Mjerenje električnih veličina: jedinice i sredstva, metode mjerenja

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 05:19

Potrebe nauke i tehnologije uključuju mnoštvo mjerenja, čija se sredstva i metode neprestano razvijaju i poboljšavaju. Najvažnija uloga u ovoj oblasti pripada mjerenju električnih veličina, koje se široko koriste u raznim industrijama.

Koncept mjerenja

Mjerenje bilo koje fizičke veličine se vrši upoređivanjem sa nekom količinom iste vrste fenomena, koja se uzima kao jedinica mjere. Rezultat dobijen poređenjem se prikazuje numerički u odgovarajućim jedinicama.

Ova operacija se izvodi uz pomoć posebnih mjernih instrumenata - tehničkih uređaja koji stupaju u interakciju sa objektom, čiji se određeni parametri mjere. U ovom slučaju se koriste određene metode - tehnike kojima se izmjerena vrijednost upoređuje sa mjernom jedinicom.

Postoji nekoliko znakova koji služe kao osnova za klasifikaciju mjerenja električnih veličina po vrsti:

• Količinaradnje mjerenja. Ovdje je bitna njihova jednokratna ili višestruka.
• Stepen tačnosti. Postoje tehnička, kontrolna i verifikaciona, najpreciznija merenja, kao i jednaka i nejednaka merenja.
• Priroda promjene izmjerene vrijednosti tokom vremena. Prema ovom kriteriju mjerenja su statična i dinamička. Kroz dinamička mjerenja dobijaju se trenutne vrijednosti veličina koje se mijenjaju tokom vremena, a statička mjerenja - neke konstantne vrijednosti.
• Prikaz rezultata. Mjerenja električnih veličina mogu se izraziti u relativnom ili apsolutnom obliku.
• Način do željenog rezultata. Prema ovoj osobini, mjerenja se dijele na direktna (u kojima se rezultat dobija direktno) i indirektna, u kojima se direktno mjere veličine povezane sa željenom vrijednošću nekom funkcionalnom ovisnošću. U potonjem slučaju, potrebna fizička veličina se izračunava iz dobivenih rezultata. Dakle, mjerenje struje ampermetrom je primjer direktnog mjerenja, a snage indirektnog.

Mjerenja

Uređaji namenjeni za merenje moraju imati normalizovane karakteristike, a takođe moraju zadržati određeno vreme ili reprodukovati jedinicu vrednosti za koju su namenjeni.

Sredstva za merenje električnih veličina su podeljena u nekoliko kategorija u zavisnosti od namene:

• Mjere. Ovi alati služe za reprodukciju vrijednosti nekog datogveličina - kao, na primjer, otpornik koji reproducira određeni otpor sa poznatom greškom.
• Mjerni pretvarači koji formiraju signal u obliku pogodnom za skladištenje, konverziju, prijenos. Informacije ove vrste nisu dostupne za direktnu percepciju.
• Električni mjerni uređaji. Ovi alati su dizajnirani da predstave informacije u obliku dostupnom posmatraču. Mogu biti prijenosni ili stacionarni, analogni ili digitalni, za snimanje ili signalizaciju.
• Električne mjerne instalacije su kompleksi navedenih alata i dodatnih uređaja, koncentrisani na jednom mjestu. Jedinice omogućavaju složenija mjerenja (na primjer, magnetske karakteristike ili otpornost), služe kao verifikacioni ili referentni uređaji.
• Električni merni sistemi su takođe kombinacija različitih sredstava. Međutim, za razliku od instalacija, uređaji za mjerenje električnih veličina i druga sredstva u sistemu su disperzirana. Uz pomoć sistema možete izmjeriti nekoliko veličina, pohraniti, obraditi i prenijeti signale mjernih informacija.

Ukoliko je potrebno riješiti određeni složeni mjerni problem, formiraju se mjerno-računski kompleksi koji kombinuju veći broj uređaja i elektronske računarske opreme.

Karakteristike mjernih instrumenata

Uređaji mjerne opreme imaju određena svojstva koja su važnada obavljaju svoje direktne funkcije. Ovo uključuje:

• Metrološke karakteristike, kao što su osetljivost i njen prag, opseg merenja električne veličine, greška instrumenta, vrednost podele, brzina, itd.
• Dinamske karakteristike, kao što su amplituda (ovisnost amplitude izlaznog signala uređaja o amplitudi na ulazu) ili faza (ovisnost pomaka faze o frekvenciji signala).
• Karakteristike performansi koje odražavaju stepen u kojem instrument ispunjava zahtjeve rada pod određenim uslovima. To uključuje svojstva kao što su pouzdanost indikacija, pouzdanost (operabilnost, izdržljivost i rad uređaja bez kvarova), mogućnost održavanja, električna sigurnost, ekonomičnost.

Skup karakteristika opreme utvrđen je relevantnim regulatornim i tehničkim dokumentima za svaki tip uređaja.

Primijenjene metode

Mjerenje električnih veličina se vrši različitim metodama, koje se takođe mogu klasificirati prema sljedećim kriterijima:

• Vrsta fizičkih pojava na osnovu kojih se vrši mjerenje (električni ili magnetni fenomeni).
• Priroda interakcije mjernog alata sa objektom. U zavisnosti od toga razlikuju se kontaktne i beskontaktne metode merenja električnih veličina.
• Režim merenja. Prema njemu, mjerenja su dinamička i statična.
• Metoda mjerenja. Razvijeno kao metode direktne procjene kada se tražena količinadirektno određene uređajem (na primjer, ampermetar), te preciznije metode (nula, diferencijal, opozicija, supstitucija), u kojima se detektuje poređenjem sa poznatom vrijednošću. Kompenzatori i električni mjerni mostovi jednosmerne i naizmjenične struje služe kao uređaji za poređenje.

Električni mjerni instrumenti: vrste i karakteristike

Mjerenje osnovnih električnih veličina zahtijeva široku paletu instrumenata. Ovisno o fizičkom principu koji je u osnovi njihovog rada, svi su podijeljeni u sljedeće grupe:

• Elektromehanički uređaji moraju imati pokretni dio u svom dizajnu. Ova velika grupa mjernih instrumenata uključuje elektrodinamičke, ferodinamičke, magnetoelektrične, elektromagnetne, elektrostatičke, indukcijske uređaje. Na primjer, magnetoelektrični princip, koji se vrlo široko koristi, može se koristiti kao osnova za takve uređaje kao što su voltmetri, ampermetri, ommetri, galvanometri. Brojila električne energije, frekventnomjeri itd. se zasnivaju na principu indukcije.
• Elektronske uređaje odlikuje prisustvo dodatnih blokova: pretvarači fizičkih veličina, pojačala, pretvarači itd. U pravilu se u uređajima ovog tipa izmjerena vrijednost pretvara u napon, a voltmetar služi kao njihovu strukturnu osnovu. Elektronski mjerni instrumenti se koriste kao mjerači frekvencije, kapacitivnosti, otpora, induktiviteta, osciloskopi.
• Termoelektričniuređaji u svom dizajnu kombinuju mjerni uređaj magnetoelektričnog tipa i termalni pretvarač formiran od termoelementa i grijača kroz koji teče izmjerena struja. Instrumenti ovog tipa se uglavnom koriste za mjerenje visokofrekventnih struja.
• Electrochemical. Princip njihovog rada zasniva se na procesima koji se dešavaju na elektrodama ili u medijumu koji se proučava u međuelektrodnom prostoru. Instrumenti ovog tipa se koriste za mjerenje električne provodljivosti, količine električne energije i nekih neelektričnih veličina.

Prema funkcionalnim karakteristikama razlikuju se sljedeće vrste instrumenata za mjerenje električnih veličina:

• Indikator (signalizacija) - ovo su uređaji koji dozvoljavaju samo direktno očitavanje mjernih informacija, kao što su vatmetri ili ampermetri.
• Snimanje - uređaji koji omogućavaju mogućnost snimanja očitanja, na primjer, elektronski osciloskopi.

Prema vrsti signala uređaji se dijele na analogne i digitalne. Ako uređaj generira signal koji je kontinuirana funkcija izmjerene vrijednosti, to je analogni, na primjer, voltmetar, čija se očitanja daju pomoću skale sa strelicom. U slučaju da se u uređaju automatski generira signal u obliku toka diskretnih vrijednosti koji ulazi na displej u numeričkom obliku, govori se o digitalnom mjernom instrumentu.

Digitalni instrumenti imaju neke nedostatke u odnosu na analogne: manju pouzdanost,potreba za napajanjem, veća cijena. Međutim, odlikuju se i značajnim prednostima koje općenito čine upotrebu digitalnih uređaja poželjnijim: jednostavnost korištenja, visoka preciznost i otpornost na buku, mogućnost univerzalizacije, kombinacija s kompjuterom i daljinski prijenos signala bez gubitka tačnosti.

Netačnosti i tačnost instrumenata

Najvažnija karakteristika električnog mjernog instrumenta je klasa tačnosti. Mjerenje električnih veličina, kao i svako drugo, ne može se vršiti bez uzimanja u obzir grešaka tehničkog uređaja, kao i dodatnih faktora (koeficijenata) koji utiču na tačnost mjerenja. Granične vrijednosti datih grešaka dozvoljenih za ovu vrstu uređaja nazivaju se normalizirane i izražavaju se u postocima. Oni određuju klasu tačnosti određenog uređaja.

Standardne klase koje se koriste za označavanje skala mjernih uređaja su sljedeće: 4, 0; 2, 5; petnaest; deset; 0,5; 0,2; 0,1; 0.05 U skladu sa njima uspostavlja se podjela prema namjeni: uređaji koji pripadaju klasama od 0,05 do 0,2 su ogledni, klase 0,5 i 1,0 imaju laboratorijske uređaje i, konačno, uređaji klasa 1, 5–4, 0 su tehnički.

Prilikom odabira mjernog uređaja potrebno je da odgovara klasi problema koji se rješava, dok gornja granica mjerenja treba da bude što bliža brojčanoj vrijednosti željene vrijednosti. Odnosno, što se može postići veće odstupanje pokazivača instrumenta, to će biti manja relativna greška mjerenja. Ako su dostupni samo instrumenti niske klase, treba izabrati onaj sa najmanjim radnim opsegom. Koristeći ove metode, mjerenja električnih veličina mogu se izvršiti prilično precizno. U ovom slučaju, također morate uzeti u obzir vrstu skale uređaja (ujednačena ili neujednačena, kao što su skale oma).

Osnovne električne veličine i njihove jedinice

Najčešće se električna mjerenja povezuju sa sljedećim skupom veličina:

• Jačina struje (ili jednostavno struja) I. Ova vrijednost pokazuje količinu električnog naboja koji prolazi kroz dio provodnika u 1 sekundi. Mjerenje veličine električne struje vrši se u amperima (A) pomoću ampermetara, avometara (testera, tzv. "ceshek"), digitalnih multimetara, instrumentalnih transformatora.
• Količina električne energije (naplata) q. Ova vrijednost određuje u kojoj mjeri određeno fizičko tijelo može biti izvor elektromagnetnog polja. Električni naboj se mjeri u kulonima (C). 1 C (amper-sekunda)=1 A ∙ 1 s. Instrumenti za mjerenje su elektrometri ili elektronski mjerači punjenja (kulonometri).
• Napon U. Izražava razliku potencijala (energija naboja) koja postoji između dvije različite tačke električnog polja. Za datu električnu veličinu, mjerna jedinica je volt (V). Ako za pomicanje naboja od 1 kulona iz jedne tačke u drugu, polje izvrši rad od 1 džula (tj. troši se odgovarajuća energija), tadarazlika potencijala - napon - između ovih točaka je 1 volt: 1 V=1 J / 1 C. Merenje električnog napona se vrši pomoću voltmetara, digitalnih ili analognih (testera) multimetara.
• Otpor R. Karakterizira sposobnost provodnika da spriječi prolaz električne struje kroz njega. Jedinica otpora je ohm. 1 ohm je otpor vodiča s naponom od 1 volta na krajevima prema struji od 1 ampera: 1 ohm=1 V / 1 A. Otpor je direktno proporcionalan poprečnom presjeku i dužini vodiča. Za mjerenje se koriste ommetri, avometri, multimetri.
• Električna provodljivost (provodljivost) G je recipročna vrijednost otpora. Izmjereno u simensu (cm): 1 cm=1 ohm^-1.
• Kapacitet C je mjera sposobnosti provodnika da pohrani naboj, također jednu od osnovnih električnih veličina. Njegova jedinica mjere je farad (F). Za kondenzator, ova vrijednost je definirana kao međusobna kapacitivnost ploča i jednaka je omjeru akumuliranog naboja i potencijalne razlike na pločama. Kapacitet ravnog kondenzatora raste s povećanjem površine ploča i smanjenjem udaljenosti između njih. Ako se s punjenjem od 1 privjeska na pločama stvori napon od 1 volta, tada će kapacitet takvog kondenzatora biti jednak 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Mjerenje se vrši pomoću specijalni instrumenti - mjerači kapacitivnosti ili digitalni multimetri
• Snaga P je vrijednost koja odražava brzinu kojom se vrši prijenos (konverzija) električne energije. Kao sistemska jedinica snage usvojenavat (W; 1 W=1J/s). Ova vrijednost se također može izraziti kao proizvod jačine napona i struje: 1 W=1 V ∙ 1 A. Za AC kola, aktivna (potrošena) snaga P_a, reaktivna P _ra (ne učestvuje u radu struje) i puna snaga P. Prilikom merenja za njih se koriste sledeće jedinice: vat, var (što znači “volt-amper reaktivan”) i, shodno tome, volt-amper V ∙ BUT. Njihove dimenzije su iste, a služe za razlikovanje naznačenih veličina. Instrumenti za mjerenje snage - analogni ili digitalni vatmetri. Indirektna mjerenja (na primjer, korištenjem ampermetra) nisu uvijek primjenjiva. Da bi se odredila tako važna veličina kao što je faktor snage (izražen kroz ugao pomaka faze), koriste se uređaji koji se nazivaju fazometri.
• Učestalost f. Ovo je karakteristika naizmjenične struje, koja pokazuje broj ciklusa promjene njene veličine i smjera (u opštem slučaju) u periodu od 1 sekunde. Jedinica frekvencije je recipročna sekunda, ili herc (Hz): 1 Hz=1 s^-1. Ova vrijednost se mjeri pomoću opsežne klase instrumenata koji se nazivaju mjerači frekvencije.

Magnetne količine

Magnetizam je usko povezan sa elektricitetom, budući da su oba manifestacija jednog fundamentalnog fizičkog procesa - elektromagnetizma. Stoga je jednako bliska veza karakteristična za metode i sredstva mjerenja električnih i magnetskih veličina. Ali postoje i nijanse. U pravilu, pri određivanju potonjeg, praktičnovrši se električno mjerenje. Magnetska vrijednost se dobija posredno iz funkcionalnog odnosa koji je povezuje sa električnim.

Referentne vrijednosti u ovom području mjerenja su magnetna indukcija, jačina polja i magnetni fluks. Mogu se konvertovati pomoću merne zavojnice uređaja u EMF, koji se meri, nakon čega se izračunavaju tražene vrednosti.

• Magnetski fluks se mjeri pomoću instrumenata kao što su webermetri (fotonaponski, magnetoelektrični, analogni elektronski i digitalni) i visoko osjetljivi balistički galvanometri.
• Indukcija i jačina magnetnog polja se mjere pomoću testametara opremljenih različitim tipovima pretvarača.

Mjerenje električnih i magnetskih veličina, koje su direktno povezane, omogućava rješavanje mnogih naučnih i tehničkih problema, na primjer, proučavanje atomskog jezgra i magnetnog polja Sunca, Zemlje i planeta, proučavanje magnetna svojstva raznih materijala, kontrola kvaliteta i ostalo.

Neelektrične količine

Pogodnost električnih metoda omogućava njihovo uspješno proširenje na mjerenja različitih fizičkih veličina neelektrične prirode, kao što su temperatura, dimenzije (linearne i ugaone), deformacije i mnoge druge, kao i istražiti hemijske procese i sastav supstanci.

Instrumenti za električno mjerenje neelektričnih veličina obično su kompleks senzora - pretvarača u bilo koji parametar kola (napon,otpor) i električni mjerni uređaj. Postoji mnogo vrsta pretvarača, zahvaljujući kojima možete mjeriti različite količine. Evo samo nekoliko primjera:

• Reostatski senzori. U takvim pretvaračima, kada je izmjerena vrijednost izložena (na primjer, kada se promijeni nivo tečnosti ili njena zapremina), klizač reostata se pomera, čime se menja otpor.
• Termistori. Otpor senzora u uređajima ovog tipa mijenja se pod utjecajem temperature. Koristi se za mjerenje brzine protoka plina, temperature, za određivanje sastava mješavine plina.
• Otpor na naprezanje omogućava mjerenje naprezanja žice.
• Fotosenzori koji pretvaraju promjenu osvjetljenja, temperature ili kretanja u fotostruju koja se zatim mjeri.
• Kapacitivni pretvarači koji se koriste kao senzori za hemiju vazduha, pomeranje, vlažnost, pritisak.
• Pijezoelektrični pretvarači rade na principu pojave EMF-a u nekim kristalnim materijalima kada se na njih mehanički primjenjuju.
• Induktivni senzori se zasnivaju na konverziji veličina kao što su brzina ili ubrzanje u indukovanu emf.

Razvoj električnih mjernih instrumenata i metoda

Širok izbor sredstava za mjerenje električnih veličina je rezultat mnogih različitih pojava u kojima ovi parametri igraju značajnu ulogu. Električni procesi i pojave imaju izuzetno široku primjenu usve industrije - nemoguće je naznačiti takvo područje ljudske aktivnosti u kojem ne bi našle primjenu. Ovo određuje sve širi opseg problema električnih mjerenja fizičkih veličina. Raznovrsnost i usavršavanje sredstava i metoda za rješavanje ovih problema stalno raste. Posebno brzo i uspješno razvija takav pravac mjerne tehnologije kao što je mjerenje neelektričnih veličina električnim metodama.

Savremena električna mjerna tehnologija razvija se u pravcu povećanja tačnosti, otpornosti na buku i brzine, kao i sve veće automatizacije procesa mjerenja i obrade njegovih rezultata. Mjerni instrumenti su prošli put od najjednostavnijih elektromehaničkih uređaja do elektronskih i digitalnih uređaja, te dalje do najnovijih mjernih i računarskih sistema koji koriste mikroprocesorsku tehnologiju. Istovremeno, povećanje uloge softverske komponente mjernih uređaja je, očigledno, glavni trend razvoja.