Teaduse ja tehnoloogia vajadused hõlmavad paljusid mõõtmisi, mille vahendeid ja meetodeid pidev alt arendatakse ja täiustatakse. Kõige olulisem roll selles valdkonnas on elektriliste suuruste mõõtmisel, mida kasutatakse laialdaselt erinevates tööstusharudes.
Mõõtmiste mõiste
Iga füüsikalise suuruse mõõtmiseks võrreldakse seda sama tüüpi nähtuste kogusega, mida võetakse mõõtühikuna. Võrdlusel saadud tulemus esitatakse numbriliselt vastavates ühikutes.
See toiming viiakse läbi spetsiaalsete mõõteriistade abil – objektiga interakteeruvate tehniliste seadmete abil, mille teatud parameetreid tuleb mõõta. Sel juhul kasutatakse teatud meetodeid – tehnikaid, mille abil võrreldakse mõõdetud väärtust mõõtühikuga.
Elektriliste suuruste mõõtmiste liigitamisel tüübi järgi on mitmeid märke:
- Kogusmõõtmisaktid. Siin on nende ühekordne või paljusus oluline.
- Täpsusaste. Seal on tehnilised, kontroll- ja taatlused, kõige täpsemad mõõtmised, samuti võrdsed ja ebavõrdsed mõõtmised.
- Mõõdetud väärtuse muutuse olemus ajas. Selle kriteeriumi kohaselt on mõõtmised staatilised ja dünaamilised. Dünaamiliste mõõtmiste abil saadakse ajas muutuvate suuruste hetkeväärtused ja staatilised mõõtmised – mõned konstantsed väärtused.
- Tulemuse esitus. Elektriliste suuruste mõõtmisi saab väljendada suhtelisel või absoluutsel kujul.
- Viis soovitud tulemuse saavutamiseks. Selle tunnuse järgi jagunevad mõõtmised otsesteks (mille puhul saadakse tulemus otse) ja kaudseteks, mille puhul mõõdetakse otseselt soovitud väärtusega seotud suurusi mingi funktsionaalse sõltuvusega. Viimasel juhul arvutatakse saadud tulemuste põhjal vajalik füüsikaline kogus. Seega on voolu mõõtmine ampermeetriga otsese mõõtmise näide ja võimsuse mõõtmine kaudne.
Mõõdud
Mõõtmiseks mõeldud seadmetel peavad olema normaliseeritud omadused ning need peavad säilitama teatud aja või taasesitama selle väärtuse ühiku, mille jaoks need on ette nähtud.
Elektriliste suuruste mõõtmise vahendid jagunevad olenev alt eesmärgist mitmesse kategooriasse:
- Meetmed. Need tööriistad aitavad taasesitada mõne antud väärtustsuurus – nagu näiteks takisti, mis taasesitab teatud takistuse teadaoleva veaga.
- Mõõtemuundurid, mis moodustavad signaali salvestamiseks, teisendamiseks ja edastamiseks mugavas vormis. Seda tüüpi teave pole otseseks tajumiseks saadaval.
- Elektrilised mõõteseadmed. Need tööriistad on loodud teabe esitamiseks vaatlejale kättesaadaval kujul. Need võivad olla kaasaskantavad või statsionaarsed, analoog- või digitaalsed, salvestavad või signaalivad.
- Elektrimõõtepaigaldised on ül altoodud tööriistade ja lisaseadmete kompleksid, mis on koondatud ühte kohta. Mõõtühikud võimaldavad teha keerukamaid mõõtmisi (nt magnetomadused või eritakistus), toimivad kontroll- või võrdlusseadmetena.
- Elektrilised mõõtesüsteemid on samuti erinevate vahendite kombinatsioon. Erinev alt paigaldistest on aga elektriliste suuruste ja muude vahendite mõõtmise seadmed süsteemis hajutatud. Süsteemide abil saate mõõta mitmeid suurusi, salvestada, töödelda ja edastada mõõtmisteabe signaale.
Kui on vaja lahendada konkreetne kompleksne mõõtmisülesanne, moodustuvad mõõtmis- ja arvutuskompleksid, mis ühendavad endas hulga seadmeid ja elektroonilisi arvutusseadmeid.
Mõõtevahendite omadused
Mõõteseadmete seadmetel on teatud omadused, mis on olulisedoma otseseid ülesandeid täita. Nende hulka kuuluvad:
- Metroloogilised omadused, nagu tundlikkus ja selle lävi, elektrilise suuruse mõõtmisvahemik, instrumendi viga, jagamise väärtus, kiirus jne.
- Dünaamilised omadused, nagu amplituud (seadme väljundsignaali amplituudi sõltuvus amplituudist sisendis) või faas (faasinihke sõltuvus signaali sagedusest).
- Toimivuskarakteristikud, mis peegeldavad seda, mil määral seade vastab teatud tingimustel töötamise nõuetele. Nende hulka kuuluvad sellised omadused nagu näidikute usaldusväärsus, töökindlus (seadme töövõime, vastupidavus ja tõrgeteta töö), hooldatavus, elektriohutus, ökonoomsus.
Seadmete karakteristikute komplekt on kehtestatud iga seadmetüübi asjakohaste regulatiivsete ja tehniliste dokumentidega.
Rakendatavad meetodid
Elektriliste suuruste mõõtmine toimub erinevate meetoditega, mida saab klassifitseerida ka järgmiste kriteeriumide järgi:
- Mõõtmise aluseks olevad füüsikalised nähtused (elektrilised või magnetilised nähtused).
- Mõõtevahendi ja objekti vastasmõju olemus. Olenev alt sellest eristatakse elektriliste suuruste mõõtmiseks kontakt- ja mittekontaktseid meetodeid.
- Mõõtmisrežiim. Selle järgi on mõõtmised dünaamilised ja staatilised.
- Mõõtmismeetod. Töötatud välja otsitava koguse otsese hindamise meetoditenaseadme poolt otseselt määratud (näiteks ampermeeter) ja täpsemad meetodid (null, diferentsiaal, opositsioon, asendus), mille puhul see tuvastatakse võrreldes teadaoleva väärtusega. Alalis- ja vahelduvvoolu kompensaatorid ja elektrilised mõõtesillad on võrdlusseadmeteks.
Elektrilised mõõteriistad: tüübid ja omadused
Põhiliste elektriliste suuruste mõõtmiseks on vaja mitmesuguseid instrumente. Sõltuv alt nende töö aluseks olevast füüsilisest põhimõttest jagatakse nad kõik järgmistesse rühmadesse:
- Elektromehaaniliste seadmete konstruktsioonis peab olema liikuv osa. See suur mõõteriistade rühm hõlmab elektrodünaamilisi, ferrodünaamilisi, magnetoelektrilisi, elektromagnetilisi, elektrostaatilisi, induktsioonseadmeid. Näiteks magnetoelektrilist põhimõtet, mida kasutatakse väga laialdaselt, saab kasutada selliste seadmete jaoks nagu voltmeetrid, ampermeetrid, oommeetrid, galvanomeetrid. Elektriarvestid, sagedusmõõturid jne põhinevad induktsioonpõhimõttel.
- Elektroonikaseadmeid eristavad lisaplokkide olemasolu: füüsikaliste suuruste muundurid, võimendid, muundurid jne. Reeglina teisendatakse seda tüüpi seadmetes mõõdetud väärtus pingeks ja voltmeeter toimib nende struktuurne alus. Elektroonilisi mõõteriistu kasutatakse sagedusmõõturite, mahtuvuse, takistuse, induktiivsuse ja ostsilloskoopidena.
- Termoelektrilineseadmed ühendavad oma konstruktsioonis magnetoelektrilist tüüpi mõõteseadme ja termopaarist moodustatud termomuunduri ning küttekeha, mille kaudu voolab mõõdetud vool. Seda tüüpi instrumente kasutatakse peamiselt kõrgsagedusvoolude mõõtmiseks.
- Elektrokeemia. Nende tööpõhimõte põhineb protsessidel, mis toimuvad elektroodidel või uuritavas keskkonnas elektroodidevahelises ruumis. Seda tüüpi instrumente kasutatakse elektrijuhtivuse, elektrihulga ja mõningate mitteelektriliste suuruste mõõtmiseks.
Funktsionaalsete omaduste järgi eristatakse järgmisi elektriliste suuruste mõõtmise instrumente:
- Märgustamine (signaliseerimine) – need on seadmed, mis võimaldavad ainult mõõtmisteabe otselugemist, näiteks vattmeetrid või ampermeetrid.
- Salvestamine – seadmed, mis võimaldavad näitude salvestamist, näiteks elektroonilised ostsilloskoobid.
Signaali tüübi järgi jagunevad seadmed analoog- ja digitaalseks. Kui seade genereerib signaali, mis on mõõdetud väärtuse pidev funktsioon, on see analoog, näiteks voltmeeter, mille näidud antakse noolega skaala abil. Juhul, kui seadmes genereeritakse automaatselt signaal diskreetsete väärtuste voona, mis kuvatakse numbrilisel kujul, räägitakse digitaalsest mõõtevahendist.
Digitaalsetel instrumentidel on analooginstrumentidega võrreldes mõned puudused: väiksem töökindlus,vajadus toiteallika järele, kõrgem hind. Kuid neid eristavad ka olulised eelised, mis üldiselt muudavad digiseadmete kasutamise eelistatavamaks: kasutusmugavus, suur täpsus ja mürakindlus, universaalsuse võimalus, kombineerimine arvutiga ja signaali kaugedastus ilma täpsust kaotamata.
Mõõteriistade ebatäpsused ja täpsus
Elektrilise mõõtevahendi kõige olulisem omadus on täpsusklass. Elektriliste suuruste mõõtmist, nagu ka kõiki teisi, ei saa läbi viia, võtmata arvesse tehnilise seadme vigu, samuti täiendavaid tegureid (koefitsiente), mis mõjutavad mõõtmise täpsust. Seda tüüpi seadmetele lubatud antud vigade piirväärtusi nimetatakse normaliseeritud ja väljendatakse protsentides. Need määravad kindlaks konkreetse seadme täpsusklassi.
Mõõteseadmete skaalade tähistamiseks kasutatavad standardklassid on järgmised: 4, 0; 2, 5; viisteist; kümme; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05 Nende kohaselt kehtestatakse otstarbekohane jaotus: klassidesse 0,05 kuni 0,2 kuuluvad seadmed on eeskujulikud, klassides 0,5 ja 1,0 on laboriseadmed ning lõpuks klasside 1, 5-4, 0 seadmed on tehnilised..
Mõõteseadme valikul on vajalik, et see vastaks lahendatava ülesande klassile, kusjuures ülemine mõõtepiir peaks olema võimalikult lähedane soovitud väärtuse arvväärtusele. See tähendab, et mida suurem on mõõteriista osuti hälve, seda väiksem on mõõtmise suhteline viga. Kui saadaval on ainult madala klassi instrumendid, tuleks valida väikseima tööpiirkonnaga seade. Neid meetodeid kasutades saab elektrilisi suurusi mõõta üsna täpselt. Sel juhul peate arvestama ka seadme skaala tüübiga (ühtlane või ebaühtlane, näiteks oommeetri skaala).
Põhilised elektrisuurused ja nende ühikud
Enamasti on elektrilised mõõtmised seotud järgmiste suuruste komplektiga:
- Voolutugevus (või lihts alt vool) I. See väärtus näitab elektrilaengu, mis läbib juhi sektsiooni 1 sekundi jooksul. Elektrivoolu tugevust mõõdetakse amprites (A), kasutades ampermeetreid, avomeetreid (testrid, niinimetatud "tseshek"), digitaalseid multimeetreid, instrumenta altrafosid.
- Elektri kogus (tasu) q. See väärtus määrab, mil määral võib konkreetne füüsiline keha olla elektromagnetvälja allikas. Elektrilaengut mõõdetakse kulonides (C). 1 C (ampersekund)=1 A ∙ 1 s. Mõõtmisvahenditeks on elektromeetrid või elektroonilised laengumõõturid (kulonmeetrid).
- Pinge U. Väljendab potentsiaalset erinevust (laenguenergiat), mis eksisteerib elektrivälja kahe erineva punkti vahel. Antud elektrilise suuruse korral on mõõtühikuks volt (V). Kui 1 kuloni suuruse laengu liigutamiseks ühest punktist teise teeb väli 1 džauli suurust tööd (st kulutatakse vastav energia), siispotentsiaalide erinevus - pinge - nende punktide vahel on 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Elektripinget mõõdetakse voltmeetrite, digitaalsete või analoogsete (testrite) multimeetrite abil.
- Takistus R. Iseloomustab juhi võimet takistada elektrivoolu läbimist. Takistuse ühik on oomi. 1 oom on 1-voldise otstes pingega juhi takistus 1-amprisele voolule: 1 oom=1 V / 1 A. Takistus on otseselt võrdeline juhi ristlõike ja pikkusega. Mõõtmiseks kasutatakse oomimeetreid, avomeetreid, multimeetreid.
- Elektrijuhtivus (juhtivus) G on takistuse pöördväärtus. Mõõdetud siemensides (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Mahtuvus C on juhi laengu salvestamise võime mõõt, mis on ka üks põhilisi elektrilisi suurusi. Selle mõõtühik on farad (F). Kondensaatori puhul on see väärtus defineeritud kui plaatide vastastikune mahtuvus ja see on võrdne akumuleeritud laengu ja plaatide potentsiaalide erinevuse suhtega. Lamekondensaatori mahtuvus suureneb plaatide pindala suurenemisega ja nendevahelise kauguse vähenemisega. Kui 1 ripatsi laenguga luuakse plaatidele pinge 1 volti, siis on sellise kondensaatori mahtuvus võrdne 1 faradiga: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Mõõtmine toimub kasutades spetsiaalsed instrumendid – mahtuvusmõõturid või digitaalsed multimeetrid.
- Power P on väärtus, mis peegeldab elektrienergia ülekande (muundamise) kiirust. Süsteemi jõuühikuna vastu võetudvatt (W; 1 W=1 J/s). Seda väärtust saab väljendada ka pinge ja voolutugevuse korrutisega: 1 W=1 V ∙ 1 A. Vahelduvvooluahelate puhul on aktiivvõimsus (tarbitud) Pa, reaktiivne P ra (ei osale voolu töös) ja täisvõimsusel P. Mõõtmisel kasutatakse nende jaoks järgmisi ühikuid: vatt, var (tähendab "volt-amper reactive") ja vastav alt volt-amper V ∙ AGA. Nende mõõtmed on samad ja neid kasutatakse näidatud koguste eristamiseks. Instrumendid võimsuse mõõtmiseks - analoog- või digitaalsed vattmeetrid. Kaudsed mõõtmised (näiteks ampermeetri kasutamine) ei ole alati rakendatavad. Sellise olulise suuruse nagu võimsusteguri (väljendatud faasinihke nurgana) määramiseks kasutatakse seadmeid, mida nimetatakse faasimõõturiteks.
- Sagedus f. See on vahelduvvoolu omadus, mis näitab selle suuruse ja suuna muutumise tsüklite arvu (üldjuhul) 1 sekundi jooksul. Sageduse ühik on pöördsekund ehk herts (Hz): 1 Hz=1 s-1. Seda väärtust mõõdetakse ulatusliku instrumentide klassi, mida nimetatakse sagedusmõõturiteks, abil.
Magnetilised kogused
Magnetism on tihed alt seotud elektriga, kuna mõlemad on ühe põhilise füüsikalise protsessi – elektromagnetismi – ilmingud. Seetõttu on elektriliste ja magnetiliste suuruste mõõtmise meetoditele ja vahenditele iseloomulik sama tihe seos. Kuid on ka nüansse. Viimase määramisel reeglina praktiliselttehakse elektrimõõtmine. Magnetväärtus saadakse kaudselt funktsionaalsest seosest, mis ühendab seda elektrilisega.
Selle mõõtmispiirkonna võrdlusväärtused on magnetinduktsioon, väljatugevus ja magnetvoog. Neid saab seadme mõõtemähise abil teisendada EMF-iks, mis mõõdetakse, misjärel arvutatakse välja vajalikud väärtused.
- Magnetvoogu mõõdetakse selliste vahenditega nagu webermeetrid (fotogalvaanilised, magnetoelektrilised, analoogelektroonilised ja digitaalsed) ja ülitundlikud ballistilised galvanomeetrid.
- Induktsiooni ja magnetvälja tugevust mõõdetakse erinevat tüüpi anduritega varustatud teslametrite abil.
Otseselt seotud elektriliste ja magnetiliste suuruste mõõtmine võimaldab lahendada paljusid teaduslikke ja tehnilisi probleeme, näiteks uurida aatomituuma ja Päikese, Maa ja planeetide magnetvälja, uurida erinevate materjalide magnetilised omadused, kvaliteedikontroll ja muud.
Mitteelektrilised kogused
Elektriliste meetodite mugavus võimaldab neid eduk alt laiendada mitmesuguste mitteelektriliste füüsikaliste suuruste mõõtmisele, nagu temperatuur, mõõtmed (lineaarne ja nurk), deformatsioon ja paljud teised, samuti keemiliste protsesside ja ainete koostise uurimiseks.
Mitteelektriliste suuruste elektrilise mõõtmise instrumendid on tavaliselt anduri kompleks – muundur mis tahes vooluahela parameetriks (pinge,takistus) ja elektriline mõõteseade. Andureid on mitut tüüpi, tänu millele saate mõõta mitmesuguseid koguseid. Siin on vaid mõned näited:
- Reostaatilised andurid. Sellistes andurites mõõdetud väärtuse eksponeerimisel (näiteks vedeliku taseme või selle mahu muutumisel) liigub reostaadi liugur, muutes seeläbi takistust.
- Termistorid. Anduri takistus seda tüüpi seadmetes muutub temperatuuri mõjul. Kasutatakse gaasi voolukiiruse, temperatuuri mõõtmiseks, gaasisegude koostise määramiseks.
- Tõvetakistus võimaldab traadi deformatsiooni mõõtmist.
- Fotosensorid, mis muudavad valgustuse, temperatuuri või liikumise muutuse fotovooluks, seejärel mõõdetakse.
- Mahtuvusmuundurid, mida kasutatakse õhukeemia, nihke, niiskuse ja rõhu anduritena.
- Piesoelektrilised muundurid töötavad elektromagnetväljade esinemise põhimõttel teatud kristalsetes materjalides, kui neid mehaaniliselt rakendada.
- Induktiivsed andurid põhinevad selliste suuruste, nagu kiirus või kiirendus, teisendamisel indutseeritud emf-iks.
Elektriliste mõõtevahendite ja meetodite arendamine
Elektriliste suuruste mõõtmise lai valik vahendeid on tingitud paljudest erinevatest nähtustest, milles need parameetrid mängivad olulist rolli. Elektrilistel protsessidel ja nähtustel on äärmiselt lai kasutusalakõik tööstusharud - on võimatu näidata sellist inimtegevuse valdkonda, kus nad ei leiaks rakendust. See määrab pidev alt laieneva füüsikaliste suuruste elektriliste mõõtmiste probleemide ulatuse. Nende probleemide lahendamise vahendite ja meetodite mitmekesisus ja täiustamine kasvab pidev alt. Eriti kiiresti ja eduk alt arendab sellist mõõtetehnoloogia suunda nagu mitteelektriliste suuruste mõõtmine elektriliste meetoditega.
Kaasaegne elektrimõõtetehnoloogia areneb täpsuse, mürakindluse ja kiiruse suurendamise ning mõõtmisprotsessi automatiseerimise ja selle tulemuste töötlemise suurendamise suunas. Mõõteriistad on jõudnud kõige lihtsamatest elektromehaanilistest seadmetest elektroonika- ja digitaalseadmeteni ning se alt edasi uusimate mikroprotsessortehnoloogiat kasutavate mõõte- ja arvutussüsteemideni. Samal ajal on ilmselgelt peamine arengutrend mõõteseadmete tarkvarakomponendi rolli suurenemine.
