Вимірювання електричних величин: одиниці і засоби, методи вимірювання

Опубликованно 26.10.2018 22:40

Потреби науки і техніки включають в себе проведення безлічі вимірів, засоби і методи, які постійно розвиваються і удосконалюються. Найважливіша роль належить вимірів електричних величин, які знаходять широке застосування в самих різних галузях. Поняття про вимірювання

Вимірювання будь-якої фізичної величини проводиться шляхом порівняння її з деякою величиною того ж роду явищ, прийнятої в якості одиниці вимірювання. Результат, отриманий при порівнянні, представляється в чисельному вигляді у відповідних одиницях.

Ця операція здійснюється за допомогою спеціальних засобів вимірювання – технічних засобів, що взаємодіють з об\'єктом, що ті або інші параметри якого потрібно виміряти. При цьому використовуються певні методи – прийоми, за допомогою яких проводиться порівняння вимірюваної величини з одиницею вимірювання.

Існує кілька ознак, службовців основою для класифікації вимірювань електричних величин за видами: Кількість актів вимірювання. Тут істотна їх однократність або багатократність. Ступінь точності. Розрізняють технічні, контрольно-перевірочні, максимально точні вимірювання, а також равноточные і неравноточные. Характер зміни вимірюваної величини в часі. Згідно з цим критерієм вимірювання бувають статичні і динамічні. Шляхом динамічних вимірювань отримують миттєві значення величин, які змінюються у часі, а статичних – деякі постійні значення. Подання результату. Вимірювання електричних величин можуть бути виражені у відносній або абсолютній формі. Спосіб отримання шуканого результату. За цією ознакою вимірювання поділяються на прямі (в них результат виходить безпосередньо) і непрямі, при яких прямо вимірюються величини, пов\'язані з шуканої величиною якоїсь функціональної залежністю. В останньому випадку шукана фізична величина обчислюється за отриманими результатами. Так, вимірювання сили струму за допомогою амперметра – це приклад прямого вимірювання, а потужності – непрямого. Засоби вимірювання

Пристосування, призначені для вимірювання, повинні володіти нормованими характеристиками, а також зберігати протягом певного часу або відтворювати одиницю тієї величини, для вимірювання якої вони призначені.

Засоби вимірювання електричних величин поділяються на кілька категорій залежно від призначення: Заходи. Ці засоби служать для відтворення величини деякого заданого розміру – як, наприклад, резистор, що відтворює з відомою похибкою певний опір. Вимірювальні перетворювачі, що формують сигнал у формі, зручній для зберігання, перетворення, передачі. Для безпосереднього сприйняття інформація такого роду недоступна. Електровимірювальні прилади. Ці кошти призначені для представлення інформації у доступній спостерігачеві формі. Вони можуть бути переносними або стаціонарними, аналоговими або цифровими, реєструючими або сигналізують. Електровимірювальні установки являють собою комплекси перерахованих вище засобів і додаткових пристроїв, зосереджені в одному місці. Установки дозволяють проводити більш складні вимірювання (наприклад, магнітних характеристик або питомого опору), служать як повірочні або еталонні пристрою. Електровимірювальні системи теж є сукупністю різних засобів. Однак, на відміну від установок, прилади для вимірювання електричних величин та інші засоби в складі системи розосереджені. З допомогою систем можна вимірювати кілька величин, зберігати, обробляти і передавати сигнали вимірювальної інформації.

При необхідності вирішення якої-небудь конкретної складної вимірювальної задачі формують вимірювально-обчислювальні комплекси, які об\'єднують ряд пристроїв і електронно-обчислювальну апаратуру.

Характеристики вимірювальних засобів

Пристрої вимірювальної апаратури володіють певними властивостями, важливими для виконання їх безпосередніх функцій. До них відносяться: Метрологічні характеристики, такі як чутливість і поріг, діапазон вимірювання електричної величини, похибка приладу, ціна поділки, швидкодію та ін Динамічні характеристики, наприклад амплітудні (залежність амплітуди вихідного сигналу приладу від амплітуди на вході) або фазові (залежність фазового зсуву від частоти сигналу). Експлуатаційні характеристики, що відображають міру відповідності приладу вимогам експлуатації в певних умовах. До них належать такі властивості, як достовірність показань, надійність (працездатність, довговічність і безвідмовність апарату), ремонтопридатність, електрична безпека, економічність.

Сукупність характеристик апаратури встановлюється відповідними нормативно-технічними документами для кожного типу пристроїв. Застосовувані методи

Вимірювання електричних величин проводиться за допомогою різних методів, які можна класифікувати за наступними критеріями: Рід фізичних явищ, на основі якого вимірювання проводиться (електричні або магнітні явища). Характер взаємодії вимірювального засобу з об\'єктом. В залежності від нього розрізняють контактні і безконтактні методи вимірювання електричних величин. Режим проведення вимірювання. У відповідності з ним вимірювання бувають динамічними і статичними. Спосіб здійснення вимірювань. Розроблені методи безпосередньої оцінки, коли шукана величина визначається приладом (наприклад, амперметром), так і більш точні методи (нульові, диференціальні, протиставлення, заміщення), в яких вона виявляється шляхом порівняння з відомою величиною. В якості приладів порівняння служать компенсатори та електровимірювальні мости постійного і змінного струму.

Електровимірювальні прилади: види та особливості

Вимірювання основних електричних величин вимагає великої різноманітності приладів. В залежності від фізичного принципу, покладеного в основу їх роботи, всі вони діляться на наступні групи: Електромеханічні прилади обов\'язково мають в конструкції рухому частину. До цієї великої групи вимірювальних засобів відносяться електродинамічні, ферродинамические, магнитоэлектрические, електромагнітні, електростатичні, індукційні прилади. Наприклад, магнітоелектричних принцип, що застосовується дуже широко, може бути покладений в основу таких пристроїв, як вольтметри, амперметри, омметри, гальванометри. На індукційному принципі засновані лічильники електроенергії, частотоміри і т. д. Електронні прилади відрізняються наявністю додаткових блоків: перетворювачів фізичних величин, підсилювачів, перетворювачів та ін., Як правило, у приладах цього типу вимірювана величина перетворюється в напругу, і конструктивною основою їх служить вольтметр. Електронні вимірювальні прилади застосовуються в якості частотомірів, вимірників ємності, опору, індуктивності, осцилографів. Термоелектричні прилади поєднують у своїй конструкції вимірювальний пристрій магнітоелектричного типу і термоперетворювач, утворений термопарою і нагрівачем, через який протікає вимірюваний струм. Прилади цього типу використовуються в основному при вимірах високочастотних струмів. Електрохімічні. Принцип їх роботи базується на процесах, які протікають на електродах або в досліджуваної середовищі в міжелектродному просторі. Застосовуються прилади цього типу для вимірювання електропровідності, кількості електрики і деяких неелектричних величин.

За функціональним особливостям розрізняють наступні види приладів для вимірювання електричних величин: Показують (сигналізують) – це пристрої, що дозволяють виробляти тільки безпосереднє зчитування вимірювальної інформації, такі як ватметри або амперметри. Реєструючі прилади, що допускають можливість реєстрації показань, наприклад, електронні осцилографи.

За типом сигналу прилади поділяються на аналогові і цифрові. Якщо пристрій виробляє сигнал, який представляє собою безперервну функцію вимірюваної величини, воно є аналоговим, наприклад, вольтметр, показання якого видаються за допомогою шкали зі стрілкою. У тому випадку, якщо у вашому пристрої автоматично виробляється сигнал у вигляді потоку дискретних значень, що надходить на дисплей у чисельній формі, говорять про цифровому вимірювальному засобі.

Цифрові прилади мають деякі недоліки у порівнянні з аналоговими: менша надійність, потребу в джерелі живлення, більш висока вартість. Однак їх відрізняють та істотні переваги, в цілому роблять застосування цифрових пристроїв кращим: зручність експлуатації, висока точність і завадостійкість, можливість універсалізації, сполучення з ЕОМ і дистанційної передачі сигналу без втрати точності. Похибки і точність приладів

Найважливіша характеристика електровимірювального приладу – клас точності. Вимірювання електричних величин, як і будь-яких інших, не може здійснюватися без урахування похибок технічного пристрою, а також додаткових факторів (коефіцієнтів), що впливають на точність вимірювання. Граничні значення наведених похибок, що припускаються для даного типу приладу, називаються нормованими і виражаються у відсотках. Вони і визначають клас точності конкретного приладу.

Стандартні класи, якими прийнято маркувати шкали вимірювальних пристроїв, наступні: 4,0; 2,5; 1,5; 1,0; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05. Згідно з ними встановлено поділ за призначенням: прилади, що належать до класів від 0,05 до 0,2, відносяться до зразковим, класами 0,5 і 1,0 мають лабораторні прилади, і, нарешті, пристрої класів 1,5–4,0 є технічними.

При виборі вимірювального приладу необхідно, щоб він відповідав по класу розв\'язуваної задачі, при цьому верхня межа вимірювання повинен бути як можна ближче до числового значення шуканої величини. Тобто чим більшого відхилення стрілки приладу вдається досягти, тим менше буде відносна похибка проведеного вимірювання. Якщо в розпорядженні є тільки прилади низького класу, слід вибирати такий, який володіє найменшим робочим діапазоном. Використовуючи дані способи вимірювання електричних величин можна провести досить точно. При цьому також потрібно враховувати тип шкали приладу (рівномірне або нерівномірне, як, наприклад, шкали омметров).

Основні електричні величини та одиниці їх вимірювання

Найчастіше електричні вимірювання пов\'язані з наступним набором величин: Сила струму (або струм) I. Цією величиною позначається кількість електричного заряду, що проходить через переріз провідника за 1 секунду. Вимірювання величини електричного струму проводиться в амперах (A) за допомогою амперметров, авометров (тестерів, так званих «цешек»), цифрових мультиметрів, вимірювальних трансформаторів. Кількість електрики (заряд) q. Ця величина визначає, якою мірою те чи інше фізичне тіло може бути джерелом електромагнітного поля. Електричний заряд вимірюється в кулонах (Кл). 1 Кл (ампер-секунда) = 1 ? 1 ц. Приладами для вимірювання служать електрометрії або електронні зарядометры (кулон-метри). Напруга U. Висловлює різниця потенціалів (енергії зарядів), існуючу між двома різними точками електричного поля. Для даної електричної величини одиницею виміру служить вольт (В). Якщо для того, щоб з однієї точки перемістити в іншу заряд в 1 кулон, поле здійснює роботу в 1 джоуль (тобто витрачається відповідна енергія), то різниця потенціалів – напруга між цими точками становить 1 вольт: 1 В = 1 Дж/1 Кл. Вимірювання величини електричного напруги здійснюється за допомогою вольтметрів, цифрових або аналогових (тестери) мультиметрів. Опір R. Характеризує здатність провідника перешкоджати проходженню через нього електричного струму. Одиниця опору – ом. 1 Ом – опір провідника, що має напругу на кінцях в 1 вольт, до струму величиною в 1 ампер: 1 Ом = 1 В/1 А. Опір прямо пропорційно перерізу і довжині провідника. Для його вимірювання використовуються омметри, авометры, мультиметри. Електропровідність (провідність) G – величина, зворотна опору. Вимірюється в сименсах (См): 1 См = 1 Ом-1. Ємність C – це міра здатності провідника накопичувати заряд, також одна з основних електричних величин. Одиницею виміру служить її фарад (Ф). Для конденсатора ця величина визначається як взаємна ємність обкладок і дорівнює відношенню накопиченого заряду до різниці потенціалів на обкладках. Ємність плоского конденсатора зростає із збільшенням площі обкладок і із зменшенням відстані між ними. Якщо при заряд в 1 кулон на обкладках створюється напруга величиною 1 вольт, то ємність такого конденсатора дорівнює 1 фараду: 1 Ф = 1 Кл/1 Ст. Вимірювання проводять за допомогою спеціальних приладів – вимірювачів ємності або цифрових мультиметрів. Потужність P – величина, що відображає швидкість, з якою здійснюється передача (перетворення) електричної енергії. В якості системної одиниці потужності прийнятий ватт (Вт; 1 Вт = 1Дж/с). Ця величина може бути виражена через твір напруги і сили струму: 1 Вт = 1 ? 1 А. Для ланцюгів змінного струму розрізняють активну (споживану) потужність Pa, реактивну Pra (не бере участі в роботі струму) і повну потужність P. При вимірюваннях для них використовують такі одиниці: ват, вар (розшифровується як «вольт-ампер реактивний») і, відповідно, вольт-ампер В?А. Розмірність їх однакова, і вони служать для розрізнення зазначених величин. Прилади для вимірювання потужності – аналогові або цифрові ватметри. Непрямі вимірювання (наприклад, з допомогою амперметра) застосовні далеко не завжди. Для визначення такої важливої величини, як коефіцієнт потужності (виражається через кут фазового зсуву) застосовують прилади, які називаються фазометрами. Частота f. Це характеристика змінного струму, що показує кількість циклів зміни його величини і напряму (в загальному випадку) за період в 1 секунду. За одиницю частоти прийнята зворотна секунда, або герц (Гц): 1 Гц = 1 с-1. Вимірюють цю величину за допомогою широкого класу приладів, званих частотомерами.

Магнітні величини

Магнетизм найтіснішим чином пов\'язаний з електрикою, оскільки і те, і інше являють собою прояви єдиного фундаментального фізичного процесу – електромагнетизму. Тому настільки ж тісний зв\'язок властива методів і засобів вимірювання електричних і магнітних величин. Але є й нюанси. Як правило, при визначенні останніх практично проводиться електричне вимір. Магнітну величину отримують непрямим шляхом функціонального співвідношення, що зв\'язує її з електричною.

Еталонними величинами в цій галузі вимірювань служать магнітна індукція, напруженість поля і магнітний потік. Вони можуть бути перетворені за допомогою вимірювальної котушки приладу в ЕРС, яка вимірюється, після чого виробляється обчислення шуканих величин. Магнітний потік вимірюють за допомогою таких приладів, як веберметры (фотогальванічні, магнитоэлектрические, аналогові електронні і цифрові) і високочутливі балістичні гальванометри. Індукція і напруженість магнітного поля вимірюються за допомогою тесламетров, оснащених перетворювачами різного типу.

Вимірювання електричних і магнітних величин, що перебувають у безпосередньому взаємозв\'язку, дозволяє вирішувати багато наукові і технічні завдання, наприклад, дослідження атомного ядра і магнітного поля Сонця, Землі і планет, вивчення магнітних властивостей різних матеріалів, контроль якості та інші. Неелектричні величини

Зручність електричних методів дає можливість успішно поширювати їх і на вимірювання різноманітних фізичних величин неелектричного характеру, таких як температура, розміри (лінійні і кутові), деформація і багато інших, а також досліджувати хімічні процеси і складу речовин.

Прилади для електричного вимірювання неелектричних величин зазвичай являють собою комплекс з датчика – перетворювача в який-небудь параметр ланцюга (напруга, опір) і електровимірювального приладу. Існує безліч типів перетворювачів, завдяки яким можна вимірювати різні величини. Ось лише кілька прикладів: Реостатные датчики. У таких перетворювачах при впливі вимірюваної величини (наприклад, при зміні рівня рідини або ж її обсягу) переміщається движок реостата, змінюючи тим самим опір. Терморезистори. Опір датчика в апаратах цього типу змінюється під впливом температури. Застосовуються для вимірювання швидкості газового потоку, температури, для визначення складу газових сумішей. Тензосопротивления дозволяють проводити вимірювання деформації дроту. Фотодатчики, перетворюють зміна освітленості, температури або переміщення в вимірюваний потім фотострум. Ємнісні перетворювачі, які використовуються як датчики хімічного складу повітря, переміщення, вологості, тиску. П\'єзоелектричні перетворювачі працюють за принципом виникнення ЕРС в деяких кристалічних матеріалах при механічному впливі на них. Індукційні датчики засновані на перетворенні таких величин, як швидкість або прискорення, индуктированную ЕРС. Розвиток електровимірювальних засобів і методів

Велике різноманіття засобів вимірювання електричних величин обумовлено безліччю різних явищ, в яких ці параметри грають істотну роль. Електричні процеси і явища мають надзвичайно широкий діапазон використання у всіх галузях – не можна зазначити таку галузь людської діяльності, де вони не знаходили б застосування. Цим і визначається все більш розширюється коло завдань електричних вимірювань фізичних величин. Безперервно зростає різноманітність і удосконалення засобів і методів вирішення цих завдань. Особливо швидко і успішно розвивається такий напрямок вимірювальної техніки, як вимірювання неелектричних величин електричними методами.

Сучасна електровимірювальна техніка розвивається в напрямку підвищення точності, завадостійкості та швидкодії, а також все більшої автоматизації вимірювального процесу та обробки його результатів. Засоби вимірювань пройшли шлях від найпростіших електромеханічних пристроїв до електронних і цифрових приладів, і далі до новітніх вимірювально-обчислювальних комплексів з використанням мікропроцесорної техніки. При цьому підвищення ролі програмної складової вимірювальних пристроїв є, очевидно, основною тенденцією розвитку. Автор: Вінера Андрєєва 7 Вересня 2018

Категория: Новости