Tieteen ja tekniikan tarpeisiin kuuluu lukuisia mittauksia, joiden välineitä ja menetelmiä kehitetään ja parannetaan jatkuvasti. Tärkein rooli tällä alueella on sähkösuureiden mittauksilla, joita käytetään laajasti eri toimialoilla.
Mittausten käsite
Mikä tahansa fyysinen suure mitataan vertaamalla sitä johonkin samantyyppisten ilmiöiden suureen, joka on otettu mittayksikkönä. Vertailulla saatu tulos esitetään numeerisesti asianmukaisina yksikköinä.
Tämä toimenpide suoritetaan erityisten mittauslaitteiden avulla - esineen kanssa vuorovaikutuksessa olevien teknisten laitteiden avulla, joiden tietyt parametrit on mitattava. Tässä tapauksessa käytetään tiettyjä menetelmiä - tekniikoita, joilla mitattua arvoa verrataan mittayksikköön.
On olemassa useita merkkejä, jotka toimivat perustana sähkösuureiden mittausten luokittelulle tyypin mukaan:
- Määrämittausasiat. Tässä niiden kertaluonteisuus tai moninkertaisuus on välttämätöntä.
- Tarkkuusaste. Tarjolla on teknisiä, ohjaus- ja varmistusmittauksia, tarkimmat mittaukset sekä yhtäläiset ja epätasaiset mittaukset.
- Mitausarvon muutoksen luonne ajan myötä. Tämän kriteerin mukaan mittaukset ovat staattisia ja dynaamisia. Dynaamisten mittausten avulla saadaan ajan mittaan muuttuvien suureiden hetkelliset arvot ja staattiset mittaukset - joitain vakioarvoja.
- Tuloksen esitys. Sähkösuureiden mittaukset voidaan ilmaista suhteellisessa tai absoluuttisessa muodossa.
- Tapa saada haluttu tulos. Tämän ominaisuuden mukaan mittaukset jaetaan suoriin (jossa tulos saadaan suoraan) ja epäsuoriin, joissa mitataan suoraan haluttuun arvoon jollakin toiminnallisella riippuvuudella liittyvät suureet. Jälkimmäisessä tapauksessa vaadittu fyysinen määrä lasketaan saaduista tuloksista. Joten virran mittaaminen ampeerimittarilla on esimerkki suorasta mittauksesta ja teho on epäsuora.
Mittaukset
Mittaukseen tarkoitetuilla laitteilla on oltava normalisoidut ominaisuudet, ja niiden on myös säilyttävä tietty aika tai toistettava se arvon yksikkö, jolle ne on tarkoitettu.
Sähkösuureiden mittausvälineet on jaettu useisiin luokkiin käyttötarkoituksen mukaan:
- Toimenpiteet. Nämä työkalut palvelevat jonkin tietyn arvon toistamistakoko - kuten esimerkiksi vastus, joka toistaa tietyn resistanssin tunnetulla virheellä.
- Mittausmuuntimet, jotka muodostavat signaalin sopivassa muodossa tallennusta, muuntamista ja siirtoa varten. Tällaista tietoa ei ole saatavilla suoraan havaitsemiseen.
- Sähköiset mittalaitteet. Nämä työkalut on suunniteltu esittämään tietoa tarkkailijan saatavilla olevassa muodossa. Ne voivat olla kannettavia tai kiinteitä, analogisia tai digitaalisia, tallentavia tai signaloivia.
- Sähköiset mittauslaitteistot ovat edellä mainittujen työkalujen ja lisälaitteiden kokonaisuuksia, jotka on keskitetty yhteen paikkaan. Yksiköt mahdollistavat monimutkaisempia mittauksia (esim. magneettiset ominaisuudet tai resistanssi), toimivat varmistus- tai referenssilaitteina.
- Sähköiset mittausjärjestelmät ovat myös yhdistelmä erilaisia keinoja. Toisin kuin asennuksissa, sähkösuureiden ja muiden välineiden mittauslaitteet järjestelmässä ovat kuitenkin hajallaan. Järjestelmien avulla voit mitata useita suureita, tallentaa, käsitellä ja lähettää mittaustietosignaaleja.
Jos on tarpeen ratkaista tietty monimutkainen mittausongelma, muodostuu mittaus- ja laskentakomplekseja, jotka yhdistävät useita laitteita ja elektronisia laskentalaitteita.
Mittauslaitteiden ominaisuudet
Mittauslaitteilla on tiettyjä tärkeitä ominaisuuksiasuorittamaan suoria tehtäviään. Näitä ovat:
- Metrologiset ominaisuudet, kuten herkkyys ja sen kynnysarvo, sähköisen suuren mittausalue, laitevirhe, jakoarvo, nopeus jne.
- Dynaamiset ominaisuudet, kuten amplitudi (laitteen lähtösignaalin amplitudin riippuvuus tulon amplitudista) tai vaihe (vaihesiirron riippuvuus signaalin taajuudesta).
- Suorituskykyominaisuudet, jotka kuvastavat sitä, missä määrin instrumentti täyttää toiminnan vaatimukset tietyissä olosuhteissa. Näitä ominaisuuksia ovat esimerkiksi näyttöjen luotettavuus, luotettavuus (laitteen käytettävyys, kestävyys ja häiriötön toiminta), huollettavuus, sähköturvallisuus, taloudellisuus.
Laitteen ominaisuudet määritetään kullekin laitetyypille asianmukaisissa säädöksissä ja teknisissä asiakirjoissa.
Sovelletut menetelmät
Sähkösuureiden mittaus suoritetaan eri menetelmillä, jotka voidaan myös luokitella seuraavien kriteerien mukaan:
- Fysikaaliset ilmiöt, joiden perusteella mittaus tehdään (sähköiset tai magneettiset ilmiöt).
- Mittaustyökalun ja kohteen vuorovaikutuksen luonne. Siitä riippuen erotetaan kosketus- ja ei-kosketusmenetelmät sähkösuureiden mittaamiseen.
- Mittaustila. Sen mukaan mittaukset ovat dynaamisia ja staattisia.
- Mittausmenetelmä. Kehitetty menetelmiksi suoran estimoinnille, kun haettu määrälaitteen suoraan määrittämä (esimerkiksi ampeerimittari) ja tarkemmat menetelmät (nolla, differentiaali, oppositio, substituutio), joissa se havaitaan vertaamalla tunnettuun arvoon. Tasa- ja vaihtovirran kompensaattorit ja sähköiset mittasillat toimivat vertailulaitteina.
Sähköiset mittauslaitteet: tyypit ja ominaisuudet
Sähköisten perussuureiden mittaaminen vaatii monenlaisia laitteita. Työnsä taustalla olevan fysikaalisen periaatteen mukaan he kaikki jaetaan seuraaviin ryhmiin:
- Sähkömekaanisten laitteiden suunnittelussa on oltava liikkuva osa. Tämä suuri joukko mittalaitteita sisältää sähködynaamisia, ferrodynaamisia, magnetoelektrisiä, sähkömagneettisia, sähköstaattisia, induktiolaitteita. Esimerkiksi magnetosähköistä periaatetta, jota käytetään erittäin laajasti, voidaan käyttää perustana sellaisille laitteille kuin volttimittarit, ampeerimittarit, ohmimetrit, galvanometrit. Sähkömittarit, taajuusmittarit jne. perustuvat induktioperiaatteeseen.
- Elektroniset laitteet erottuvat lisälohkoista: fyysisten suureiden muuntimet, vahvistimet, muuntimet jne. Yleensä tämän tyyppisissä laitteissa mitattu arvo muunnetaan jännitteeksi, ja volttimittari toimii niiden rakenteellinen perusta. Elektronisia mittalaitteita käytetään taajuusmittareina, kapasitanssi-, resistanssi-, induktanssimittareina, oskilloskoopeina.
- Lämpösähköinenlaitteet yhdistävät suunnittelussaan magnetoelektrisen tyyppisen mittauslaitteen ja lämpöparin muodostaman lämpömuuntimen sekä lämmittimen, jonka läpi mitattu virta kulkee. Tämän tyyppisiä laitteita käytetään pääasiassa suurtaajuisten virtojen mittaamiseen.
- Sähkökemiallinen. Niiden toimintaperiaate perustuu prosesseihin, jotka tapahtuvat elektrodeilla tai tutkittavassa väliaineessa elektrodien välisessä tilassa. Tämän tyyppisiä laitteita käytetään sähkönjohtavuuden, sähkön määrän ja joidenkin ei-sähköisten suureiden mittaamiseen.
Toiminnallisten ominaisuuksien mukaan erotetaan seuraavat sähkösuureiden mittauslaitteet:
- Ilmoittava (signalointi) - nämä ovat laitteita, jotka mahdollistavat vain mittaustietojen suoran lukemisen, kuten wattimittarit tai ampeerimittarit.
- Tallennus - laitteet, jotka mahdollistavat lukemien tallentamisen, esimerkiksi elektroniset oskilloskoopit.
Signaalityypin mukaan laitteet jaetaan analogisiin ja digitaalisiin. Jos laite tuottaa signaalin, joka on jatkuva funktio mitatusta arvosta, se on analoginen, esimerkiksi volttimittari, jonka lukemat annetaan nuolella varustetun asteikon avulla. Siinä tapauksessa, että laitteessa generoidaan automaattisesti signaali erillisten arvojen virran muodossa, joka tulee näyttöön numeromuodossa, puhutaan digitaalisesta mittauslaitteesta.
Digitaalisilla soittimilla on joitain haittoja analogisiin verrattuna: vähemmän luotettavuutta,virtalähteen tarve, korkeammat kustannukset. Ne erottuvat kuitenkin myös merkittävistä eduista, jotka tekevät digitaalisten laitteiden käytöstä yleensä edullisempaa: helppokäyttöisyys, suuri tarkkuus ja kohinansieto, yleistämisen mahdollisuus, yhdistelmä tietokoneen kanssa ja signaalin etäsiirto ilman tarkkuuden menetystä.
Epätarkkuudet ja instrumenttien tarkkuus
Sähköisen mittauslaitteen tärkein ominaisuus on tarkkuusluokka. Sähkösuureiden mittausta, kuten mitään muutakaan, ei voida suorittaa ottamatta huomioon teknisen laitteen virheitä sekä mittaustarkkuuteen vaikuttavia lisätekijöitä (kertoimia). Tämän tyyppisille laitteille sallittujen annettujen virheiden raja-arvoja kutsutaan normalisoiduiksi ja ilmaistaan prosentteina. Ne määrittävät tietyn laitteen tarkkuusluokan.
Mittauslaitteiden asteikkojen merkitsemiseen käytetyt standardiluokat ovat seuraavat: 4, 0; 2, 5; viisitoista; kymmenen; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05 Niiden mukaisesti perustetaan käyttötarkoituksen mukainen jako: luokkiin 0,05-0,2 kuuluvat laitteet ovat esimerkillisiä, luokissa 0,5 ja 1,0 laboratoriolaitteet ja lopuksi luokkien 1, 5-4, 0 laitteet ovat teknisiä..
Mittauslaitetta valittaessa on välttämätöntä, että se vastaa ratkaistavan ongelman luokkaa, ja mittauksen ylärajan tulee olla mahdollisimman lähellä halutun arvon numeerista arvoa. Toisin sanoen mitä suurempi mittauslaitteen osoittimen poikkeama voidaan saavuttaa, sitä pienempi on mittauksen suhteellinen virhe. Jos saatavilla on vain matalan luokan instrumentteja, tulee valita pienin toiminta-alue. Näillä menetelmillä sähkösuureiden mittaukset voidaan suorittaa melko tarkasti. Tässä tapauksessa sinun on myös otettava huomioon laitteen asteikon tyyppi (tasainen tai epätasainen, kuten ohmimittarin asteikot).
Sähköiset perussuureet ja niiden yksiköt
Sähköiset mittaukset liittyvät useimmiten seuraaviin suureisiin:
- Virran voimakkuus (tai yksinkertaisesti virta) I. Tämä arvo ilmaisee johdinosan läpi 1 sekunnissa kulkevan sähkövarauksen määrän. Sähkövirran suuruuden mittaus suoritetaan ampeereissa (A) käyttämällä ampeerimittareita, avometrejä (testerit, ns. "tseshek"), digitaalisia yleismittareita, instrumenttimuuntajia.
- Sähkön määrä (maksu) q. Tämä arvo määrittää, missä määrin tietty fyysinen kappale voi olla sähkömagneettisen kentän lähde. Sähkövaraus mitataan kuloneina (C). 1 C (ampeerisekunti)=1 A ∙ 1 s. Mittausinstrumentteja ovat elektrometrit tai elektroniset varausmittarit (coulomb-mittarit).
- Jännite U. Ilmaisee potentiaalieron (varausenergian), joka on sähkökentän kahden eri pisteen välillä. Tietyn sähkösuureen mittayksikkö on voltti (V). Jos kenttä tekee 1 joulen verran työtä siirtääkseen 1 coulombin varauksen pisteestä toiseen (eli kuluu vastaava energia), niinpotentiaaliero - jännite - näiden pisteiden välillä on 1 voltti: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Sähköjännitteen mittaus suoritetaan volttimittareiden, digitaalisten tai analogisten (testeri) yleismittareiden avulla.
- Resistanssi R. Kuvaa johtimen kykyä estää sähkövirran kulkeminen sen läpi. Resistanssin yksikkö on ohm. 1 ohm on 1 voltin päissä olevan johtimen resistanssi 1 ampeerin virralle: 1 ohm=1 V / 1 A. Vastus on suoraan verrannollinen johtimen poikkileikkaukseen ja pituuteen. Sen mittaamiseen käytetään ohmimittareita, avometrejä, yleismittareita.
- Sähkönjohtavuus (johtavuus) G on resistanssin käänteisluku. Siemensissä mitattuna (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Kapasiteetti C mittaa johtimen kykyä varastoida varausta, myös yksi sähköisistä perussuureista. Sen mittayksikkö on farad (F). Kondensaattorille tämä arvo määritellään levyjen keskinäiseksi kapasitanssiksi ja on yhtä suuri kuin kertyneen varauksen suhde levyjen potentiaalieroon. Litteän kondensaattorin kapasitanssi kasvaa, kun levyjen pinta-ala kasvaa ja niiden välinen etäisyys pienenee. Jos levyille syntyy 1 voltin latauksella 1 voltin jännite, tällaisen kondensaattorin kapasitanssi on yhtä suuri kuin 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Mittaus suoritetaan käyttämällä erikoislaitteet - kapasitanssimittarit tai digitaaliset yleismittarit.
- Teho P on arvo, joka kuvastaa nopeutta, jolla sähköenergian siirto (muunnos) tapahtuu. Järjestelmän tehoyksikkönä hyväksyttywattia (W; 1 W=1 J/s). Tämä arvo voidaan ilmaista myös jännitteen ja virran voimakkuuden tulona: 1 W=1 V ∙ 1 A. Vaihtovirtapiireissä aktiivinen (kulutus) teho Pa, loisteho P ra (ei osallistu virran toimintaan) ja täydellä teholla P. Mittattaessa niille käytetään seuraavia yksiköitä: watt, var (tulee sanoista "volt-ampere reactive").) ja vastaavasti volttiampeeri V ∙ MUTTA. Niiden mitat ovat samat, ja niiden avulla voidaan erottaa ilmoitetut suuret. Tehonmittauslaitteet - analogiset tai digitaaliset wattimittarit. Epäsuorat mittaukset (esimerkiksi ampeerimittarilla) eivät aina sovellu. Tällaisen tärkeän suuren, kuten tehokertoimen (ilmaistuna vaihesiirtokulmana) määrittämiseen käytetään vaihemittareita.
- Taajuus f. Tämä on vaihtovirran ominaisuus, joka osoittaa sen suuruuden ja suunnan muutosjaksojen lukumäärän (yleisessä tapauksessa) 1 sekunnin aikana. Taajuuden yksikkö on käänteinen sekunti tai hertsi (Hz): 1 Hz=1 s-1. Tämä arvo mitataan laajalla mittareilla, joita kutsutaan taajuusmittareiksi.
Magneettiset suureet
Magnetismi liittyy läheisesti sähköön, koska molemmat ovat yhden ainoan fysikaalisen perusprosessin - sähkömagnetismin - ilmentymiä. Siksi yhtä tiivis yhteys on ominaista sähköisten ja magneettisten suureiden mittausmenetelmille ja -välineille. Mutta on myös vivahteita. Pääsääntöisesti viimeksi mainittua määritettäessä käytännössätehdään sähkömittaus. Magneettinen arvo saadaan epäsuorasti toiminnallisesta suhteesta, joka yhdistää sen sähköiseen.
Viitearvot tällä mittausalueella ovat magneettinen induktio, kentänvoimakkuus ja magneettivuo. Ne voidaan muuntaa laitteen mittauskäämin avulla EMF:ksi, joka mitataan, minkä jälkeen lasketaan tarvittavat arvot.
- Magneettivirta mitataan käyttämällä laitteita, kuten webermittareita (valosähkö, magnetosähköinen, analoginen elektroninen ja digitaalinen) ja erittäin herkkiä ballistisia galvanometrejä.
- Induktio- ja magneettikentän voimakkuus mitataan teslametreillä, jotka on varustettu erilaisilla muuntimilla.
Sähköisten ja magneettisten suureiden mittaaminen, jotka liittyvät suoraan toisiinsa mahdollistaa monien tieteellisten ja teknisten ongelmien ratkaisemisen, esimerkiksi Auringon, Maan ja planeettojen atomiytimen ja magneettikentän tutkimisen, eri materiaalien magneettiset ominaisuudet, laadunvalvonta ja muut.
Ei-sähköiset suureet
Sähköisten menetelmien mukavuus mahdollistaa niiden laajentamisen useiden ei-sähköisten fysikaalisten suureiden, kuten lämpötilan, mittojen (lineaarinen ja kulma), muodonmuutoksen ja monien muiden mittauksiin. tutkia kemiallisia prosesseja ja aineiden koostumusta.
Ei-sähköisten suureiden sähköiseen mittaukseen tarkoitetut laitteet ovat yleensä anturikompleksi, joka muuntaa minkä tahansa piiriparametrin (jännite,vastus) ja sähköinen mittauslaite. Antureita on monenlaisia, joiden ansiosta voit mitata erilaisia määriä. Tässä on vain muutama esimerkki:
- Reostaattiset anturit. Tällaisissa antureissa, kun mitattu arvo paljastetaan (esimerkiksi nesteen pinnan tai sen tilavuuden muuttuessa), reostaatin liukusäädin liikkuu ja muuttaa siten vastusta.
- Termistorit. Anturin vastus tämän tyyppisissä laitteissa muuttuu lämpötilan vaikutuksesta. Käytetään mittaamaan kaasun virtausnopeutta, lämpötilaa, määrittämään kaasuseosten koostumus.
- Vesymäresistanssit mahdollistavat langan jännitysmittaukset.
- Valoanturit, jotka muuttavat valaistuksen, lämpötilan tai liikkeen muutoksen valovirraksi ja sitten mitataan.
- Kapasitiiviset muuntimet, joita käytetään ilmakemian, siirtymän, kosteuden ja paineen antureina.
- Pietsosähköiset muuntimet toimivat EMF:n esiintymisen periaatteella joissakin kiteisissä materiaaleissa, kun ne kohdistetaan niihin mekaanisesti.
- Induktiiviset anturit perustuvat suureiden, kuten nopeuden tai kiihtyvyyden, muuntamiseen indusoiduksi emf:ksi.
Sähköisten mittauslaitteiden ja -menetelmien kehittäminen
Laaja valikoima sähkösuureiden mittausmenetelmiä johtuu monista erilaisista ilmiöistä, joissa näillä parametreilla on merkittävä rooli. Sähköisillä prosesseilla ja ilmiöillä on erittäin laaja käyttöaluekaikki teollisuudenalat - on mahdotonta osoittaa sellaista ihmisen toiminnan aluetta, jolle he eivät löytäisi sovellusta. Tämä määrittää fysikaalisten suureiden sähköisten mittausten jatkuvasti laajenevan ongelmaalueen. Näiden ongelmien ratkaisukeinojen ja -menetelmien monimuotoisuus ja parantaminen lisääntyy jatkuvasti. Erityisen nopeasti ja menestyksekkäästi kehittää sellaista mittaustekniikan suuntaa kuin ei-sähköisten suureiden mittaaminen sähkömenetelmillä.
Moderni sähköinen mittaustekniikka kehittyy tarkkuuden, melunsietokyvyn ja nopeuden lisäämiseen sekä mittausprosessin ja sen tulosten käsittelyn automatisoinnin lisääntymiseen. Mittauslaitteet ovat edenneet yksinkertaisimmista sähkömekaanisista laitteista elektronisiin ja digitaalisiin laitteisiin ja edelleen uusimpiin mikroprosessoriteknologiaa käyttäviin mittaus- ja laskentajärjestelmiin. Samalla mittalaitteiden ohjelmistokomponentin roolin kasvu on ilmeisesti tärkein kehitystrendi.
