Нуждите на науката и технологиите включват множество измервания, чиито средства и методи непрекъснато се развиват и подобряват. Най-важната роля в тази област принадлежи на измерванията на електрическите величини, които се използват широко в различни индустрии.
Концепцията за измервания
Измерването на всяка физическа величина се извършва чрез сравняването й с някакво количество от същия вид явления, взето като мерна единица. Резултатът, получен чрез сравнение, се представя цифрово в съответните единици.
Тази операция се извършва с помощта на специални измервателни уреди - технически устройства, които взаимодействат с обекта, чиито определени параметри се измерват. В този случай се използват определени методи - техники, чрез които измерената стойност се сравнява с мерната единица.
Има няколко знака, които служат като основа за класифициране на измерванията на електрически величини по тип:
- Количествоактове на измерване. Тук тяхната еднократност или множественост е от съществено значение.
- Степен на точност. Има технически, контрол и проверка, най-точните измервания, както и равни и неравни измервания.
- Естеството на промяната в измерената стойност във времето. Според този критерий измерванията са статични и динамични. Чрез динамични измервания се получават мигновени стойности на величини, които се променят във времето, а статични измервания - някои постоянни стойности.
- Представяне на резултата. Измерванията на електрическите величини могат да бъдат изразени в относителна или абсолютна форма.
- Начинът да получите желания резултат. Според тази характеристика измерванията се делят на преки (при които резултатът се получава директно) и косвени, при които директно се измерват величините, свързани с желаната стойност чрез някаква функционална зависимост. В последния случай необходимото физическо количество се изчислява от получените резултати. Така че измерването на тока с амперметър е пример за директно измерване, а мощността е индиректно.
Измервания
Устройствата, предназначени за измерване, трябва да имат нормализирани характеристики и също така да запазват за определено време или да възпроизвеждат единицата на стойността, за която са предназначени.
Средствата за измерване на електрически величини са разделени на няколко категории в зависимост от предназначението:
- Мерки. Тези инструменти служат за възпроизвеждане на стойността на даденоразмер - като например резистор, който възпроизвежда определено съпротивление с известна грешка.
- Измервателни преобразуватели, които формират сигнал във форма, удобна за съхранение, преобразуване, предаване. Информация от този вид не е достъпна за директно възприемане.
- Електрически измервателни уреди. Тези инструменти са предназначени да представят информация във форма, достъпна за наблюдателя. Те могат да бъдат преносими или стационарни, аналогови или цифрови, записващи или сигнализиращи.
- Електроизмервателните инсталации са комплекси от горните инструменти и допълнителни устройства, концентрирани на едно място. Единиците позволяват по-сложни измервания (например магнитни характеристики или съпротивление), служат като устройства за проверка или референтни устройства.
- Електрическите измервателни системи също са комбинация от различни средства. Въпреки това, за разлика от инсталациите, устройствата за измерване на електрически величини и други средства в системата са разпръснати. С помощта на системи можете да измервате няколко количества, да съхранявате, обработвате и предавате сигнали с информация за измерване.
Ако е необходимо да се реши конкретна комплексна измервателна задача, се формират измервателни и изчислителни комплекси, които комбинират множество устройства и електронно-изчислително оборудване.
Характеристики на измервателните уреди
Устройствата за измерване имат определени свойства, които са важнида изпълняват преките си функции. Те включват:
- Метрологични характеристики, като чувствителност и нейния праг, обхват на измерване на електрическа величина, грешка на инструмента, стойност на деление, скорост и др.
- Динамични характеристики, като амплитуда (зависимост на амплитудата на изходния сигнал на устройството от амплитудата на входа) или фаза (зависимост на фазовото изместване от честотата на сигнала).
- Характеристики на работа, които отразяват степента, до която инструментът отговаря на изискванията за работа при определени условия. Те включват такива свойства като надеждност на индикациите, надеждност (работоспособност, издръжливост и безотказна работа на устройството), поддръжка, електрическа безопасност, икономичност.
Наборът от характеристики на оборудването се установява от съответните регулаторни и технически документи за всеки тип устройство.
Приложени методи
Измерването на електрически величини се извършва по различни методи, които също могат да бъдат класифицирани според следните критерии:
- Вид физически явления, въз основа на които се извършва измерването (електрически или магнитни явления).
- Естеството на взаимодействието на измервателния инструмент с обекта. В зависимост от него се разграничават контактни и безконтактни методи за измерване на електрически величини.
- Режим на измерване. Според него измерванията са динамични и статични.
- Метод на измерване. Разработени като методи за директна оценка при търсеното количестводиректно определени от устройството (например амперметър) и по-точни методи (нула, диференциал, опозиция, заместване), при които се открива чрез сравнение с известна стойност. Компенсаторите и електрическите измервателни мостове на постоянен и променлив ток служат като устройства за сравнение.
Електрически измервателни уреди: видове и характеристики
Измерването на основни електрически величини изисква голямо разнообразие от инструменти. В зависимост от физическия принцип, който е в основата на тяхната работа, всички те са разделени на следните групи:
- Електромеханичните устройства трябва да имат подвижна част в дизайна си. Тази голяма група измервателни уреди включва електродинамични, феродинамични, магнитоелектрични, електромагнитни, електростатични, индукционни устройства. Например, магнитоелектричният принцип, който се използва много широко, може да се използва като основа за такива устройства като волтметри, амперметри, омметри, галванометри. Електромери, честотомери и др. се основават на индукционния принцип.
- Електронните устройства се отличават с наличието на допълнителни блокове: преобразуватели на физически величини, усилватели, преобразуватели и др. По правило в устройства от този тип измерената стойност се преобразува в напрежение, а волтметърът служи като тяхната структурна основа. Електронните измервателни уреди се използват като честотомери, капацитет, съпротивление, индуктивност, осцилоскопи.
- Термоелектрическиустройствата съчетават в своята конструкция измервателно устройство от магнитоелектричен тип и термичен преобразувател, образуван от термодвойка и нагревател, през който протича измерваният ток. Инструментите от този тип се използват главно за измерване на високочестотни токове.
- Електрохимически. Принципът на тяхното действие се основава на процесите, които протичат върху електродите или в изследваната среда в междуелектродното пространство. Инструменти от този тип се използват за измерване на електрическата проводимост, количеството електричество и някои неелектрически количества.
Според функционалните характеристики се разграничават следните видове уреди за измерване на електрически величини:
- Индикация (сигнализация) - това са устройства, които позволяват само директно четене на информация за измерване, като ватметри или амперметри.
- Записване - устройства, които позволяват записване на показания, например електронни осцилоскопи.
Според вида на сигнала устройствата се делят на аналогови и цифрови. Ако устройството генерира сигнал, който е непрекъсната функция на измерената стойност, той е аналогов, например волтметър, чиито показания се дават с помощта на скала със стрелка. В случай, че в устройството автоматично се генерира сигнал под формата на поток от дискретни стойности, който влиза на дисплея в цифров вид, се говори за цифров измервателен уред.
Цифровите инструменти имат някои недостатъци в сравнение с аналоговите: по-ниска надеждност,необходимост от захранване, по-висока цена. Те обаче се отличават и със значителни предимства, които като цяло правят използването на цифрови устройства по-предпочитано: лекота на използване, висока точност и устойчивост на шум, възможност за универсализация, комбинация с компютър и дистанционно предаване на сигнал без загуба на точност.
Неточности и точност на инструментите
Най-важната характеристика на електрически измервателен уред е класът на точност. Измерването на електрически величини, както всяко друго, не може да се извърши без да се вземат предвид грешките на техническото устройство, както и допълнителни фактори (коефициенти), които влияят на точността на измерването. Граничните стойности на дадените грешки, разрешени за този тип устройство, се наричат нормализирани и се изразяват в проценти. Те определят класа на точност на конкретно устройство.
Стандартните класове, използвани за маркиране на скалите на измервателните устройства, са както следва: 4, 0; 2, 5; петнадесет; десет; 0,5; 0,2; 0,1; 0.05 В съответствие с тях се установява разделение според предназначението: устройства, принадлежащи към класове от 0,05 до 0,2, са примерни, класове 0,5 и 1,0 имат лабораторни устройства и накрая устройства от класове 1, 5–4, 0 са технически.
При избора на измервателен уред е необходимо той да отговаря на класа на решаваната задача, като горната граница на измерване трябва да е възможно най-близка до числовата стойност на желаната стойност. Тоест, колкото по-голямо е отклонението на показалеца на инструмента, толкова по-малка ще бъде относителната грешка на измерването. Ако са налични само инструменти от нисък клас, трябва да се избере този с най-малък работен обхват. Използвайки тези методи, измерванията на електрическите величини могат да се извършват доста точно. В този случай трябва да вземете предвид и вида на скалата на устройството (равномерна или неравномерна, като скали на омметър).
Основни електрически величини и техните единици
Най-често електрическите измервания са свързани със следния набор от количества:
- Сила на тока (или просто ток) I. Тази стойност показва количеството електрически заряд, преминаващ през секцията на проводника за 1 секунда. Измерването на големината на електрическия ток се извършва в ампери (A) с помощта на амперметри, авометри (тестери, така наречените "цешек"), цифрови мултиметри, инструментални трансформатори.
- Количество електроенергия (такса) q. Тази стойност определя до каква степен определено физическо тяло може да бъде източник на електромагнитно поле. Електрическият заряд се измерва в кулони (C). 1 C (ампер-секунда)=1 A ∙ 1 s. Инструментите за измерване са електрометри или електронни измервателни уреди (кулонометри).
- Voltage U. Изразява потенциалната разлика (енергията на заряда), която съществува между две различни точки на електрическото поле. За дадено електрическо количество мерната единица е волта (V). Ако за да се премести заряд от 1 кулон от една точка в друга, полето извършва работа от 1 джаул (тоест се изразходва съответната енергия), тогавапотенциалната разлика - напрежение - между тези точки е 1 волт: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Измерването на електрическото напрежение се извършва с помощта на волтметри, цифрови или аналогови (тестери) мултиметри.
- Resistance R. Характеризира способността на проводника да предотвратява преминаването на електрически ток през него. Единицата за съпротивление е ом. 1 ом е съпротивлението на проводник с напрежение 1 волт в краищата на ток от 1 ампер: 1 ом=1 V / 1 A. Съпротивлението е право пропорционално на напречното сечение и дължината на проводника. За измерването му се използват омметри, авометри, мултиметри.
- Електрическа проводимост (проводимост) G е реципрочната стойност на съпротивлението. Измерено в сименс (см): 1 см=1 ом-1.
- Капацитет C е мярка за способността на проводника да съхранява заряд, също една от основните електрически величини. Неговата мерна единица е фарад (F). За кондензатор тази стойност се определя като взаимния капацитет на плочите и е равна на съотношението на натрупания заряд към потенциалната разлика на плочите. Капацитетът на плосък кондензатор се увеличава с увеличаване на площта на плочите и с намаляване на разстоянието между тях. Ако при заряд от 1 висулка върху плочите се създаде напрежение от 1 волт, тогава капацитетът на такъв кондензатор ще бъде равен на 1 фарад: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Измерването се извършва с помощта на специални инструменти - измерватели на капацитет или цифрови мултиметри.
- Power P е стойност, която отразява скоростта, с която се извършва преносът (преобразуването) на електрическа енергия. Като системна единица на мощност приетават (W; 1 W=1J/s). Тази стойност може също да бъде изразена като произведението на напрежението и силата на тока: 1 W=1 V ∙ 1 A. За вериги с променлив ток активна (консумирана) мощност Pa, реактивна P ra (не участва в работата на тока) и пълна мощност P. При измерването се използват следните единици за тях: ват, вар (съкращение от “волт-ампер реактивен”) и съответно волт-ампер V ∙ НО. Размерите им са еднакви и служат за разграничаване на посочените количества. Инструменти за измерване на мощност - аналогови или цифрови ватметри. Непреките измервания (например с помощта на амперметър) не винаги са приложими. За определяне на такава важна величина като фактора на мощността (изразен чрез ъгъла на фазовото изместване), се използват устройства, наречени фазомери.
- Честота f. Това е характеристика на променлив ток, показваща броя на циклите на промяна на неговата големина и посока (в общия случай) за период от 1 секунда. Единицата за честота е реципрочната секунда или херц (Hz): 1 Hz=1 s-1. Тази стойност се измерва с помощта на обширен клас инструменти, наречени честотомери.
Магнитни количества
Магнетизмът е тясно свързан с електричеството, тъй като и двете са проявления на един фундаментален физически процес - електромагнетизма. Следователно еднакво тясна връзка е характерна за методите и средствата за измерване на електрически и магнитни величини. Но има и нюанси. Като правило, при определяне на последното, практическисе прави електрическо измерване. Магнитната стойност се получава индиректно от функционалната връзка, която я свързва с електрическата.
Референтните стойности в тази измервателна област са магнитна индукция, сила на полето и магнитен поток. Те могат да бъдат преобразувани с помощта на измервателната намотка на уреда в EMF, който се измерва, след което се изчисляват необходимите стойности.
- Магнитният поток се измерва с инструменти като уеберметри (фотоволтаични, магнитоелектрически, аналогови електронни и цифрови) и високочувствителни балистични галванометри.
- Индукцията и силата на магнитното поле се измерват с помощта на тесламетри, оборудвани с различни видове преобразуватели.
Измерването на електрически и магнитни величини, които са пряко свързани, позволява решаването на много научни и технически проблеми, например изследването на атомното ядро и магнитното поле на Слънцето, Земята и планетите, изследването на магнитни свойства на различни материали, контрол на качеството и други.
Неелектрически количества
Удобството на електрическите методи прави възможно тяхното успешно разширяване до измервания на различни физически величини от неелектрическо естество, като температура, размери (линейни и ъглови), деформация и много други, както и да изследва химичните процеси и състава на веществата.
Инструментите за електрическо измерване на неелектрически величини обикновено са комплекс от сензор - преобразувател във всеки параметър на веригата (напрежение,съпротивление) и електрическо измервателно устройство. Има много видове преобразуватели, благодарение на които можете да измервате различни количества. Ето само няколко примера:
- Реостатични сензори. В такива преобразуватели, когато измерената стойност е изложена (например, когато нивото на течността или нейния обем се промени), плъзгачът на реостата се движи, като по този начин променя съпротивлението.
- Термистори. Съпротивлението на сензора в устройства от този тип се променя под въздействието на температурата. Използва се за измерване на дебита на газа, температурата, за определяне на състава на газовите смеси.
- Устойчивостта на напрежение позволява измерване на напрежението на проводника.
- Фотосензори, които преобразуват промяната в осветеността, температурата или движението във фототок, след което се измерва.
- Капацитивни преобразуватели, използвани като сензори за химия на въздуха, изместване, влажност, налягане.
- Пиезоелектричните преобразуватели работят на принципа на възникване на ЕМП в някои кристални материали, когато се прилагат механично към тях.
- Индуктивните сензори се основават на преобразуването на величини като скорост или ускорение в индуцирана emf.
Разработване на електрически измервателни уреди и методи
Голямо разнообразие от средства за измерване на електрически величини се дължи на много различни явления, в които тези параметри играят значителна роля. Електрическите процеси и явления имат изключително широк спектър от приложения ввсички индустрии - невъзможно е да се посочи такава област на човешка дейност, където те не биха намерили приложение. Това определя непрекъснато разширяващия се кръг от проблеми на електрическите измервания на физически величини. Разнообразието и усъвършенстването на средствата и методите за решаване на тези проблеми непрекъснато нараства. Особено бързо и успешно се развива такова направление на измервателната техника като измерване на неелектрически величини чрез електрически методи.
Съвременната електроизмервателна технология се развива в посока повишаване на точността, шумоустойчивостта и скоростта, както и увеличаване на автоматизацията на процеса на измерване и обработка на резултатите от него. Измервателните уреди преминаха от най-простите електромеханични устройства към електронни и цифрови устройства и по-нататък до най-новите измервателни и изчислителни системи, използващи микропроцесорна технология. В същото време нарастването на ролята на софтуерния компонент на измервателните уреди е, очевидно, основната тенденция на развитие.
