Zinātnes un tehnoloģiju vajadzības ietver lielu skaitu mērījumu, kuru līdzekļi un metodes tiek nepārtraukti izstrādātas un pilnveidotas. Nozīmīgākā loma šajā jomā ir elektrisko lielumu mērījumiem, kurus plaši izmanto dažādās nozarēs.
Mērījumu jēdziens
Jebkura fiziska lieluma mērīšanu veic, salīdzinot to ar kādu tāda paša veida parādību lielumu, kas tiek ņemts par mērvienību. Salīdzināšanas rezultātā iegūtais rezultāts ir norādīts skaitliski atbilstošās vienībās.
Šo darbību veic ar speciālu mērinstrumentu palīdzību - tehniskajām ierīcēm, kas mijiedarbojas ar objektu, kuru noteikti parametri ir jāmēra. Šajā gadījumā tiek izmantotas noteiktas metodes - metodes, ar kurām izmērītā vērtība tiek salīdzināta ar mērvienību.
Ir vairākas zīmes, kas kalpo par pamatu elektrisko lielumu mērījumu klasifikācijai pēc veida:
- Daudzumsmērīšanas akti. Šeit būtiska ir to vienreizēja vai daudzkārtība.
- Precizitātes pakāpe. Ir tehniskie, kontroles un verifikācijas, visprecīzākie mērījumi, kā arī vienādi un nevienlīdzīgi mērījumi.
- Izmērītās vērtības izmaiņu raksturs laika gaitā. Saskaņā ar šo kritēriju mērījumi ir statiski un dinamiski. Izmantojot dinamiskos mērījumus, tiek iegūtas lielumu momentānās vērtības, kas mainās laika gaitā, un statiskie mērījumi - dažas nemainīgas vērtības.
- Rezultāta attēlojums. Elektrisko lielumu mērījumus var izteikt relatīvā vai absolūtā formā.
- Veids, kā iegūt vēlamo rezultātu. Saskaņā ar šo pazīmi mērījumus iedala tiešos (kuros rezultāts tiek iegūts tieši) un netiešajos, kuros tieši mēra lielumus, kas saistīti ar vēlamo vērtību ar kādu funkcionālu atkarību. Pēdējā gadījumā nepieciešamo fizisko daudzumu aprēķina no iegūtajiem rezultātiem. Tātad, strāvas mērīšana ar ampērmetru ir tieša mērījuma piemērs, bet jauda ir netieša.
Mērījumi
Ierīcēm, kas paredzētas mērīšanai, ir jābūt normalizētiem raksturlielumiem, kā arī jāsaglabā noteiktu laiku vai jāatveido tās vērtības vienība, kurai tās ir paredzētas.
Elektrisko lielumu mērīšanas līdzekļi atkarībā no mērķa ir sadalīti vairākās kategorijās:
- Pasākumi. Šie rīki kalpo, lai reproducētu dažu doto vērtībuizmērs - piemēram, rezistors, kas reproducē noteiktu pretestību ar zināmu kļūdu.
- Mērpārveidotāji, kas veido signālu glabāšanai, konvertēšanai, pārraidīšanai ērtā formā. Šāda veida informācija nav pieejama tiešai uztverei.
- Elektriskās mērierīces. Šie rīki ir paredzēti, lai sniegtu informāciju novērotājam pieejamā formā. Tie var būt pārnēsājami vai stacionāri, analogi vai digitāli, ierakstīti vai signalizēt.
- Elektriskās mērīšanas iekārtas ir iepriekš minēto instrumentu un papildu ierīču kompleksi, kas koncentrēti vienuviet. Mērvienības ļauj veikt sarežģītākus mērījumus (piemēram, magnētiskos raksturlielumus vai pretestību), kalpo kā verifikācijas vai atsauces ierīces.
- Elektriskās mērīšanas sistēmas ir arī dažādu līdzekļu kombinācija. Tomēr atšķirībā no instalācijām ierīces elektrisko lielumu un citu līdzekļu mērīšanai sistēmā ir izkliedētas. Ar sistēmu palīdzību var izmērīt vairākus lielumus, uzglabāt, apstrādāt un pārraidīt mērījumu informācijas signālus.
Ja nepieciešams atrisināt kādu konkrētu sarežģītu mērīšanas uzdevumu, veidojas mērīšanas un skaitļošanas kompleksi, kas apvieno vairākas ierīces un elektroniskās skaitļošanas iekārtas.
Mērinstrumentu raksturojums
Mērīšanas iekārtu ierīcēm ir noteiktas īpašības, kas ir svarīgaspildīt savas tiešās funkcijas. Tie ietver:
- Metroloģiskie raksturlielumi, piemēram, jutība un tā slieksnis, elektriskā lieluma mērījumu diapazons, instrumenta kļūda, dalījuma vērtība, ātrums utt.
- Dinamiski raksturlielumi, piemēram, amplitūda (ierīces izejas signāla amplitūdas atkarība no amplitūdas ieejā) vai fāze (fāzes nobīdes atkarība no signāla frekvences).
- Darbības raksturlielumi, kas atspoguļo pakāpi, kādā instruments atbilst darbības prasībām noteiktos apstākļos. Tie ietver tādas īpašības kā rādījumu uzticamība, uzticamība (ierīces darbība, izturība un darbība bez traucējumiem), apkope, elektriskā drošība, ekonomija.
Iekārtu raksturlielumu kopumu katram ierīces veidam nosaka attiecīgie normatīvie un tehniskie dokumenti.
Lietotās metodes
Elektrisko lielumu mērīšana tiek veikta ar dažādām metodēm, kuras var klasificēt arī pēc šādiem kritērijiem:
- Fizikālu parādību veids, uz kuru pamata tiek veikts mērījums (elektriskas vai magnētiskas parādības).
- Mērinstrumenta mijiedarbības raksturs ar objektu. Atkarībā no tā izšķir kontakta un bezkontakta metodes elektrisko lielumu mērīšanai.
- Mērīšanas režīms. Saskaņā ar to mērījumi ir dinamiski un statiski.
- Mērīšanas metode. Izstrādāts kā tiešās novērtēšanas metodes, kad tiek meklēts daudzumstieši nosaka ierīce (piemēram, ampērmetrs), un precīzākas metodes (nulle, diferenciālis, opozīcija, aizstāšana), kurās to nosaka, salīdzinot ar zināmu vērtību. Līdzstrāvas un maiņstrāvas kompensatori un elektriskie mērīšanas tilti kalpo kā salīdzināšanas ierīces.
Elektriskie mērinstrumenti: veidi un īpašības
Galveno elektrisko lielumu mērīšanai ir nepieciešami dažādi instrumenti. Atkarībā no fiziskā principa, kas ir viņu darba pamatā, tie visi ir sadalīti šādās grupās:
- Elektromehānisko ierīču konstrukcijā jābūt kustīgai daļai. Šajā lielajā mērinstrumentu grupā ietilpst elektrodinamiskās, ferodinamiskās, magnetoelektriskās, elektromagnētiskās, elektrostatiskās, indukcijas ierīces. Piemēram, ļoti plaši izmantoto magnetoelektrisko principu var izmantot par pamatu tādām ierīcēm kā voltmetri, ampērmetri, ommetri, galvanometri. Elektrības skaitītāji, frekvences mērītāji utt. ir balstīti uz indukcijas principu.
- Elektroniskās ierīces izceļas ar papildu bloku klātbūtni: fizisko lielumu pārveidotāji, pastiprinātāji, pārveidotāji utt. Parasti šāda veida ierīcēs izmērītā vērtība tiek pārveidota par spriegumu, un voltmetrs kalpo kā to strukturālo pamatu. Elektroniskie mērinstrumenti tiek izmantoti kā frekvences mērītāji, kapacitātes, pretestības, induktivitātes mērītāji, osciloskopi.
- Termoelektrisksierīces savā konstrukcijā apvieno magnetoelektriska tipa mērierīci un termisko pārveidotāju, ko veido termopāris un sildītājs, caur kuru plūst izmērītā strāva. Šāda veida instrumentus galvenokārt izmanto augstfrekvences strāvu mērīšanai.
- Elektroķīmiskā. To darbības princips ir balstīts uz procesiem, kas notiek uz elektrodiem vai pētāmajā vidē starpelektrodu telpā. Šāda veida instrumentus izmanto, lai mērītu elektrovadītspēju, elektroenerģijas daudzumu un dažus neelektriskus lielumus.
Pēc funkcionālajām iezīmēm izšķir šādus elektrisko lielumu mērīšanas instrumentu veidus:
- Indikācija (signalizācija) - tās ir ierīces, kas ļauj tikai tieši nolasīt mērījumu informāciju, piemēram, vatmetrus vai ampērmetrus.
- Ierakstīšana - ierīces, kas ļauj ierakstīt rādījumus, piemēram, elektroniskie osciloskopi.
Atkarībā no signāla veida ierīces tiek iedalītas analogajās un digitālajās. Ja ierīce ģenerē signālu, kas ir izmērītās vērtības nepārtraukta funkcija, tas ir analogs, piemēram, voltmetrs, kura rādījumus uzrāda, izmantojot skalu ar bultiņu. Gadījumā, ja ierīcē tiek automātiski ģenerēts signāls diskrētu vērtību plūsmas veidā, kas displejā nonāk skaitliskā formā, runā par digitālo mērinstrumentu.
Digitālajiem instrumentiem ir daži trūkumi salīdzinājumā ar analogajiem instrumentiem: mazāka uzticamība,nepieciešamība pēc barošanas, augstākas izmaksas. Tomēr tās izceļas arī ar būtiskām priekšrocībām, kas parasti padara digitālo ierīču lietošanu vēlamāku: lietošanas vienkāršība, augsta precizitāte un trokšņu noturība, universālizācijas iespēja, kombinācija ar datoru un attālināta signāla pārraide, nezaudējot precizitāti.
Neprecizitātes un instrumentu precizitāte
Svarīgākā elektriskā mērinstrumenta īpašība ir precizitātes klase. Elektrisko lielumu mērīšanu, tāpat kā jebkuru citu, nevar veikt, neņemot vērā tehniskās ierīces kļūdas, kā arī papildu faktorus (koeficientus), kas ietekmē mērījumu precizitāti. Šāda veida ierīcēm atļauto kļūdu robežvērtības sauc par normalizētām un izsaka procentos. Tie nosaka konkrētas ierīces precizitātes klasi.
Standarta klases, ko izmanto, lai atzīmētu mērierīču skalas, ir šādas: 4, 0; 2, 5; piecpadsmit; desmit; 0,5; 0,2; 0,1; 0.05. Saskaņā ar tiem tiek izveidots iedalījums pēc mērķa: priekšzīmīgi ir ierīces, kas pieder klasei no 0.05 līdz 0.2, klasēm 0.5 un 1.0 ir laboratorijas ierīces un visbeidzot 1., 5.-4., 0. klases ierīces ir tehniskās..
Izvēloties mērierīci, ir nepieciešams, lai tā atbilstu risināmās problēmas klasei, savukārt augšējai mērījumu robežai jābūt pēc iespējas tuvākai vēlamās vērtības skaitliskajai vērtībai. Tas ir, jo lielāku instrumenta rādītāja novirzi var sasniegt, jo mazāka būs mērījuma relatīvā kļūda. Ja ir pieejami tikai zemas klases instrumenti, jāizvēlas tas, kuram ir mazākais darbības diapazons. Izmantojot šīs metodes, elektrisko lielumu mērījumus var veikt diezgan precīzi. Šajā gadījumā jāņem vērā arī ierīces skalas veids (vienmērīga vai nevienmērīga, piemēram, ommetru skalas).
Elektriskie pamatlielumi un to mērvienības
Visbiežāk elektriskie mērījumi ir saistīti ar šādu lielumu kopu:
- Strāvas stiprums (vai vienkārši strāva) I. Šī vērtība norāda elektriskā lādiņa daudzumu, kas 1 sekundē iziet cauri vadītāja sekcijai. Elektriskās strāvas stipruma mērīšana tiek veikta ampēros (A), izmantojot ampērmetrus, avometrus (testētājus, tā sauktos "tseshek"), digitālos multimetrus, instrumentu transformatorus.
- Elektrības daudzums (maksa) q. Šī vērtība nosaka, cik lielā mērā konkrēts fiziskais ķermenis var būt elektromagnētiskā lauka avots. Elektrisko lādiņu mēra kulonos (C). 1 C (ampērsekunde)=1 A ∙ 1 s. Mērīšanas instrumenti ir elektrometri vai elektroniskie uzlādes mērītāji (kulonmetri).
- Spriegums U. Izsaka potenciālo starpību (lādiņa enerģiju), kas pastāv starp diviem dažādiem elektriskā lauka punktiem. Noteiktam elektriskā daudzuma mērvienība ir volts (V). Ja, lai pārvietotu 1 kulona lādiņu no viena punkta uz otru, lauks veic 1 džoula darbu (tas ir, tiek iztērēta atbilstošā enerģija), tadpotenciālā starpība - spriegums - starp šiem punktiem ir 1 volts: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Elektriskā sprieguma mērīšanu veic, izmantojot voltmetrus, digitālos vai analogos (testētāju) multimetrus.
- Pretestība R. Raksturo vadītāja spēju novērst elektriskās strāvas pāreju caur to. Pretestības mērvienība ir omi. 1 oms ir vadītāja ar 1 voltu spriegumu galos pretestība 1 ampēra strāvai: 1 oms=1 V / 1 A. Pretestība ir tieši proporcionāla vadītāja šķērsgriezumam un garumam. Lai to izmērītu, tiek izmantoti ommetri, avometri, multimetri.
- Elektrovadītspēja (vadītspēja) G ir pretestības apgrieztā vērtība. Mērīts siemensos (cm): 1 cm=1 oms-1.
- Kapacitāte C ir vadītāja spējas uzglabāt lādiņu mērs, kas ir arī viens no galvenajiem elektriskajiem lielumiem. Tā mērvienība ir farads (F). Kondensatoram šī vērtība ir definēta kā plākšņu savstarpējā kapacitāte un ir vienāda ar uzkrātā lādiņa attiecību pret plākšņu potenciālu starpību. Plakanā kondensatora kapacitāte palielinās, palielinoties plākšņu laukumam un samazinoties attālumam starp tām. Ja ar 1 piekariņa lādiņu uz plāksnēm tiek izveidots 1 volta spriegums, tad šāda kondensatora kapacitāte būs vienāda ar 1 faradu: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Mērījumu veic, izmantojot īpaši instrumenti - kapacitātes mērītāji vai digitālie multimetri.
- Jauda P ir vērtība, kas atspoguļo ātrumu, ar kādu tiek veikta elektroenerģijas pārnešana (pārveidošana). Kā sistēmas jaudas vienība pieņemtavats (W; 1 W=1 J/s). Šo vērtību var izteikt arī kā sprieguma un strāvas stipruma reizinājumu: 1 W=1 V ∙ 1 A. Maiņstrāvas ķēdēm aktīvā (patērētā) jauda Pa, reaktīvā P ra (nepiedalās strāvas darbībā) un pilna jauda P. Mērot tiem izmanto šādas mērvienības: vats, var (apzīmē “volt-ampere reactive”) un attiecīgi volt-ampērs V ∙ BET. To izmēri ir vienādi, un tie kalpo, lai atšķirtu norādītos daudzumus. Instrumenti jaudas mērīšanai - analogie vai digitālie vatmetri. Netiešie mērījumi (piemēram, izmantojot ampērmetru) ne vienmēr ir piemērojami. Lai noteiktu tik svarīgu lielumu kā jaudas koeficients (izteikts fāzes nobīdes leņķī), tiek izmantotas ierīces, ko sauc par fāzes mērītājiem.
- Frekvence f. Tas ir maiņstrāvas raksturlielums, kas parāda tās lieluma un virziena izmaiņu ciklu skaitu (vispārējā gadījumā) 1 sekundes laikā. Frekvences mērvienība ir apgrieztā sekunde jeb herci (Hz): 1 Hz=1 s-1. Šo vērtību mēra, izmantojot plašu instrumentu klasi, ko sauc par frekvences mērītājiem.
Magnētiskie daudzumi
Magnētisms ir cieši saistīts ar elektrību, jo abi ir viena fundamentāla fiziska procesa - elektromagnētisma - izpausmes. Tāpēc vienlīdz ciešs savienojums ir raksturīgs elektrisko un magnētisko lielumu mērīšanas metodēm un līdzekļiem. Bet ir arī nianses. Parasti, nosakot pēdējo, praktiskitiek veikts elektriskais mērījums. Magnētiskā vērtība tiek iegūta netieši no funkcionālās attiecības, kas to savieno ar elektrisko.
Atsauces vērtības šajā mērījumu apgabalā ir magnētiskā indukcija, lauka stiprums un magnētiskā plūsma. Tos, izmantojot ierīces mērspoli, var pārveidot par EMF, kas tiek izmērīts, pēc kura tiek aprēķinātas nepieciešamās vērtības.
- Magnētiskā plūsma tiek mērīta, izmantojot tādus instrumentus kā webermetri (fotoelektriskie, magnetoelektriskie, analogie elektroniskie un digitālie) un ļoti jutīgos ballistiskos galvanometrus.
- Indukcijas un magnētiskā lauka stiprumu mēra, izmantojot teslametrus, kas aprīkoti ar dažāda veida devējiem.
Tieši saistīto elektrisko un magnētisko lielumu mērīšana ļauj atrisināt daudzas zinātniski tehniskas problēmas, piemēram, Saules, Zemes un planētu atoma kodola un magnētiskā lauka izpēti, dažādu materiālu magnētiskās īpašības, kvalitātes kontrole un citas.
Neelektriski daudzumi
. izpētīt ķīmiskos procesus un vielu sastāvu.
Neelektrisku lielumu elektriskās mērīšanas instrumenti parasti ir sensoru komplekss - pārveidotājs par jebkuru ķēdes parametru (spriegums,pretestība) un elektriskā mērierīce. Ir daudz veidu devēju, pateicoties kuriem jūs varat izmērīt dažādus daudzumus. Šeit ir tikai daži piemēri:
- Reostatiskie sensori. Šādos devējos, kad izmērītā vērtība ir pakļauta (piemēram, mainoties šķidruma līmenim vai tā tilpumam), reostata slīdnis kustas, tādējādi mainot pretestību.
- Termistori. Sensora pretestība šāda veida ierīcēs mainās temperatūras ietekmē. Izmanto gāzes plūsmas ātruma, temperatūras mērīšanai, gāzu maisījumu sastāva noteikšanai.
- Spriedzes pretestība ļauj veikt stieples deformācijas mērījumus.
- Fotosensori, kas apgaismojuma, temperatūras vai kustības izmaiņas pārvērš fotostrāvā un pēc tam mēra.
- Kapacitatīvie devēji, ko izmanto kā gaisa ķīmijas, pārvietošanās, mitruma, spiediena sensorus.
- Pjezoelektriskie devēji darbojas pēc EML rašanās principa dažos kristāliskajos materiālos, ja tos mehāniski pieliek.
- Induktīvie sensori ir balstīti uz lielumu, piemēram, ātruma vai paātrinājuma, pārvēršanu inducētā emf.
Elektrisko mērinstrumentu un metožu izstrāde
Plašs elektrisko lielumu mērīšanas līdzekļu klāsts ir saistīts ar daudzām dažādām parādībām, kurās šiem parametriem ir nozīmīga loma. Elektriskajiem procesiem un parādībām ir ārkārtīgi plašs lietojumu klāstsvisas nozares - nav iespējams norādīt tādu cilvēka darbības jomu, kurā viņi nevarētu atrast pielietojumu. Tas nosaka arvien pieaugošo fizisko lielumu elektrisko mērījumu problēmu loku. Šo problēmu risināšanas līdzekļu un metožu daudzveidība un pilnveidošana nepārtraukti pieaug. Īpaši strauji un veiksmīgi attīstās tāds mērīšanas tehnikas virziens kā neelektrisko lielumu mērīšana ar elektriskām metodēm.
Mūsdienu elektromērīšanas tehnoloģija attīstās precizitātes, trokšņu noturības un ātruma palielināšanas virzienā, kā arī mērīšanas procesa un tā rezultātu apstrādes automatizācijas palielināšanas virzienā. Mērinstrumenti no vienkāršākajām elektromehāniskajām ierīcēm ir kļuvuši par elektroniskām un digitālām ierīcēm un tālāk līdz jaunākajām mērīšanas un skaitļošanas sistēmām, kurās izmanto mikroprocesoru tehnoloģiju. Tajā pašā laikā, protams, galvenā attīstības tendence ir mērīšanas ierīču programmatūras komponentes lomas palielināšanās.
