een dergelijke condensator gelijk aan 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. De meting wordt uitgevoerd met speciale instrumenten - capaciteitsmeters of digitale multimeters.
- Power P is een waarde die de snelheid weergeeft waarmee de overdracht (omzetting) van elektrische energie wordt uitgevoerd. Als een systeemeenheid van aangenomen vermogen:watt (W; 1 W=1J/s). Deze waarde kan ook worden uitgedrukt in termen van het product van spanning en stroomsterkte: 1 W=1 V ∙ 1 A. Voor AC-circuits, actief (verbruikt) vermogen Pa, reactief P ra (neemt geen deel aan de werking van de stroom) en vol vermogen P. Bij het meten worden de volgende eenheden gebruikt: watt, var (staat voor "volt-ampere reactief") en dienovereenkomstig volt-ampère V MAAR. Hun afmetingen zijn hetzelfde en ze dienen om onderscheid te maken tussen de aangegeven hoeveelheden. Instrumenten voor het meten van vermogen - analoge of digitale wattmeters. Indirecte metingen (bijvoorbeeld met een ampèremeter) zijn niet altijd toepasbaar. Om zo'n belangrijke hoeveelheid als de arbeidsfactor te bepalen (uitgedrukt in termen van de faseverschuivingshoek), worden apparaten gebruikt die fasemeters worden genoemd.
- Frequentie f. Dit is een kenmerk van een wisselstroom, die het aantal cycli van verandering in grootte en richting (in het algemeen geval) over een periode van 1 seconde laat zien. De eenheid van frequentie is de reciproke seconde, of hertz (Hz): 1 Hz=1 s-1. Deze waarde wordt gemeten door middel van een uitgebreide klasse instrumenten die frequentiemeters worden genoemd.
Magnetische hoeveelheden
Magnetisme is nauw verwant aan elektriciteit, aangezien beide manifestaties zijn van één enkel fundamenteel fysiek proces - elektromagnetisme. Daarom is een even nauwe verbinding kenmerkend voor methoden en middelen voor het meten van elektrische en magnetische grootheden. Maar er zijn ook nuances. In de regel, bij het bepalen van de laatste, praktischer wordt een elektrische meting gedaan. De magnetische waarde wordt indirect verkregen uit de functionele relatie die hem verbindt met de elektrische.
De referentiewaarden in dit meetgebied zijn magnetische inductie, veldsterkte en magnetische flux. Ze kunnen met behulp van de meetspoel van het apparaat worden omgezet in EMF, dat wordt gemeten, waarna de benodigde waarden worden berekend.
- Magnetische flux wordt gemeten met instrumenten zoals webermeters (fotovoltaïsche, magneto-elektrische, analoge elektronische en digitale) en zeer gevoelige ballistische galvanometers.
- Inductie en magnetische veldsterkte worden gemeten met teslameters die zijn uitgerust met verschillende soorten transducers.
Meting van elektrische en magnetische grootheden, die direct gerelateerd zijn, maakt het mogelijk om veel wetenschappelijke en technische problemen op te lossen, bijvoorbeeld de studie van de atoomkern en het magnetische veld van de zon, aarde en planeten, de studie van de magnetische eigenschappen van verschillende materialen, kwaliteitscontrole en andere.
Niet-elektrische hoeveelheden
Het gemak van elektrische methoden maakt het mogelijk om ze met succes uit te breiden tot metingen van verschillende fysieke grootheden van niet-elektrische aard, zoals temperatuur, afmetingen (lineair en hoekig), vervorming en vele andere, evenals om chemische processen en de samenstelling van stoffen te onderzoeken.
Instrumenten voor elektrische meting van niet-elektrische grootheden zijn meestal een complex van een sensor - een converter naar een circuitparameter (spanning,weerstand) en elektrisch meetapparaat. Er zijn veel soorten transducers, waardoor u verschillende hoeveelheden kunt meten. Hier zijn slechts een paar voorbeelden:
- Reostatische sensoren. In dergelijke transducers, wanneer de gemeten waarde wordt blootgesteld (bijvoorbeeld wanneer het vloeistofniveau of het volume ervan verandert), beweegt de schuifregelaar van de regelweerstand, waardoor de weerstand verandert.
- Thermistors. De weerstand van de sensor in apparaten van dit type verandert onder invloed van temperatuur. Gebruikt om gasstroomsnelheid, temperatuur te meten, om de samenstelling van gasmengsels te bepalen.
- Rekweerstanden maken metingen van de draadrek mogelijk.
- Fotosensoren die een verandering in verlichting, temperatuur of beweging omzetten in een fotostroom die vervolgens wordt gemeten.
- Capacitieve transducers gebruikt als sensoren voor luchtchemie, verplaatsing, vochtigheid, druk.
- Piezo-elektrische transducers werken volgens het principe van het optreden van EMF in sommige kristallijne materialen wanneer ze mechanisch worden toegepast.
- Inductieve sensoren zijn gebaseerd op de omzetting van grootheden zoals snelheid of versnelling in een geïnduceerde emf.
Ontwikkeling van elektrische meetinstrumenten en methoden
Een grote verscheidenheid aan middelen voor het meten van elektrische grootheden is te wijten aan veel verschillende verschijnselen waarin deze parameters een belangrijke rol spelen. Elektrische processen en fenomenen hebben een zeer breed scala aan toepassingen inalle industrieën - het is onmogelijk om een dergelijk gebied van menselijke activiteit aan te geven waar ze geen toepassing zouden vinden. Dit bepa alt de steeds groter wordende reeks problemen van elektrische metingen van fysieke grootheden. De verscheidenheid en verbetering van middelen en methoden om deze problemen op te lossen neemt voortdurend toe. Bijzonder snel en succesvol ontwikkelt een dergelijke richting van de meettechnologie als het meten van niet-elektrische grootheden door elektrische methoden.
Moderne elektrische meettechnologie ontwikkelt zich in de richting van toenemende nauwkeurigheid, ruisimmuniteit en snelheid, evenals toenemende automatisering van het meetproces en de verwerking van de resultaten ervan. Meetinstrumenten zijn geëvolueerd van de eenvoudigste elektromechanische apparaten naar elektronische en digitale apparaten, en verder naar de nieuwste meet- en rekensystemen met behulp van microprocessortechnologie. Tegelijkertijd is de toename van de rol van de softwarecomponent van meetapparatuur uiteraard de belangrijkste ontwikkelingstrend.
