Keperluan sains dan teknologi merangkumi pelbagai ukuran, kaedah dan kaedah yang sentiasa dibangunkan dan ditambah baik. Peranan paling penting dalam bidang ini adalah dalam pengukuran kuantiti elektrik, yang digunakan secara meluas dalam pelbagai industri.
Konsep ukuran
Pengukuran sebarang kuantiti fizik dibuat dengan membandingkannya dengan beberapa kuantiti jenis fenomena yang sama, diambil sebagai unit ukuran. Hasil yang diperoleh melalui perbandingan dibentangkan secara berangka dalam unit yang sesuai.
Operasi ini dijalankan dengan bantuan alat pengukur khas - peranti teknikal yang berinteraksi dengan objek, parameter tertentu yang akan diukur. Dalam kes ini, kaedah tertentu digunakan - teknik yang digunakan untuk membandingkan nilai yang diukur dengan unit ukuran.
Terdapat beberapa tanda yang menjadi asas untuk mengklasifikasikan ukuran kuantiti elektrik mengikut jenis:
- Kuantititindakan pengukuran. Di sini satu kali atau berbilang adalah penting.
- Tahap ketepatan. Terdapat teknikal, kawalan dan pengesahan, ukuran yang paling tepat, serta ukuran yang sama dan tidak sama.
- Sifat perubahan dalam nilai yang diukur dari semasa ke semasa. Mengikut kriteria ini, pengukuran adalah statik dan dinamik. Melalui pengukuran dinamik, nilai serta-merta bagi kuantiti yang berubah dari semasa ke semasa diperolehi dan ukuran statik - beberapa nilai tetap.
- Perwakilan hasil. Pengukuran kuantiti elektrik boleh dinyatakan dalam bentuk relatif atau mutlak.
- Cara untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Mengikut ciri ini, pengukuran dibahagikan kepada langsung (di mana hasilnya diperoleh secara langsung) dan tidak langsung, di mana kuantiti yang dikaitkan dengan nilai yang dikehendaki oleh beberapa pergantungan fungsi diukur secara langsung. Dalam kes kedua, kuantiti fizik yang diperlukan dikira daripada keputusan yang diperolehi. Jadi, mengukur arus dengan ammeter ialah contoh pengukuran langsung dan kuasa adalah tidak langsung.
Ukuran
Peranti yang dimaksudkan untuk pengukuran mesti mempunyai ciri yang dinormalkan, dan juga mengekalkan untuk masa tertentu atau menghasilkan semula unit nilai yang dimaksudkan untuknya.
Cara untuk mengukur kuantiti elektrik terbahagi kepada beberapa kategori bergantung kepada tujuan:
- Langkah. Alat ini berfungsi untuk menghasilkan semula nilai beberapa yang diberikansaiz - seperti, sebagai contoh, perintang yang menghasilkan semula rintangan tertentu dengan ralat yang diketahui.
- Mengukur transduser yang membentuk isyarat dalam bentuk yang mudah untuk penyimpanan, penukaran, penghantaran. Maklumat seperti ini tidak tersedia untuk persepsi langsung.
- Peranti pengukur elektrik. Alat ini direka bentuk untuk menyampaikan maklumat dalam bentuk yang boleh diakses oleh pemerhati. Ia boleh menjadi mudah alih atau pegun, analog atau digital, rakaman atau isyarat.
- Pemasangan pengukur elektrik ialah kompleks alat di atas dan peranti tambahan, tertumpu di satu tempat. Unit ini membenarkan pengukuran yang lebih kompleks (contohnya, ciri magnet atau kerintangan), berfungsi sebagai peranti pengesahan atau rujukan.
- Sistem pengukur elektrik juga merupakan gabungan pelbagai cara. Walau bagaimanapun, tidak seperti pemasangan, peranti untuk mengukur kuantiti elektrik dan cara lain dalam sistem tersebar. Dengan bantuan sistem, anda boleh mengukur beberapa kuantiti, menyimpan, memproses dan menghantar isyarat maklumat ukuran.
Jika perlu untuk menyelesaikan masalah pengukuran kompleks tertentu, kompleks pengukuran dan pengkomputeran dibentuk yang menggabungkan beberapa peranti dan peralatan pengkomputeran elektronik.
Ciri-ciri alat pengukur
Peranti peralatan pengukur mempunyai sifat tertentu yang pentinguntuk melaksanakan fungsi langsung mereka. Ini termasuk:
- Ciri-ciri metrologi, seperti kepekaan dan ambangnya, julat pengukuran kuantiti elektrik, ralat instrumen, nilai pembahagian, kelajuan, dsb.
- Ciri dinamik, seperti amplitud (pergantungan amplitud isyarat keluaran peranti pada amplitud pada input) atau fasa (pergantungan anjakan fasa pada frekuensi isyarat).
- Ciri prestasi yang mencerminkan sejauh mana instrumen memenuhi keperluan operasi dalam keadaan tertentu. Ini termasuk sifat seperti kebolehpercayaan petunjuk, kebolehpercayaan (kebolehkendalian, ketahanan dan pengendalian peranti yang tidak gagal), kebolehselenggaraan, keselamatan elektrik, ekonomi.
Set ciri peralatan ditetapkan oleh dokumen kawal selia dan teknikal yang berkaitan untuk setiap jenis peranti.
Kaedah yang digunakan
Pengukuran kuantiti elektrik dijalankan dengan pelbagai kaedah, yang juga boleh dikelaskan mengikut kriteria berikut:
- Jenis fenomena fizikal berdasarkan pengukuran dibuat (fenomena elektrik atau magnet).
- Sifat interaksi alat pengukur dengan objek. Bergantung padanya, kaedah sentuhan dan bukan sentuhan untuk mengukur kuantiti elektrik dibezakan.
- Mod ukuran. Menurutnya, ukuran adalah dinamik dan statik.
- Kaedah ukuran. Dibangunkan sebagai kaedah anggaran langsung apabila kuantiti dicariditentukan secara langsung oleh peranti (contohnya, ammeter), dan kaedah yang lebih tepat (sifar, pembezaan, pembangkang, penggantian), di mana ia dikesan melalui perbandingan dengan nilai yang diketahui. Kompensator dan jambatan pengukur elektrik arus terus dan ulang alik berfungsi sebagai peranti perbandingan.
Alat pengukur elektrik: jenis dan ciri
Pengukuran kuantiti elektrik asas memerlukan pelbagai jenis instrumen. Bergantung pada prinsip fizikal yang mendasari kerja mereka, mereka semua dibahagikan kepada kumpulan berikut:
- Peranti elektromekanikal mesti mempunyai bahagian yang bergerak dalam reka bentuknya. Kumpulan besar alat pengukur ini termasuk elektrodinamik, ferodinamik, magnetoelektrik, elektromagnet, elektrostatik, peranti aruhan. Sebagai contoh, prinsip magnetoelektrik, yang digunakan secara meluas, boleh digunakan sebagai asas untuk peranti seperti voltmeter, ammeter, ohmmeter, galvanometer. Meter elektrik, meter frekuensi, dsb. adalah berdasarkan prinsip aruhan.
- Peranti elektronik dibezakan dengan kehadiran blok tambahan: penukar kuantiti fizik, penguat, penukar, dll. Sebagai peraturan, dalam peranti jenis ini, nilai yang diukur ditukar kepada voltan, dan voltmeter berfungsi sebagai asas struktur mereka. Alat pengukur elektronik digunakan sebagai meter frekuensi, kemuatan, rintangan, meter kearuhan, osiloskop.
- Termoelektrikperanti menggabungkan dalam reka bentuk mereka peranti pengukur jenis magnetoelektrik dan penukar haba yang dibentuk oleh termokopel dan pemanas yang melaluinya arus yang diukur mengalir. Instrumen jenis ini digunakan terutamanya untuk mengukur arus frekuensi tinggi.
- Elektrokimia. Prinsip operasinya adalah berdasarkan proses yang berlaku pada elektrod atau dalam medium yang dikaji dalam ruang interelectrode. Instrumen jenis ini digunakan untuk mengukur kekonduksian elektrik, jumlah elektrik dan beberapa kuantiti bukan elektrik.
Mengikut ciri kefungsian, jenis instrumen berikut untuk mengukur kuantiti elektrik dibezakan:
- Menunjukkan (memberi isyarat) - ini ialah peranti yang membenarkan bacaan terus maklumat pengukuran sahaja, seperti meter watt atau ammeter.
- Rakaman - peranti yang membenarkan kemungkinan merakam bacaan, contohnya, osiloskop elektronik.
Mengikut jenis isyarat, peranti dibahagikan kepada analog dan digital. Jika peranti menjana isyarat yang merupakan fungsi berterusan nilai yang diukur, ia adalah analog, sebagai contoh, voltmeter, bacaannya diberikan menggunakan skala dengan anak panah. Sekiranya isyarat dijana secara automatik dalam peranti dalam bentuk aliran nilai diskret yang memasuki paparan dalam bentuk berangka, seseorang bercakap tentang alat pengukur digital.
Alat digital mempunyai beberapa kelemahan berbanding dengan yang analog: kurang kebolehpercayaan,keperluan untuk bekalan kuasa, kos yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, ia juga dibezakan oleh kelebihan ketara yang secara amnya menjadikan penggunaan peranti digital lebih diutamakan: kemudahan penggunaan, ketepatan tinggi dan imuniti bunyi, kemungkinan penyejagaan, gabungan dengan komputer dan penghantaran isyarat jauh tanpa kehilangan ketepatan.
Ketidaktepatan dan ketepatan instrumen
Ciri yang paling penting bagi alat pengukur elektrik ialah kelas ketepatan. Pengukuran kuantiti elektrik, seperti yang lain, tidak boleh dilakukan tanpa mengambil kira ralat peranti teknikal, serta faktor tambahan (pekali) yang mempengaruhi ketepatan pengukuran. Nilai had ralat yang diberikan dibenarkan untuk jenis peranti ini dipanggil dinormalisasi dan dinyatakan sebagai peratusan. Mereka menentukan kelas ketepatan peranti tertentu.
Kelas standard yang digunakan untuk menandakan skala alat pengukur adalah seperti berikut: 4, 0; 2, 5; lima belas; sepuluh; 0.5; 0.2; 0.1; 0.05. Selaras dengan mereka, pembahagian mengikut tujuan ditubuhkan: peranti kepunyaan kelas dari 0.05 hingga 0.2 adalah contoh, kelas 0.5 dan 1.0 mempunyai peranti makmal, dan, akhirnya, peranti kelas 1, 5–4, 0 adalah teknikal.
Apabila memilih peranti pengukur, ia perlu sepadan dengan kelas masalah yang sedang diselesaikan, manakala had pengukuran atas hendaklah sehampir mungkin dengan nilai berangka nilai yang dikehendaki. Iaitu, lebih besar sisihan penunjuk instrumen boleh dicapai, lebih kecil ralat relatif pengukuran akan. Jika hanya instrumen kelas rendah yang tersedia, yang mempunyai julat operasi terkecil harus dipilih. Menggunakan kaedah ini, pengukuran kuantiti elektrik boleh dijalankan dengan agak tepat. Dalam kes ini, anda juga perlu mengambil kira jenis skala peranti (seragam atau tidak sekata, seperti skala ohmmeter).
Kuantiti elektrik asas dan unitnya
Lazimnya, ukuran elektrik dikaitkan dengan set kuantiti berikut:
- Kekuatan semasa (atau ringkasnya semasa) I. Nilai ini menunjukkan jumlah cas elektrik yang melalui bahagian konduktor dalam 1 saat. Pengukuran magnitud arus elektrik dijalankan dalam ampere (A) menggunakan ammeter, avometer (penguji, yang dipanggil "tseshek"), multimeter digital, pengubah instrumen.
- Jumlah elektrik (cas) q. Nilai ini menentukan sejauh mana badan fizikal tertentu boleh menjadi sumber medan elektromagnet. Caj elektrik diukur dalam coulomb (C). 1 C (ampere-saat)=1 A ∙ 1 s. Alat untuk pengukuran ialah elektrometer atau meter cas elektronik (meter coulomb).
- Voltage U. Menyatakan beza keupayaan (tenaga cas) yang wujud antara dua titik berbeza medan elektrik. Untuk kuantiti elektrik tertentu, unit ukuran ialah volt (V). Jika untuk memindahkan cas sebanyak 1 coulomb dari satu titik ke titik yang lain, medan melakukan kerja sebanyak 1 joule (iaitu, tenaga yang sepadan dibelanjakan), makaperbezaan potensi - voltan - antara titik ini ialah 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Pengukuran voltan elektrik dijalankan menggunakan voltmeter, multimeter digital atau analog (penguji).
- Rintangan R. Mencirikan keupayaan konduktor untuk menghalang laluan arus elektrik melaluinya. Unit rintangan ialah ohm. 1 ohm ialah rintangan konduktor dengan voltan 1 volt pada hujung kepada arus 1 ampere: 1 ohm=1 V / 1 A. Rintangan adalah berkadar terus dengan keratan rentas dan panjang konduktor. Ohmmeter, avometer, multimeter digunakan untuk mengukurnya.
- Kekonduksian elektrik (konduksi) G ialah timbal balik rintangan. Diukur dalam siemens (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Kapasiti C ialah ukuran keupayaan konduktor untuk menyimpan cas, juga salah satu daripada kuantiti elektrik asas. Unit ukurannya ialah farad (F). Bagi pemuat, nilai ini ditakrifkan sebagai kemuatan bersama plat dan sama dengan nisbah cas terkumpul kepada beza keupayaan pada plat. Kapasiti kapasitor rata meningkat dengan peningkatan dalam kawasan plat dan dengan penurunan jarak antara mereka. Jika, dengan caj 1 loket, voltan 1 volt dicipta pada plat, maka kapasitansi kapasitor tersebut akan sama dengan 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Pengukuran dilakukan menggunakan instrumen khas - meter kemuatan atau multimeter digital.
- Kuasa P ialah nilai yang menggambarkan kelajuan pemindahan (penukaran) tenaga elektrik dijalankan. Sebagai unit sistem kuasa yang diterima pakaiwatt (W; 1 W=1J/s). Nilai ini juga boleh dinyatakan dari segi produk voltan dan kekuatan arus: 1 W=1 V ∙ 1 A. Untuk litar AC, kuasa aktif (digunakan) Pa, P reaktif ra (tidak mengambil bahagian dalam pengendalian arus) dan kuasa penuh P. Apabila mengukur, unit berikut digunakan untuknya: watt, var (singkatan untuk "volt-ampere reactive") dan, oleh itu, volt-ampere V ∙ TETAPI. Dimensi mereka adalah sama, dan ia berfungsi untuk membezakan antara kuantiti yang ditunjukkan. Instrumen untuk mengukur kuasa - meter watt analog atau digital. Pengukuran tidak langsung (contohnya, menggunakan ammeter) tidak selalu terpakai. Untuk menentukan kuantiti penting seperti faktor kuasa (dinyatakan dari segi sudut anjakan fasa), peranti yang dipanggil meter fasa digunakan.
- Kekerapan f. Ini adalah ciri arus ulang alik, menunjukkan bilangan kitaran perubahan dalam magnitud dan arahnya (dalam kes umum) dalam tempoh 1 saat. Unit kekerapan ialah detik salingan, atau hertz (Hz): 1 Hz=1 s-1. Nilai ini diukur dengan menggunakan kelas instrumen yang luas yang dipanggil meter frekuensi.
Kuantiti magnetik
Magnetisme berkait rapat dengan elektrik, kerana kedua-duanya adalah manifestasi proses fizikal asas tunggal - elektromagnetisme. Oleh itu, sambungan yang sama rapat adalah ciri kaedah dan cara mengukur kuantiti elektrik dan magnet. Tetapi terdapat juga nuansa. Sebagai peraturan, apabila menentukan yang terakhir, secara praktikalpengukuran elektrik dibuat. Nilai magnet diperoleh secara tidak langsung daripada hubungan fungsi yang menghubungkannya dengan yang elektrik.
Nilai rujukan dalam kawasan pengukuran ini ialah aruhan magnet, kekuatan medan dan fluks magnet. Ia boleh ditukar menggunakan gegelung pengukur peranti kepada EMF, yang diukur, selepas itu nilai yang diperlukan dikira.
- Fluks magnetik diukur menggunakan instrumen seperti webermeter (fotovoltaik, magnetoelektrik, elektronik analog dan digital) dan galvanometer balistik yang sangat sensitif.
- Kekuatan aruhan dan medan magnet diukur menggunakan teslameter yang dilengkapi dengan pelbagai jenis transduser.
Pengukuran kuantiti elektrik dan magnet, yang berkaitan secara langsung, membolehkan menyelesaikan banyak masalah saintifik dan teknikal, contohnya, kajian nukleus atom dan medan magnet Matahari, Bumi dan planet, kajian tentang sifat magnet pelbagai bahan, kawalan kualiti dan lain-lain.
Kuantiti bukan elektrik
Kemudahan kaedah elektrik membolehkan anda berjaya memanjangkannya kepada pengukuran pelbagai kuantiti fizik yang bersifat bukan elektrik, seperti suhu, dimensi (linear dan sudut), ubah bentuk dan lain-lain lagi, serta untuk menyiasat proses kimia dan komposisi bahan.
Alat untuk pengukuran elektrik bagi kuantiti bukan elektrik biasanya merupakan kompleks penderia - penukar kepada sebarang parameter litar (voltan,rintangan) dan alat pengukur elektrik. Terdapat banyak jenis transduser, yang mana anda boleh mengukur pelbagai kuantiti. Berikut ialah beberapa contoh:
- Penderia rheostatik. Dalam transduser sedemikian, apabila nilai yang diukur terdedah (contohnya, apabila paras cecair atau isipadunya berubah), peluncur rheostat bergerak, dengan itu menukar rintangan.
- Termistor. Rintangan sensor dalam peranti jenis ini berubah di bawah pengaruh suhu. Digunakan untuk mengukur kadar aliran gas, suhu, untuk menentukan komposisi campuran gas.
- Rintangan terikan membenarkan pengukuran terikan wayar.
- Penderia foto yang menukarkan perubahan dalam pencahayaan, suhu atau pergerakan kepada arus foto kemudian diukur.
- Transduser kapasitif digunakan sebagai penderia untuk kimia udara, anjakan, kelembapan, tekanan.
- Transduser piezoelektrik beroperasi berdasarkan prinsip kejadian EMF dalam beberapa bahan kristal apabila digunakan secara mekanikal padanya.
- Penderia induktif adalah berdasarkan penukaran kuantiti seperti kelajuan atau pecutan kepada emf teraruh.
Pembangunan alat dan kaedah pengukur elektrik
Pelbagai cara untuk mengukur kuantiti elektrik adalah disebabkan oleh banyak fenomena berbeza yang mana parameter ini memainkan peranan penting. Proses dan fenomena elektrik mempunyai pelbagai kegunaan yang sangat luas dalamsemua industri - adalah mustahil untuk menunjukkan kawasan aktiviti manusia sedemikian di mana mereka tidak akan menemui aplikasi. Ini menentukan julat masalah pengukuran elektrik kuantiti fizik yang sentiasa berkembang. Kepelbagaian dan penambahbaikan cara dan kaedah untuk menyelesaikan masalah ini sentiasa berkembang. Terutamanya dengan pantas dan berjaya membangunkan hala tuju teknologi pengukuran seperti pengukuran kuantiti bukan elektrik melalui kaedah elektrik.
Teknologi pengukuran elektrik moden sedang berkembang ke arah meningkatkan ketepatan, imuniti dan kelajuan bunyi, serta meningkatkan automasi proses pengukuran dan pemprosesan keputusannya. Alat pengukur telah beralih daripada peranti elektromekanikal yang paling mudah kepada peranti elektronik dan digital, dan seterusnya kepada sistem pengukur dan pengkomputeran terkini menggunakan teknologi mikropemproses. Pada masa yang sama, peningkatan dalam peranan komponen perisian peranti pengukur, jelas sekali, trend pembangunan utama.
