Potřeby vědy a techniky zahrnují množství měření, jejichž prostředky a metody se neustále vyvíjejí a zdokonalují. Nejdůležitější roli v této oblasti mají měření elektrických veličin, která jsou široce používána v různých průmyslových odvětvích.
Koncept měření
Měření jakékoli fyzikální veličiny se provádí jejím porovnáním s nějakou veličinou stejného druhu jevů, která se bere jako jednotka měření. Výsledek získaný porovnáním je uveden číselně v příslušných jednotkách.
Tato operace se provádí pomocí speciálních měřicích přístrojů - technických zařízení, která interagují s objektem, jehož určité parametry mají být měřeny. V tomto případě se používají určité metody - techniky, kterými se naměřená hodnota porovnává s jednotkou měření.
Existuje několik znaků, které slouží jako základ pro klasifikaci měření elektrických veličin podle typu:
- Množstvíúkony měření. Zde je zásadní jejich jednorázovost nebo mnohonásobnost.
- Stupeň přesnosti. Existují technická, kontrolní a ověřovací, nejpřesnější měření, stejně jako stejná a nestejná měření.
- Povaha změny naměřené hodnoty v průběhu času. Podle tohoto kritéria jsou měření statická a dynamická. Prostřednictvím dynamických měření se získávají okamžité hodnoty veličin, které se v čase mění, a statická měření - některé konstantní hodnoty.
- Reprezentace výsledku. Měření elektrických veličin lze vyjádřit v relativní nebo absolutní formě.
- Způsob, jak dosáhnout požadovaného výsledku. Podle této vlastnosti se měření dělí na přímá (při kterých je výsledek získán přímo) a nepřímá, při kterých se přímo měří veličiny spojené s požadovanou hodnotou nějakou funkční závislostí. V druhém případě se ze získaných výsledků vypočítá požadovaná fyzikální veličina. Takže měření proudu ampérmetrem je příklad přímého měření a výkon je nepřímý.
Měření
Zařízení určená k měření musí mít normalizované charakteristiky a také si po určitou dobu uchovávat nebo reprodukovat jednotku hodnoty, pro kterou jsou určena.
Prostředky pro měření elektrických veličin jsou rozděleny do několika kategorií v závislosti na účelu:
- Opatření. Tyto nástroje slouží k reprodukci hodnoty nějaké danévelikost - jako například rezistor, který reprodukuje určitý odpor se známou chybou.
- Měřicí převodníky, které tvoří signál ve formě vhodné pro ukládání, konverzi, přenos. Informace tohoto druhu nejsou k dispozici pro přímé vnímání.
- Elektrická měřicí zařízení. Tyto nástroje jsou navrženy tak, aby poskytovaly informace ve formě přístupné pozorovateli. Mohou být přenosné nebo stacionární, analogové nebo digitální, nahrávací nebo signalizační.
- Elektrické měřicí instalace jsou komplexy výše uvedených nástrojů a přídavných zařízení, soustředěné na jednom místě. Jednotky umožňují složitější měření (například magnetické charakteristiky nebo měrný odpor), slouží jako ověřovací nebo referenční zařízení.
- Elektrické měřicí systémy jsou také kombinací různých prostředků. Na rozdíl od instalací jsou však zařízení pro měření elektrických veličin a další prostředky v systému rozptýleny. Pomocí systémů můžete měřit několik veličin, ukládat, zpracovávat a přenášet informační signály měření.
Pokud je potřeba řešit konkrétní komplexní problém měření, vznikají měřicí a výpočetní komplexy, které kombinují řadu zařízení a elektronického výpočetního vybavení.
Charakteristiky měřicích přístrojů
Zařízení měřicího zařízení mají určité vlastnosti, které jsou důležitévykonávat své přímé funkce. Patří mezi ně:
- Metrologické charakteristiky, jako je citlivost a její práh, rozsah měření elektrické veličiny, chyba přístroje, hodnota dělení, rychlost atd.
- Dynamické charakteristiky, jako je amplituda (závislost amplitudy výstupního signálu zařízení na amplitudě na vstupu) nebo fáze (závislost fázového posunu na frekvenci signálu).
- Výkonové charakteristiky, které odrážejí rozsah, v jakém přístroj splňuje požadavky na provoz za určitých podmínek. Patří mezi ně vlastnosti jako spolehlivost indikací, spolehlivost (provozuschopnost, životnost a bezporuchový provoz zařízení), udržovatelnost, elektrická bezpečnost, hospodárnost.
Sada charakteristik zařízení je stanovena příslušnými regulačními a technickými dokumenty pro každý typ zařízení.
Použité metody
Měření elektrických veličin se provádí různými metodami, které lze také klasifikovat podle následujících kritérií:
- Druh fyzikálních jevů, na jejichž základě se provádí měření (elektrické nebo magnetické jevy).
- Povaha interakce měřicího nástroje s objektem. Podle toho se rozlišují kontaktní a bezkontaktní metody měření elektrických veličin.
- Režim měření. Podle ní jsou měření dynamická a statická.
- Metoda měření. Vyvinuty jako metody přímého odhadu při hledaném množstvípřímo určená zařízením (například ampérmetr), a přesnější metody (nula, diferenciál, opozice, substituce), ve kterých se zjišťuje porovnáním se známou hodnotou. Jako srovnávací zařízení slouží kompenzátory a elektrické měřicí můstky stejnosměrného a střídavého proudu.
Elektrické měřicí přístroje: typy a vlastnosti
Měření základních elektrických veličin vyžaduje širokou škálu přístrojů. V závislosti na fyzikálním principu, který je základem jejich práce, jsou všichni rozděleni do následujících skupin:
- Elektromechanická zařízení musí mít ve své konstrukci pohyblivou část. Do této velké skupiny měřicích přístrojů patří elektrodynamické, ferodynamické, magnetoelektrické, elektromagnetické, elektrostatické, indukční přístroje. Například magnetoelektrický princip, který je velmi široce používán, může být použit jako základ pro taková zařízení, jako jsou voltmetry, ampérmetry, ohmmetry, galvanometry. Elektroměry, měřiče frekvence atd. jsou založeny na indukčním principu.
- Elektronická zařízení se vyznačují přítomností přídavných bloků: převodníky fyzikálních veličin, zesilovače, převodníky atd. Zpravidla se u zařízení tohoto typu převádí naměřená hodnota na napětí a voltmetr slouží jako jejich strukturální základ. Elektronické měřicí přístroje se používají jako měřiče frekvence, kapacity, odporu, indukčnosti, osciloskopy.
- Termoelektricképřístroje kombinují ve svém provedení měřicí zařízení magnetoelektrického typu a tepelný převodník tvořený termočlánkem a ohřívačem, kterým protéká měřený proud. Přístroje tohoto typu se používají hlavně pro měření vysokofrekvenčních proudů.
- Elektrochemické. Princip jejich činnosti je založen na procesech, které probíhají na elektrodách nebo ve zkoumaném médiu v mezielektrodovém prostoru. Přístroje tohoto typu se používají k měření elektrické vodivosti, množství elektřiny a některých neelektrických veličin.
Podle funkčních vlastností se rozlišují následující typy přístrojů pro měření elektrických veličin:
- Indikační (signalizační) - jedná se o zařízení, která umožňují pouze přímé čtení naměřených informací, jako jsou wattmetry nebo ampérmetry.
- Záznam – zařízení, která umožňují možnost záznamu naměřených hodnot, například elektronické osciloskopy.
Podle typu signálu se zařízení dělí na analogová a digitální. Pokud zařízení generuje signál, který je spojitou funkcí měřené hodnoty, jedná se o analogový, např. voltmetr, jehož hodnoty jsou udávány pomocí stupnice se šipkou. V případě, že je v zařízení automaticky generován signál ve formě proudu diskrétních hodnot, který vstupuje na displej v číselné podobě, mluví se o digitálním měřicím přístroji.
Digitální nástroje mají ve srovnání s analogovými některé nevýhody: menší spolehlivost,potřeba napájení, vyšší náklady. Vyznačují se však také významnými výhodami, které obecně upřednostňují použití digitálních zařízení: snadné použití, vysoká přesnost a odolnost proti šumu, možnost univerzalizace, kombinace s počítačem a dálkový přenos signálu bez ztráty přesnosti.
Nepřesnosti a přesnost přístrojů
Nejdůležitější charakteristikou elektrického měřicího přístroje je třída přesnosti. Měření elektrických veličin, jako každé jiné, nelze provádět bez zohlednění chyb technického zařízení, jakož i dalších faktorů (koeficientů), které ovlivňují přesnost měření. Mezní hodnoty daných chyb povolených pro tento typ zařízení se nazývají normalizované a jsou vyjádřeny v procentech. Určují třídu přesnosti konkrétního zařízení.
Standardní třídy používané pro označení stupnic měřicích zařízení jsou následující: 4, 0; 2, 5; patnáct; deset; 0,5; 0,2; 0,1; V souladu s nimi se zavádí dělení podle účelu: přístroje třídy 0,05 až 0,2 jsou vzorové, třídy 0,5 a 1,0 mají laboratorní přístroje a konečně přístroje tříd 1, 5–4, 0 jsou technické..
Při výběru měřícího zařízení je nutné, aby odpovídalo třídě řešeného problému, přičemž horní mez měření by se měla co nejvíce blížit číselné hodnotě požadované hodnoty. To znamená, že čím větší odchylky ukazatele přístroje lze dosáhnout, tím menší bude relativní chyba měření. Pokud jsou k dispozici pouze přístroje nižší třídy, měl by být vybrán ten s nejmenším provozním rozsahem. Pomocí těchto metod lze poměrně přesně provádět měření elektrických veličin. V tomto případě je také potřeba vzít v úvahu typ měřítka zařízení (stejnoměrné nebo nerovnoměrné, např. stupnice ohmmetru).
Základní elektrické veličiny a jejich jednotky
Elektrická měření jsou nejčastěji spojena s následující sadou veličin:
- Síla proudu (nebo jednoduše proud) I. Tato hodnota udává množství elektrického náboje procházejícího průřezem vodiče za 1 sekundu. Měření velikosti elektrického proudu se provádí v ampérech (A) pomocí ampérmetrů, avometrů (testerů, tzv. "tseshek"), digitálních multimetrů, přístrojových transformátorů.
- Množství elektřiny (poplatek) q. Tato hodnota určuje, do jaké míry může být konkrétní fyzické tělo zdrojem elektromagnetického pole. Elektrický náboj se měří v coulombech (C). 1 C (ampérsekunda)=1 A ∙ 1 s. Přístroje pro měření jsou elektrometry nebo elektronické měřiče náboje (coulombmetry).
- Napětí U. Vyjadřuje potenciální rozdíl (energii náboje), který existuje mezi dvěma různými body elektrického pole. Pro danou elektrickou veličinu je jednotkou měření volt (V). Jestliže za účelem přesunu náboje o 1 coulombu z jednoho bodu do druhého vykoná pole práci 1 joule (to znamená, že se spotřebovává odpovídající energie), pakpotenciální rozdíl - napětí - mezi těmito body je 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Měření elektrického napětí se provádí pomocí voltmetrů, digitálních nebo analogových (testovacích) multimetrů.
- Odpor R. Charakterizuje schopnost vodiče bránit průchodu elektrického proudu. Jednotkou odporu je ohm. 1 ohm je odpor vodiče s napětím 1 volt na koncích na proud 1 ampér: 1 ohm=1 V / 1 A. Odpor je přímo úměrný průřezu a délce vodiče. K měření se používají ohmmetry, avometry, multimetry.
- Elektrická vodivost (vodivost) G je převrácená hodnota odporu. Měřeno v siemens (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Kapacita C je mírou schopnosti vodiče ukládat náboj, což je také jedna ze základních elektrických veličin. Jeho měrnou jednotkou je farad (F). U kondenzátoru je tato hodnota definována jako vzájemná kapacita desek a rovná se poměru akumulovaného náboje k rozdílu potenciálů na deskách. Kapacita plochého kondenzátoru se zvyšuje se zvětšováním plochy desek a se zmenšováním vzdálenosti mezi nimi. Pokud se při nabití 1 přívěsku na deskách vytvoří napětí 1 volt, pak se kapacita takového kondenzátoru bude rovnat 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Měření se provádí pomocí speciální přístroje - kapacitní měřiče nebo digitální multimetry.
- Výkon P je hodnota, která odráží rychlost, s jakou se provádí přenos (přeměna) elektrické energie. Jako systémová jednotka síly přijatawatt (W; 1 W=1 J/s). Tuto hodnotu lze také vyjádřit jako součin síly napětí a proudu: 1 W=1 V ∙ 1 A. U střídavých obvodů činný (spotřebovaný) výkon Pa, jalový P ra (nepodílí se na provozu proudu) a plný výkon P. Při měření se pro ně používají tyto jednotky: watt, var (zkratka pro „voltampér reaktivní“) a podle toho voltampér V ∙ ALE. Jejich rozměry jsou stejné a slouží k rozlišení uvedených veličin. Přístroje pro měření výkonu - analogové nebo digitální wattmetry. Nepřímá měření (například pomocí ampérmetru) nejsou vždy použitelná. K určení tak důležité veličiny, jako je účiník (vyjádřený úhlem fázového posunu), se používají zařízení nazývaná fázové měřiče.
- Frekvence f. Toto je charakteristika střídavého proudu, která ukazuje počet cyklů změny jeho velikosti a směru (v obecném případě) za dobu 1 sekundy. Jednotkou frekvence je převrácená sekunda neboli hertz (Hz): 1 Hz=1 s-1. Tato hodnota je měřena pomocí rozsáhlé třídy přístrojů zvaných frekvenční měřiče.
Magnetická množství
Magnetismus úzce souvisí s elektřinou, protože oba jsou projevy jediného základního fyzikálního procesu – elektromagnetismu. Proto je pro metody a prostředky měření elektrických a magnetických veličin charakteristické stejně těsné spojení. Ale existují také nuance. Zpravidla při určování toho druhého praktickyje provedeno elektrické měření. Magnetická hodnota se získává nepřímo z funkčního vztahu, který ji spojuje s tou elektrickou.
Referenční hodnoty v této oblasti měření jsou magnetická indukce, síla pole a magnetický tok. Lze je převést pomocí měřicí cívky zařízení na EMF, které se změří a poté se vypočítají požadované hodnoty.
- Magnetický tok se měří pomocí přístrojů, jako jsou webermetry (fotovoltaické, magnetoelektrické, analogové elektronické a digitální) a vysoce citlivé balistické galvanometry.
- Síla indukce a magnetického pole se měří pomocí teslametrů vybavených různými typy převodníků.
Měření elektrických a magnetických veličin, které spolu přímo souvisejí, umožňuje řešit řadu vědeckých a technických problémů, např. studium atomového jádra a magnetického pole Slunce, Země a planet, studium magnetické vlastnosti různých materiálů, kontrola kvality a další.
Neelektrické veličiny
Vhodnost elektrických metod umožňuje jejich úspěšné rozšíření na měření různých fyzikálních veličin neelektrické povahy, jako je teplota, rozměry (lineární i úhlové), deformace a mnoho dalších, jakož i zkoumat chemické procesy a složení látek.
Přístroje pro elektrická měření neelektrických veličin jsou obvykle komplexem senzoru - převodníku na libovolný parametr obvodu (napětí,odpor) a elektrické měřicí zařízení. Existuje mnoho typů převodníků, díky kterým můžete měřit nejrůznější veličiny. Zde je jen několik příkladů:
- Reostatické senzory. U takových převodníků, když je naměřená hodnota vystavena (například když se mění hladina kapaliny nebo její objem), jezdec reostatu se pohybuje, čímž se mění odpor.
- Termistory. Odpor snímače se u zařízení tohoto typu mění vlivem teploty. Používá se k měření průtoku plynu, teploty, k určení složení směsí plynů.
- Odpory v tahu umožňují měření tahu drátu.
- Fotosenzory, které převádějí změnu osvětlení, teploty nebo pohybu na fotoproud, který je poté měřen.
- Kapacitní převodníky používané jako senzory pro chemii vzduchu, výchylku, vlhkost, tlak.
- Piezoelektrické měniče fungují na principu výskytu EMF v některých krystalických materiálech, když je na ně mechanicky aplikováno.
- Indukční senzory jsou založeny na převodu veličin, jako je rychlost nebo zrychlení, na indukované emf.
Vývoj elektrických měřicích přístrojů a metod
Široká škála prostředků pro měření elektrických veličin je způsobena mnoha různými jevy, ve kterých tyto parametry hrají významnou roli. Elektrické procesy a jevy mají extrémně široké využití vvšechna odvětví - není možné označit takovou oblast lidské činnosti, kde by nenašli uplatnění. To určuje stále se rozšiřující okruh problémů elektrických měření fyzikálních veličin. Rozmanitost a zdokonalování prostředků a metod pro řešení těchto problémů neustále roste. Zvláště rychle a úspěšně rozvíjí takový směr měřicí techniky, jakým je měření neelektrických veličin elektrickými metodami.
Moderní elektrická měřicí technika se vyvíjí směrem ke zvyšování přesnosti, odolnosti proti rušení a rychlosti, stejně jako ke stále větší automatizaci procesu měření a zpracování jeho výsledků. Měřicí přístroje přešly od nejjednodušších elektromechanických zařízení k elektronickým a digitálním zařízením a dále k nejnovějším měřicím a výpočetním systémům využívajícím mikroprocesorovou technologii. Hlavním vývojovým trendem je přitom samozřejmě nárůst role softwarové komponenty měřicích zařízení.
