Les necessitats de la ciència i la tecnologia inclouen multitud de mesures, els mitjans i mètodes de les quals es desenvolupen i milloren constantment. El paper més important en aquesta àrea pertany a les mesures de magnituds elèctriques, que s'utilitzen àmpliament en diverses indústries.
El concepte de mesures
La mesura de qualsevol magnitud física es fa comparant-la amb alguna quantitat del mateix tipus de fenòmens, presa com a unitat de mesura. El resultat obtingut per comparació es presenta numèricament en les unitats adequades.
Aquesta operació es realitza amb l'ajuda d'instruments de mesura especials: dispositius tècnics que interactuen amb l'objecte, dels quals s'han de mesurar determinats paràmetres. En aquest cas, s'utilitzen certs mètodes: tècniques mitjançant les quals es compara el valor mesurat amb la unitat de mesura.
Hi ha diversos signes que serveixen de base per classificar les mesures de magnituds elèctriques per tipus:
- Quantitatactes de mesura. Aquí la seva única o multiplicitat és essencial.
- Grau de precisió. Hi ha mesures tècniques, de control i verificació, les mesures més precises, així com mesures iguals i desiguals.
- La naturalesa del canvi en el valor mesurat al llarg del temps. Segons aquest criteri, les mesures són estàtiques i dinàmiques. Mitjançant mesures dinàmiques, s'obtenen valors instantanis de magnituds que canvien amb el temps i mesures estàtiques, alguns valors constants.
- Representació del resultat. Les mesures de magnituds elèctriques es poden expressar en forma relativa o absoluta.
- La manera d'obtenir el resultat desitjat. Segons aquesta característica, les mesures es divideixen en directes (en què el resultat s'obté directament) i indirectes, en les quals es mesuren directament les magnituds associades al valor desitjat per alguna dependència funcional. En aquest últim cas, a partir dels resultats obtinguts es calcula la quantitat física requerida. Per tant, mesurar el corrent amb un amperímetre és un exemple de mesura directa i la potència és indirecta.
Mesures
Els dispositius destinats al mesurament han de tenir característiques normalitzades i també conservar durant un temps determinat o reproduir la unitat del valor al qual estan destinats.
Els mitjans per mesurar magnituds elèctriques es divideixen en diverses categories segons la finalitat:
- Mesures. Aquestes eines serveixen per reproduir el valor d'alguns donatsmida, com, per exemple, una resistència que reprodueix una certa resistència amb un error conegut.
- Transductors de mesura que formen un senyal en una forma convenient per a l'emmagatzematge, conversió i transmissió. La informació d'aquest tipus no està disponible per a la percepció directa.
- Dispositius de mesura elèctrics. Aquestes eines estan dissenyades per presentar la informació d'una forma accessible a l'observador. Poden ser portàtils o estacionaris, analògics o digitals, de gravació o de senyalització.
- Les instal·lacions de mesurament elèctrics són complexos de les eines anteriors i dispositius addicionals, concentrats en un sol lloc. Les unitats permeten mesures més complexes (per exemple, característiques magnètiques o resistivitat), serveixen com a dispositius de verificació o de referència.
- Els sistemes de mesura elèctrica també són una combinació de diversos mitjans. Tanmateix, a diferència de les instal·lacions, els dispositius de mesura de magnituds elèctriques i altres mitjans del sistema estan dispersos. Amb l'ajuda dels sistemes, podeu mesurar diverses quantitats, emmagatzemar, processar i transmetre senyals d'informació de mesura.
Si és necessari resoldre un problema de mesura complex específic, es formen complexos de mesura i càlcul que combinen diversos dispositius i equips informàtics electrònics.
Característiques dels instruments de mesura
Els dispositius d'equips de mesura tenen certes propietats importantsper exercir les seves funcions directes. Aquests inclouen:
- Característiques metrològiques, com ara la sensibilitat i el seu llindar, el rang de mesura d'una magnitud elèctrica, l'error de l'instrument, el valor de divisió, la velocitat, etc.
- Característiques dinàmiques, com ara l'amplitud (dependència de l'amplitud del senyal de sortida del dispositiu de l'amplitud a l'entrada) o fase (dependència del canvi de fase de la freqüència del senyal).
- Característiques de rendiment que reflecteixen fins a quin punt l'instrument compleix els requisits de funcionament en determinades condicions. Aquests inclouen propietats com la fiabilitat de les indicacions, la fiabilitat (operabilitat, durabilitat i funcionament sense errors del dispositiu), manteniment, seguretat elèctrica, economia.
El conjunt de característiques de l'equip està establert per la documentació normativa i tècnica pertinent per a cada tipus de dispositiu.
Mètodes aplicats
La mesura de magnituds elèctriques es realitza mitjançant diversos mètodes, que també es poden classificar segons els criteris següents:
- Tipus de fenòmens físics a partir dels quals es fa la mesura (fenòmens elèctrics o magnètics).
- La naturalesa de la interacció de l'eina de mesura amb l'objecte. En funció d'això, es distingeixen mètodes de contacte i sense contacte per mesurar magnituds elèctriques.
- Mode de mesura. Segons ell, les mesures són dinàmiques i estàtiques.
- Mètode de mesura. Desenvolupat com a mètodes d'estimació directa quan es busca la quantitatdeterminat directament pel dispositiu (per exemple, un amperímetre) i mètodes més precisos (zero, diferencial, oposició, substitució), en què es detecta per comparació amb un valor conegut. Els compensadors i els ponts elèctrics de mesura de corrent continu i altern serveixen com a dispositius de comparació.
Instruments de mesura elèctrics: tipus i característiques
La mesura de magnituds elèctriques bàsiques requereix una gran varietat d'instruments. Depenent del principi físic subjacent al seu treball, tots es divideixen en els grups següents:
- Els dispositius electromecànics han de tenir una part mòbil en el seu disseny. Aquest gran grup d'instruments de mesura inclou dispositius electrodinàmics, ferrodinàmics, magnetoelèctrics, electromagnètics, electrostàtics i d'inducció. Per exemple, el principi magnetoelèctric, que s'utilitza molt àmpliament, es pot utilitzar com a base per a dispositius com voltímetres, amperímetres, ohmímetres, galvanòmetres. Els comptadors d'electricitat, freqüències, etc. es basen en el principi d'inducció.
- Els dispositius electrònics es distingeixen per la presència de blocs addicionals: convertidors de magnituds físiques, amplificadors, convertidors, etc. Per regla general, en dispositius d'aquest tipus, el valor mesurat es converteix en tensió i un voltímetre serveix com a la seva base estructural. Els instruments de mesura electrònics s'utilitzen com a mesuradors de freqüència, capacitat, resistència, inductància i oscil·loscopis.
- Termoelèctricels dispositius combinen en el seu disseny un aparell de mesura de tipus magnetoelèctric i un convertidor tèrmic format per un termoparell i un escalfador per on circula el corrent mesurat. Els instruments d'aquest tipus s'utilitzen principalment per mesurar corrents d' alta freqüència.
- Electroquímica. El principi del seu funcionament es basa en els processos que es produeixen en els elèctrodes o en el medi objecte d'estudi a l'espai interelèctrodes. Aquests instruments s'utilitzen per mesurar la conductivitat elèctrica, la quantitat d'electricitat i algunes magnituds no elèctriques.
Segons les característiques funcionals, es distingeixen els següents tipus d'instruments per mesurar magnituds elèctriques:
- Indicador (senyalització): són dispositius que només permeten la lectura directa de la informació de mesura, com ara wattmetres o amperímetres.
- Enregistrament: dispositius que permeten la possibilitat d'enregistrar lectures, per exemple, oscil·loscopis electrònics.
Segons el tipus de senyal, els dispositius es divideixen en analògics i digitals. Si el dispositiu genera un senyal que és una funció contínua del valor mesurat, és analògic, per exemple, un voltímetre, les lectures del qual es donen mitjançant una escala amb una fletxa. En el cas que en el dispositiu es generi automàticament un senyal en forma d'un flux de valors discrets que entra a la pantalla en forma numèrica, es parla d'un instrument de mesura digital.
Els instruments digitals tenen alguns inconvenients en comparació amb els analògics: menys fiabilitat,necessitat d'alimentació, cost més elevat. Tanmateix, també es distingeixen per importants avantatges que generalment fan més preferible l'ús de dispositius digitals: facilitat d'ús, alta precisió i immunitat al soroll, possibilitat d'universalització, combinació amb un ordinador i transmissió de senyal remota sense pèrdua de precisió..
Incorreccions i precisió dels instruments
La característica més important d'un instrument de mesura elèctric és la classe de precisió. La mesura de magnituds elèctriques, com qualsevol altra, no es pot dur a terme sense tenir en compte els errors del dispositiu tècnic, així com els factors addicionals (coeficients) que afecten la precisió de la mesura. Els valors límit dels errors donats permesos per a aquest tipus de dispositiu s'anomenen normalitzats i s'expressen en percentatge. Determinen la classe de precisió d'un dispositiu concret.
Les classes estàndard que s'utilitzen per marcar les escales dels aparells de mesura són les següents: 4, 0; 2, 5; quinze; deu; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05 D'acord amb ells, s'estableix una divisió segons la finalitat: els dispositius que pertanyen a les classes de 0,05 a 0,2 són exemplars, les classes 0,5 i 1,0 tenen dispositius de laboratori i, finalment, els dispositius de les classes 1, 5–4, 0 són tècnics..
A l'hora d'escollir un aparell de mesura, és necessari que correspongui a la classe del problema que es resol, mentre que el límit superior de mesura ha d'estar el més proper possible al valor numèric del valor desitjat. És a dir, com més gran es pugui aconseguir la desviació del punter de l'instrument, menor serà l'error relatiu de la mesura. Si només es disposa d'instruments de classe baixa, s'ha de seleccionar el que tingui el rang de funcionament més petit. Amb aquests mètodes, les mesures de magnituds elèctriques es poden dur a terme amb força precisió. En aquest cas, també cal que tingueu en compte el tipus d'escala del dispositiu (uniforme o desigual, com ara escales d'ohmímetres).
Quantitats elèctriques bàsiques i les seves unitats
Molt sovint, les mesures elèctriques s'associen amb el següent conjunt de magnituds:
- Potència actual (o simplement corrent) I. Aquest valor indica la quantitat de càrrega elèctrica que passa per la secció del conductor en 1 segon. La mesura de la magnitud del corrent elèctric es realitza en amperes (A) mitjançant amperímetres, avòmetres (provadors, l'anomenat "tseshek"), multímetres digitals i transformadors d'instruments.
- Quantitat d'electricitat (càrrega) q. Aquest valor determina fins a quin punt un cos físic determinat pot ser una font d'un camp electromagnètic. La càrrega elèctrica es mesura en coulombs (C). 1 C (ampere-segon)=1 A ∙ 1 s. Els instruments de mesura són els electròmetres o els mesuradors de càrrega electrònics (metres de coulomb).
- Tensió U. Expressa la diferència de potencial (energia de càrrega) que hi ha entre dos punts diferents del camp elèctric. Per a una magnitud elèctrica donada, la unitat de mesura és el volt (V). Si per moure una càrrega d'1 coulomb d'un punt a un altre, el camp fa un treball d'1 joule (és a dir, es gasta l'energia corresponent), aleshoresla diferència de potencial - voltatge - entre aquests punts és d'1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. La mesura de la tensió elèctrica es realitza mitjançant voltímetres, multímetres digitals o analògics (testers).
- Resistència R. Caracteritza la capacitat d'un conductor per evitar el pas del corrent elèctric a través d'ell. La unitat de resistència és ohm. 1 ohm és la resistència d'un conductor amb una tensió d'1 volt als extrems a un corrent d'1 ampere: 1 ohm=1 V / 1 A. La resistència és directament proporcional a la secció transversal i la longitud del conductor. S'utilitzen ohmímetres, avòmetres i multímetres per mesurar-lo.
- Conductivitat elèctrica (conductivitat) G és el recíproc de la resistència. Mesurat en siemens (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- La capacitat C és una mesura de la capacitat d'un conductor per emmagatzemar càrrega, també una de les magnituds elèctriques bàsiques. La seva unitat de mesura és el farad (F). Per a un condensador, aquest valor es defineix com la capacitat mútua de les plaques i és igual a la relació entre la càrrega acumulada i la diferència de potencial de les plaques. La capacitat d'un condensador pla augmenta amb l'augment de l'àrea de les plaques i amb una disminució de la distància entre elles. Si, amb una càrrega d'1 penjoll, es crea una tensió d'1 volt a les plaques, llavors la capacitat d'aquest condensador serà igual a 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. La mesura es realitza mitjançant instruments especials: mesuradors de capacitat o multímetres digitals.
- Potència P és un valor que reflecteix la velocitat amb què es realitza la transferència (conversió) d'energia elèctrica. Com a unitat de sistema de potència adoptadawatt (W; 1 W=1J/s). Aquest valor també es pot expressar en termes del producte de la tensió i la intensitat del corrent: 1 W=1 V ∙ 1 A. Per a circuits de CA, potència activa (consumida) Pa, reactiva P ra (no participa en el funcionament del corrent) i plena potència P. Quan es mesura, s'utilitzen les unitats següents: watt, var (significa "volt-ampere reactiu") i, en conseqüència, volt-amper V ∙ PERÒ. Les seves dimensions són les mateixes, i serveixen per distingir entre les quantitats indicades. Instruments per mesurar la potència: vatímetres analògics o digitals. Les mesures indirectes (per exemple, amb un amperímetre) no sempre són aplicables. Per determinar una quantitat tan important com el factor de potència (expressat en termes d'angle de canvi de fase), s'utilitzen dispositius anomenats mesuradors de fase.
- Freqüència f. Aquesta és una característica d'un corrent altern, que mostra el nombre de cicles de canvi en la seva magnitud i direcció (en el cas general) durant un període d'1 segon. La unitat de freqüència és el segon recíproc, o hertz (Hz): 1 Hz=1 s-1. Aquest valor es mesura mitjançant una àmplia classe d'instruments anomenats freqüències.
Quantitats magnètiques
El magnetisme està estretament relacionat amb l'electricitat, ja que tots dos són manifestacions d'un sol procés físic fonamental: l'electromagnetisme. Per tant, una connexió igualment estreta és característica dels mètodes i mitjans de mesura de magnituds elèctriques i magnètiques. Però també hi ha matisos. Per regla general, a l'hora de determinar aquest últim, pràcticamentes fa una mesura elèctrica. El valor magnètic s'obté indirectament de la relació funcional que el connecta amb l'elèctric.
Els valors de referència en aquesta àrea de mesura són inducció magnètica, intensitat de camp i flux magnètic. Es poden convertir mitjançant la bobina de mesura del dispositiu en EMF, que es mesura, després de la qual cosa es calculen els valors requerits.
- El flux magnètic es mesura amb instruments com ara webèrmetres (fotovoltaics, magnetoelèctrics, electrònics analògics i digitals) i galvanòmetres balístics d' alta sensibilitat.
- La intensitat del camp magnètic i la inducció es mesuren mitjançant teslàmetres equipats amb diversos tipus de transductors.
La mesura de magnituds elèctriques i magnètiques, que estan directament relacionades, permet resoldre molts problemes científics i tècnics, per exemple, l'estudi del nucli atòmic i el camp magnètic del Sol, la Terra i els planetes, l'estudi de la propietats magnètiques de diversos materials, control de qualitat i altres.
Quantitats no elèctriques
La comoditat dels mètodes elèctrics permet estendre'ls amb èxit a mesures de diverses magnituds físiques de naturalesa no elèctrica, com ara la temperatura, les dimensions (lineals i angulars), la deformació i moltes altres, així com per investigar els processos químics i la composició de les substàncies.
Els instruments per a la mesura elèctrica de magnituds no elèctriques solen ser un complex d'un sensor: un convertidor en qualsevol paràmetre del circuit (tensió,resistència) i dispositiu de mesura elèctrica. Hi ha molts tipus de transductors, gràcies als quals podeu mesurar una varietat de magnituds. Aquests són només alguns exemples:
- Sensors reostàtics. En aquests transductors, quan el valor mesurat està exposat (per exemple, quan canvia el nivell de líquid o el seu volum), el control lliscant del reòstat es mou, canviant així la resistència.
- Termistors. La resistència del sensor en dispositius d'aquest tipus canvia sota la influència de la temperatura. S'utilitza per mesurar el cabal de gas, la temperatura, per determinar la composició de les mescles de gasos.
- Les resistències a la tensió permeten mesurar la tensió del cable.
- Fotosensors que converteixen un canvi en la il·luminació, la temperatura o el moviment en un fotocorrent després es mesuren.
- Transductors capacitius utilitzats com a sensors per a la química de l'aire, el desplaçament, la humitat i la pressió.
- Els transductors piezoelèctrics funcionen segons el principi de l'aparició de CEM en alguns materials cristal·lins quan s'hi apliquen mecànicament.
- Els sensors inductius es basen en la conversió de magnituds com la velocitat o l'acceleració en una fem induïda.
Desenvolupament d'instruments i mètodes de mesura elèctrics
Una gran varietat de mitjans per mesurar magnituds elèctriques es deu a molts fenòmens diferents en què aquests paràmetres tenen un paper important. Els processos i fenòmens elèctrics tenen un ventall d'usos molt amplitotes les indústries: és impossible indicar una àrea d'activitat humana on no trobarien aplicació. Això determina l'ampli ventall de problemes de mesures elèctriques de magnituds físiques. La varietat i millora dels mitjans i mètodes per resoldre aquests problemes és en constant creixement. Desenvolupa amb especial rapidesa i èxit una tecnologia de mesura com la mesura de magnituds no elèctriques mitjançant mètodes elèctrics.
La tecnologia de mesura elèctrica moderna s'està desenvolupant en la direcció d'augmentar la precisió, la immunitat al soroll i la velocitat, així com augmentar l'automatització del procés de mesura i el processament dels seus resultats. Els instruments de mesura han passat dels dispositius electromecànics més senzills als dispositius electrònics i digitals, passant pels últims sistemes de mesura i informàtica amb tecnologia de microprocessador. Al mateix temps, l'augment del paper del component de programari dels dispositius de mesura és, òbviament, la principal tendència de desenvolupament.
