Potreby vedy a techniky zahŕňajú množstvo meraní, ktorých prostriedky a metódy sa neustále vyvíjajú a zdokonaľujú. Najdôležitejšiu úlohu v tejto oblasti zohrávajú merania elektrických veličín, ktoré sú široko používané v rôznych priemyselných odvetviach.
Koncept meraní
Meranie akejkoľvek fyzikálnej veličiny sa vykonáva jej porovnaním s určitým množstvom rovnakého druhu javov, ktoré sa berie ako jednotka merania. Výsledok získaný porovnaním je uvedený číselne v príslušných jednotkách.
Táto operácia sa vykonáva pomocou špeciálnych meracích prístrojov - technických zariadení, ktoré interagujú s objektom, ktorého určité parametre sa majú merať. V tomto prípade sa používajú určité metódy - techniky, pomocou ktorých sa nameraná hodnota porovnáva s jednotkou merania.
Existuje niekoľko znakov, ktoré slúžia ako základ pre klasifikáciu meraní elektrických veličín podľa typu:
- Množstvoúkony merania. Tu je dôležitá ich jednorazová alebo mnohonásobnosť.
- Stupeň presnosti. Existujú technické, kontrolné a overovacie, najpresnejšie merania, ako aj rovnaké a nerovnaké merania.
- Povaha zmeny nameranej hodnoty v priebehu času. Podľa tohto kritéria sú merania statické a dynamické. Prostredníctvom dynamických meraní sa získavajú okamžité hodnoty veličín, ktoré sa časom menia, a statické merania - niektoré konštantné hodnoty.
- Reprezentácia výsledku. Merania elektrických veličín môžu byť vyjadrené v relatívnej alebo absolútnej forme.
- Spôsob, ako dosiahnuť požadovaný výsledok. Podľa tohto znaku sa merania delia na priame (pri ktorých sa výsledok získava priamo) a nepriame, pri ktorých sa priamo merajú veličiny spojené s požadovanou hodnotou nejakou funkčnou závislosťou. V druhom prípade sa požadované fyzikálne množstvo vypočíta zo získaných výsledkov. Takže meranie prúdu pomocou ampérmetra je príkladom priameho merania a výkonu je nepriame.
Measurements
Zariadenia určené na meranie musia mať normalizované charakteristiky a tiež si určitý čas uchovávať alebo reprodukovať jednotku hodnoty, pre ktorú sú určené.
Prostriedky na meranie elektrických veličín sú rozdelené do niekoľkých kategórií v závislosti od účelu:
- Opatrenia. Tieto nástroje slúžia na reprodukciu hodnoty niektorých danostíveľkosť - ako napríklad rezistor, ktorý reprodukuje určitý odpor so známou chybou.
- Meracie prevodníky, ktoré vytvárajú signál vo forme vhodnej na ukladanie, konverziu, prenos. Informácie tohto druhu nie sú k dispozícii na priame vnímanie.
- Elektrické meracie zariadenia. Tieto nástroje sú navrhnuté tak, aby poskytovali informácie vo forme dostupnej pre pozorovateľa. Môžu byť prenosné alebo stacionárne, analógové alebo digitálne, nahrávacie alebo signalizačné.
- Elektrické meracie inštalácie sú komplexy vyššie uvedených nástrojov a doplnkových zariadení, sústredených na jednom mieste. Jednotky umožňujú komplexnejšie merania (napríklad magnetické charakteristiky alebo rezistivita), slúžia ako overovacie alebo referenčné zariadenia.
- Elektrické meracie systémy sú tiež kombináciou rôznych prostriedkov. Na rozdiel od inštalácií sú však zariadenia na meranie elektrických veličín a iné prostriedky v systéme rozptýlené. Pomocou systémov môžete merať viacero veličín, ukladať, spracovávať a prenášať merané informačné signály.
Ak je potrebné vyriešiť konkrétny zložitý problém merania, vytvárajú sa meracie a výpočtové komplexy, ktoré kombinujú množstvo zariadení a elektronických výpočtových zariadení.
Charakteristiky meracích prístrojov
Zariadenia na meranie majú určité vlastnosti, ktoré sú dôležitévykonávať svoje priame funkcie. Patria sem:
- Metrologické charakteristiky, ako je citlivosť a jej prah, rozsah merania elektrickej veličiny, chyba prístroja, hodnota delenia, rýchlosť atď.
- Dynamické charakteristiky, ako je amplitúda (závislosť amplitúdy výstupného signálu zariadenia od amplitúdy na vstupe) alebo fáza (závislosť fázového posunu od frekvencie signálu).
- Výkonové charakteristiky, ktoré odrážajú mieru, do akej prístroj spĺňa požiadavky na prevádzku za určitých podmienok. Patria sem také vlastnosti ako spoľahlivosť indikácií, spoľahlivosť (prevádzkovateľnosť, životnosť a bezporuchový chod zariadenia), udržiavateľnosť, elektrická bezpečnosť, hospodárnosť.
Súbor charakteristík zariadenia je stanovený príslušnými regulačnými a technickými dokumentmi pre každý typ zariadenia.
Použité metódy
Meranie elektrických veličín sa vykonáva rôznymi metódami, ktoré možno klasifikovať aj podľa nasledujúcich kritérií:
- Druh fyzikálnych javov, na základe ktorých sa meranie vykonáva (elektrické alebo magnetické javy).
- Povaha interakcie meracieho nástroja s objektom. Podľa toho sa rozlišujú kontaktné a bezkontaktné metódy merania elektrických veličín.
- Režim merania. Podľa nej sú merania dynamické a statické.
- Metoda merania. Vyvinuté ako metódy priameho odhadu pri hľadanom množstvepriamo určená prístrojom (napríklad ampérmeter) a presnejšie metódy (nula, diferenciál, opozícia, substitúcia), pri ktorých sa zisťuje porovnaním so známou hodnotou. Ako porovnávacie zariadenia slúžia kompenzátory a elektrické meracie mostíky jednosmerného a striedavého prúdu.
Elektrické meracie prístroje: typy a vlastnosti
Meranie základných elektrických veličín si vyžaduje širokú škálu prístrojov. V závislosti od fyzikálneho princípu, ktorý je základom ich práce, sú všetci rozdelení do nasledujúcich skupín:
- Elektromechanické zariadenia musia mať vo svojom dizajne pohyblivú časť. Do tejto veľkej skupiny meracích prístrojov patria elektrodynamické, ferodynamické, magnetoelektrické, elektromagnetické, elektrostatické, indukčné zariadenia. Napríklad magnetoelektrický princíp, ktorý sa používa veľmi široko, môže byť použitý ako základ pre také zariadenia, ako sú voltmetre, ampérmetre, ohmetre, galvanometre. Elektromery, merače frekvencie atď. sú založené na indukčnom princípe.
- Elektronické zariadenia sa vyznačujú prítomnosťou ďalších blokov: prevodníky fyzikálnych veličín, zosilňovače, prevodníky atď. V zariadeniach tohto typu sa nameraná hodnota spravidla premieňa na napätie a voltmeter slúži ako ich štrukturálny základ. Elektronické meracie prístroje sa používajú ako merače frekvencie, kapacity, odporu, indukčnosti, osciloskopy.
- Termoelektricképrístroje kombinujú vo svojej konštrukcii merací prístroj magnetoelektrického typu a tepelný menič tvorený termočlánkom a ohrievačom, ktorým preteká meraný prúd. Prístroje tohto typu sa používajú hlavne na meranie vysokofrekvenčných prúdov.
- Elektrochemické. Princíp ich fungovania je založený na procesoch, ktoré prebiehajú na elektródach alebo v skúmanom médiu v medzielektródovom priestore. Prístroje tohto typu sa používajú na meranie elektrickej vodivosti, množstva elektriny a niektorých neelektrických veličín.
Podľa funkčných vlastností sa rozlišujú tieto typy prístrojov na meranie elektrických veličín:
- Indikačné (signalizačné) – sú to zariadenia, ktoré umožňujú iba priame čítanie nameraných informácií, ako sú wattmetre alebo ampérmetre.
- Záznam – zariadenia, ktoré umožňujú možnosť zaznamenávať namerané hodnoty, napríklad elektronické osciloskopy.
Podľa typu signálu sa zariadenia delia na analógové a digitálne. Ak zariadenie generuje signál, ktorý je spojitou funkciou nameranej hodnoty, je to analógový, napríklad voltmeter, ktorého hodnoty sa uvádzajú pomocou stupnice so šípkou. V prípade, že sa v prístroji automaticky generuje signál vo forme prúdu diskrétnych hodnôt, ktoré vstupujú na displej v číselnej forme, hovoríme o digitálnom meracom prístroji.
Digitálne nástroje majú v porovnaní s analógovými niektoré nevýhody: menšia spoľahlivosť,potreba napájania, vyššie náklady. Vyznačujú sa však aj významnými výhodami, ktoré vo všeobecnosti uprednostňujú používanie digitálnych zariadení: jednoduchosť použitia, vysoká presnosť a odolnosť voči šumu, možnosť univerzalizácie, kombinácia s počítačom a diaľkový prenos signálu bez straty presnosti.
Nepresnosti a presnosť prístrojov
Najdôležitejšou charakteristikou elektrického meracieho prístroja je trieda presnosti. Meranie elektrických veličín, ako každé iné, nemožno vykonávať bez zohľadnenia chýb technického zariadenia, ako aj dodatočných faktorov (koeficientov), ktoré ovplyvňujú presnosť merania. Hraničné hodnoty daných chýb povolených pre tento typ zariadenia sa nazývajú normalizované a sú vyjadrené v percentách. Určujú triedu presnosti konkrétneho zariadenia.
Štandardné triedy používané na označenie stupnic meracích zariadení sú nasledovné: 4, 0; 2, 5; pätnásť; desať; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05. V súlade s nimi je ustanovené delenie podľa účelu: prístroje patriace do tried od 0,05 do 0,2 sú vzorové, triedy 0,5 a 1,0 majú laboratórne prístroje a napokon prístroje tried 1, 5–4, 0 sú technické..
Pri výbere meracieho zariadenia je potrebné, aby zodpovedalo triede riešeného problému, pričom horná hranica merania by mala byť čo najbližšie k číselnej hodnote požadovanej hodnoty. To znamená, že čím väčšiu odchýlku ukazovateľa prístroja možno dosiahnuť, tým menšia bude relatívna chyba merania. Ak sú k dispozícii iba prístroje nižšej triedy, mali by ste zvoliť prístroj s najmenším prevádzkovým rozsahom. Pomocou týchto metód je možné vykonávať merania elektrických veličín pomerne presne. V tomto prípade je potrebné vziať do úvahy aj typ stupnice zariadenia (rovnomerné alebo nerovnomerné, napr. stupnice ohmmetra).
Základné elektrické veličiny a ich jednotky
Elektrické merania sú najčastejšie spojené s nasledujúcim súborom veličín:
- Intenzita prúdu (alebo jednoducho prúd) I. Táto hodnota udáva množstvo elektrického náboja, ktorý prejde sekciou vodiča za 1 sekundu. Meranie veľkosti elektrického prúdu sa vykonáva v ampéroch (A) pomocou ampérmetrov, avometrov (testerov, tzv. "tseshek"), digitálnych multimetrov, prístrojových transformátorov.
- Množstvo elektriny (poplatok) q. Táto hodnota určuje, do akej miery môže byť konkrétne fyzické telo zdrojom elektromagnetického poľa. Elektrický náboj sa meria v coulombách (C). 1 C (ampérsekunda)=1 A ∙ 1 s. Prístroje na meranie sú elektromery alebo elektronické merače náboja (coulombmetre).
- Napätie U. Vyjadruje potenciálny rozdiel (energiu náboja), ktorý existuje medzi dvoma rôznymi bodmi elektrického poľa. Pre danú elektrickú veličinu je jednotkou merania volt (V). Ak na presun náboja 1 coulomb z jedného bodu do druhého vykoná pole prácu 1 joule (to znamená, že sa minie zodpovedajúca energia), potompotenciálny rozdiel - napätie - medzi týmito bodmi je 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Meranie elektrického napätia sa vykonáva pomocou voltmetrov, digitálnych alebo analógových (testovacích) multimetrov.
- Odpor R. Charakterizuje schopnosť vodiča zabrániť prechodu elektrického prúdu cez vodič. Jednotkou odporu je ohm. 1 ohm je odpor vodiča s napätím 1 volt na koncoch na prúd 1 ampér: 1 ohm=1 V / 1 A. Odpor je priamo úmerný prierezu a dĺžke vodiča. Na meranie sa používajú ohmmetre, avometre, multimetre.
- Elektrická vodivosť (vodivosť) G je prevrátená hodnota odporu. Merané v siemens (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Kapacita C je miera schopnosti vodiča uchovávať náboj, ktorý je tiež jednou zo základných elektrických veličín. Jeho mernou jednotkou je farad (F). Pre kondenzátor je táto hodnota definovaná ako vzájomná kapacita dosiek a rovná sa pomeru akumulovaného náboja k rozdielu potenciálov na doskách. Kapacita plochého kondenzátora sa zvyšuje so zväčšením plochy dosiek a so zmenšením vzdialenosti medzi nimi. Ak sa pri nabití 1 prívesku na doskách vytvorí napätie 1 volt, potom sa kapacita takéhoto kondenzátora bude rovnať 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Meranie sa vykonáva pomocou špeciálne prístroje - kapacitné merače alebo digitálne multimetre.
- Výkon P je hodnota, ktorá vyjadruje rýchlosť, akou sa uskutočňuje prenos (premena) elektrickej energie. Ako systémová jednotka sily prijatáwatt (W; 1 W=1 J/s). Túto hodnotu je možné vyjadriť aj ako súčin sily napätia a prúdu: 1 W=1 V ∙ 1 A. Pre striedavé obvody aktívny (spotrebovaný) výkon Pa, jalový P ra (nezúčastňuje sa na prevádzke prúdu) a plný výkon P. Pri meraní sa pre ne používajú tieto jednotky: watt, var (znamená „voltampér reaktívny“) a teda voltampér V ∙ ALE. Ich rozmery sú rovnaké a slúžia na rozlíšenie uvedených množstiev. Prístroje na meranie výkonu - analógové alebo digitálne wattmetre. Nepriame merania (napríklad pomocou ampérmetra) nie sú vždy použiteľné. Na určenie takej dôležitej veličiny, ako je účinník (vyjadrený uhlom fázového posunu), sa používajú zariadenia nazývané fázové merače.
- Frekvencia f. Toto je charakteristika striedavého prúdu, ktorá ukazuje počet cyklov zmeny jeho veľkosti a smeru (vo všeobecnom prípade) v priebehu 1 sekundy. Jednotkou frekvencie je recipročná sekunda alebo hertz (Hz): 1 Hz=1 s-1. Táto hodnota sa meria pomocou rozsiahlej triedy prístrojov nazývaných frekvenčné merače.
Magnetické množstvá
Magnetizmus úzko súvisí s elektrinou, keďže oba sú prejavom jediného základného fyzikálneho procesu – elektromagnetizmu. Preto je pre metódy a prostriedky merania elektrických a magnetických veličín charakteristické rovnako úzke prepojenie. Ale sú tu aj nuansy. Spravidla pri určovaní toho druhého praktickyvykoná sa elektrické meranie. Magnetická hodnota sa získava nepriamo z funkčného vzťahu, ktorý ju spája s tou elektrickou.
Referenčné hodnoty v tejto oblasti merania sú magnetická indukcia, sila poľa a magnetický tok. Môžu byť prevedené pomocou meracej cievky zariadenia na EMF, ktoré sa meria a potom sa vypočítajú požadované hodnoty.
- Magnetický tok sa meria pomocou prístrojov, ako sú webermetre (fotovoltaické, magnetoelektrické, analógové elektronické a digitálne) a vysoko citlivé balistické galvanometre.
- Sila indukcie a magnetického poľa sa meria pomocou teslametrov vybavených rôznymi typmi prevodníkov.
Meranie elektrických a magnetických veličín, ktoré spolu priamo súvisia, umožňuje riešiť mnohé vedecké a technické problémy, napríklad štúdium atómového jadra a magnetického poľa Slnka, Zeme a planét, štúdium magnetické vlastnosti rôznych materiálov, kontrola kvality a iné.
Neelektrické množstvá
Vhodnosť elektrických metód umožňuje ich úspešné rozšírenie na merania rôznych fyzikálnych veličín neelektrickej povahy, ako je teplota, rozmery (lineárne a uhlové), deformácie a mnohé iné, ako aj napr. skúmať chemické procesy a zloženie látok.
Prístroje na elektrické meranie neelektrických veličín sú zvyčajne komplexom snímača - prevodníka na ľubovoľný parameter obvodu (napätie,odpor) a elektrické meracie zariadenie. Existuje mnoho typov prevodníkov, vďaka ktorým môžete merať najrôznejšie veličiny. Tu je len niekoľko príkladov:
- Reostatické senzory. V takýchto prevodníkoch, keď je nameraná hodnota vystavená (napríklad keď sa mení hladina kvapaliny alebo jej objem), posúvač reostatu sa pohybuje, čím sa mení odpor.
- Termistory. Odpor snímača v zariadeniach tohto typu sa mení pod vplyvom teploty. Používa sa na meranie prietoku plynu, teploty, na určenie zloženia zmesí plynov.
- Odpory v ťahu umožňujú meranie napätia drôtu.
- Fotosenzory, ktoré premieňajú zmenu osvetlenia, teploty alebo pohybu na fotoprúd, ktorý sa potom meria.
- Kapacitné prevodníky používané ako senzory pre chémiu vzduchu, posun, vlhkosť, tlak.
- Piezoelektrické meniče fungujú na princípe výskytu EMP v niektorých kryštalických materiáloch, keď sú na ne mechanicky aplikované.
- Indukčné senzory sú založené na premene veličín, ako je rýchlosť alebo zrýchlenie, na indukované emf.
Vývoj elektrických meracích prístrojov a metód
Široká škála prostriedkov na meranie elektrických veličín je spôsobená mnohými rôznymi javmi, v ktorých tieto parametre zohrávajú významnú úlohu. Elektrické procesy a javy majú mimoriadne široké využitie vvšetky odvetvia - nie je možné uviesť takú oblasť ľudskej činnosti, kde by nenašli uplatnenie. To určuje stále sa rozširujúcu škálu problémov elektrických meraní fyzikálnych veličín. Rozmanitosť a zdokonaľovanie prostriedkov a metód na riešenie týchto problémov neustále rastie. Obzvlášť rýchlo a úspešne rozvíja taký smer meracej techniky, akým je meranie neelektrických veličín elektrickými metódami.
Moderná elektrická meracia technika sa vyvíja smerom k zvyšovaniu presnosti, odolnosti voči šumu a rýchlosti, ako aj k zvyšujúcej sa automatizácii procesu merania a spracovania jeho výsledkov. Meracie prístroje prešli od najjednoduchších elektromechanických zariadení k elektronickým a digitálnym zariadeniam a ďalej k najnovším meracím a výpočtovým systémom využívajúcim mikroprocesorovú technológiu. Hlavným trendom vývoja je zároveň samozrejme zvyšovanie úlohy softvérovej zložky meracích zariadení.
