Le esigenze della scienza e della tecnologia includono una moltitudine di misurazioni, i cui mezzi e metodi vengono costantemente sviluppati e migliorati. Il ruolo più importante in quest'area spetta alle misure di grandezze elettriche, ampiamente utilizzate in vari settori.
Il concetto di misura
La misura di qualsiasi grandezza fisica viene effettuata confrontandola con una certa grandezza dello stesso tipo di fenomeni, presa come unità di misura. Il risultato ottenuto per confronto è presentato numericamente nelle unità appropriate.
Questa operazione viene eseguita con l'ausilio di speciali strumenti di misura - dispositivi tecnici che interagiscono con l'oggetto, di cui devono essere misurati alcuni parametri. In questo caso vengono utilizzati determinati metodi, tecniche mediante le quali il valore misurato viene confrontato con l'unità di misura.
Ci sono diversi segni che servono come base per classificare le misurazioni delle grandezze elettriche per tipo:
- Quantitàatti di misurazione. Qui la loro unica o molteplicità è essenziale.
- Grado di precisione. Ci sono tecniche, controllo e verifica, le misurazioni più accurate, così come misurazioni uguali e disuguali.
- La natura della variazione nel tempo del valore misurato. Secondo questo criterio, le misurazioni sono statiche e dinamiche. Attraverso misurazioni dinamiche si ottengono valori istantanei di grandezze che cambiano nel tempo e misurazioni statiche - alcuni valori costanti.
- Rappresentazione del risultato. Le misure di grandezze elettriche possono essere espresse in forma relativa o assoluta.
- Il modo per ottenere il risultato desiderato. In base a questa caratteristica, le misure si dividono in dirette (in cui si ottiene direttamente il risultato) e indirette, in cui vengono misurate direttamente le grandezze associate al valore desiderato da una qualche dipendenza funzionale. In quest'ultimo caso, la quantità fisica richiesta viene calcolata dai risultati ottenuti. Quindi, misurare la corrente con un amperometro è un esempio di misura diretta e la potenza è indiretta.
Misure
I dispositivi destinati alla misurazione devono avere caratteristiche normalizzate, e inoltre conservare per un certo tempo o riprodurre l'unità del valore a cui sono destinati.
I mezzi per misurare le grandezze elettriche sono suddivisi in diverse categorie a seconda dello scopo:
- Misure. Questi strumenti servono a riprodurre il valore di alcuni datisize - come, ad esempio, un resistore che riproduce una certa resistenza con un errore noto.
- Trasduttori di misura che formano un segnale in una forma conveniente per la memorizzazione, la conversione, la trasmissione. Informazioni di questo tipo non sono disponibili per la percezione diretta.
- Dispositivi di misura elettrici. Questi strumenti sono progettati per presentare le informazioni in una forma accessibile all'osservatore. Possono essere portatili o fissi, analogici o digitali, di registrazione o di segnalazione.
- Gli impianti di misurazione elettrica sono complessi degli strumenti di cui sopra e dispositivi aggiuntivi, concentrati in un unico luogo. Le unità consentono misurazioni più complesse (ad esempio, caratteristiche magnetiche o resistività), servono come dispositivi di verifica o di riferimento.
- I sistemi di misurazione elettrici sono anche una combinazione di vari mezzi. Tuttavia, a differenza delle installazioni, i dispositivi per la misurazione delle grandezze elettriche e altri mezzi nel sistema sono dispersi. Con l'aiuto dei sistemi, è possibile misurare diverse grandezze, memorizzare, elaborare e trasmettere segnali di informazioni di misurazione.
Se è necessario risolvere uno specifico problema di misurazione complesso, si formano complessi di misurazione e calcolo che combinano una serie di dispositivi e apparecchiature informatiche elettroniche.
Caratteristiche degli strumenti di misura
I dispositivi di misurazione hanno determinate proprietà importantiper svolgere le loro funzioni dirette. Questi includono:
- Caratteristiche metrologiche, come sensibilità e relativa soglia, campo di misura di una grandezza elettrica, errore dello strumento, valore di divisione, velocità, ecc.
- Caratteristiche dinamiche, come ampiezza (dipendenza dell'ampiezza del segnale di uscita del dispositivo dall'ampiezza in ingresso) o fase (dipendenza dello sfasamento dalla frequenza del segnale).
- Caratteristiche prestazionali che riflettono la misura in cui lo strumento soddisfa i requisiti di funzionamento in determinate condizioni. Questi includono proprietà come l'affidabilità delle indicazioni, l'affidabilità (operabilità, durata e funzionamento senza guasti del dispositivo), manutenibilità, sicurezza elettrica, economia.
L'insieme delle caratteristiche dell'apparecchiatura è stabilito dai documenti normativi e tecnici pertinenti per ciascun tipo di dispositivo.
Metodi applicati
La misura delle grandezze elettriche viene effettuata con vari metodi, classificabili anche secondo i seguenti criteri:
- Tipo di fenomeno fisico in base al quale viene effettuata la misurazione (fenomeni elettrici o magnetici).
- La natura dell'interazione dello strumento di misura con l'oggetto. A seconda di ciò, si distinguono metodi di contatto e senza contatto per misurare le grandezze elettriche.
- Modalità di misurazione. Secondo esso, le misurazioni sono dinamiche e statiche.
- Metodo di misurazione. Sviluppato come metodi di stima diretta quando la quantità cercatadeterminato direttamente dal dispositivo (ad esempio un amperometro) e metodi più accurati (zero, differenziale, opposizione, sostituzione), in cui viene rilevato per confronto con un valore noto. Compensatori e ponti di misurazione elettrici di corrente continua e alternata servono come dispositivi di confronto.
Strumenti di misura elettrici: tipologie e caratteristiche
La misurazione delle grandezze elettriche di base richiede un'ampia varietà di strumenti. A seconda del principio fisico alla base del loro lavoro, sono tutti divisi nei seguenti gruppi:
- I dispositivi elettromeccanici devono avere una parte mobile nella loro progettazione. Questo ampio gruppo di strumenti di misura comprende dispositivi elettrodinamici, ferrodinamici, magnetoelettrici, elettromagnetici, elettrostatici, a induzione. Ad esempio, il principio magnetoelettrico, ampiamente utilizzato, può essere utilizzato come base per dispositivi come voltmetri, amperometri, ohmmetri, galvanometri. I contatori di elettricità, i frequenzimetri, ecc. si basano sul principio dell'induzione.
- I dispositivi elettronici si distinguono per la presenza di blocchi aggiuntivi: convertitori di grandezze fisiche, amplificatori, convertitori, ecc. Di norma, in dispositivi di questo tipo, il valore misurato viene convertito in tensione e un voltmetro funge da la loro base strutturale. Gli strumenti di misura elettronici sono usati come frequenzimetri, capacità, resistenze, induttanze, oscilloscopi.
- Termoelettricoi dispositivi combinano nella loro progettazione un dispositivo di misura di tipo magnetoelettrico e un convertitore termico formato da una termocoppia e un riscaldatore attraverso il quale scorre la corrente misurata. Strumenti di questo tipo vengono utilizzati principalmente per misurare le correnti ad alta frequenza.
- Elettrochimico. Il principio del loro funzionamento si basa sui processi che si verificano sugli elettrodi o nel mezzo in studio nello spazio interelettrodico. Strumenti di questo tipo vengono utilizzati per misurare la conducibilità elettrica, la quantità di elettricità e alcune grandezze non elettriche.
In base alle caratteristiche funzionali si distinguono le seguenti tipologie di strumenti per la misura di grandezze elettriche:
- Indicazione (segnalazione) - questi sono dispositivi che consentono solo la lettura diretta delle informazioni di misurazione, come wattmetri o amperometri.
- Registrazione - dispositivi che consentono la possibilità di registrare letture, ad esempio oscilloscopi elettronici.
A seconda del tipo di segnale, i dispositivi si dividono in analogici e digitali. Se il dispositivo genera un segnale che è una funzione continua del valore misurato, è analogico, ad esempio un voltmetro, le cui letture sono fornite utilizzando una scala con una freccia. Nel caso in cui nel dispositivo venga generato automaticamente un segnale sotto forma di un flusso di valori discreti che entra nel display in forma numerica, si parla di uno strumento di misura digitale.
Gli strumenti digitali presentano alcuni svantaggi rispetto a quelli analogici: minore affidabilità,necessità di alimentazione, costo più elevato. Tuttavia, si distinguono anche per vantaggi significativi che generalmente rendono più preferibile l'uso di dispositivi digitali: facilità d'uso, elevata precisione e immunità ai disturbi, possibilità di universalizzazione, combinazione con un computer e trasmissione remota del segnale senza perdita di precisione.
Inesattezze e accuratezza degli strumenti
La caratteristica più importante di uno strumento di misura elettrico è la classe di precisione. La misura di grandezze elettriche, come tutte le altre, non può essere effettuata senza tener conto degli errori del dispositivo tecnico, nonché di ulteriori fattori (coefficienti) che influiscono sull'accuratezza della misura. I valori limite degli errori dati ammessi per questo tipo di dispositivo sono detti normalizzati e sono espressi in percentuale. Determinano la classe di precisione di un particolare dispositivo.
Le classi standard utilizzate per contrassegnare le scale degli strumenti di misura sono le seguenti: 4, 0; 2, 5; quindici; dieci; 0,5; 0,2; 0,1; 0.05 In base ad essi, viene stabilita una divisione in base allo scopo: i dispositivi appartenenti alle classi da 0.05 a 0.2 sono esemplari, le classi 0.5 e 1.0 hanno dispositivi di laboratorio e, infine, i dispositivi delle classi 1, 5–4, 0 sono tecnici.
Nella scelta di un misuratore, è necessario che corrisponda alla classe del problema da risolvere, mentre il limite superiore di misura dovrebbe essere il più vicino possibile al valore numerico del valore desiderato. Cioè, maggiore è la deviazione del puntatore dello strumento, minore sarà l'errore relativo della misurazione. Se sono disponibili solo strumenti di bassa classe, dovrebbe essere selezionato quello con il campo operativo più piccolo. Utilizzando questi metodi, le misurazioni delle grandezze elettriche possono essere eseguite in modo abbastanza accurato. In questo caso, è necessario tenere conto anche del tipo di scala del dispositivo (uniforme o irregolare, come le scale ohmmetriche).
Quantità elettriche di base e loro unità
Molto spesso, le misurazioni elettriche sono associate al seguente insieme di grandezze:
- Intensità della corrente (o semplicemente corrente) I. Questo valore indica la quantità di carica elettrica che passa attraverso la sezione del conduttore in 1 secondo. La misurazione dell'intensità della corrente elettrica viene effettuata in ampere (A) utilizzando amperometri, avometri (tester, i cosiddetti "tseshek"), multimetri digitali, trasformatori di strumenti.
- Quantità elettricità (carica) q. Questo valore determina fino a che punto un particolare corpo fisico può essere una sorgente di un campo elettromagnetico. La carica elettrica è misurata in coulomb (C). 1 C (ampere-secondo)=1 LA ∙ 1 s. Gli strumenti di misura sono elettrometri o misuratori di carica elettronici (metri coulomb).
- Tensione U. Esprime la differenza di potenziale (energia di carica) che esiste tra due diversi punti del campo elettrico. Per una data grandezza elettrica, l'unità di misura è il volt (V). Se per spostare una carica di 1 coulomb da un punto all' altro, il campo lavora di 1 joule (cioè viene spesa l'energia corrispondente), allorala differenza di potenziale - tensione - tra questi punti è di 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. La misura della tensione elettrica viene effettuata mediante voltmetri, multimetri digitali o analogici (tester).
- Resistenza R. Caratterizza la capacità di un conduttore di impedire il passaggio di corrente elettrica attraverso di esso. L'unità di resistenza è ohm. 1 ohm è la resistenza di un conduttore con una tensione di 1 volt alle estremità ad una corrente di 1 ampere: 1 ohm=1 V / 1 A. La resistenza è direttamente proporzionale alla sezione trasversale e alla lunghezza del conduttore. Ohmetri, avometri, multimetri sono usati per misurarlo.
- Conducibilità elettrica (conducibilità) G è il reciproco della resistenza. Misurato in Siemens (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- La capacità C è una misura della capacità di un conduttore di immagazzinare carica, anche una delle grandezze elettriche di base. La sua unità di misura è il farad (F). Per un condensatore, questo valore è definito come la capacità reciproca delle piastre ed è uguale al rapporto tra la carica accumulata e la differenza di potenziale sulle piastre. La capacità di un condensatore piatto aumenta con un aumento dell'area delle piastre e con una diminuzione della distanza tra loro. Se, con una carica di 1 ciondolo, viene creata una tensione di 1 volt sulle piastre, la capacità di un tale condensatore sarà uguale a 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. La misurazione viene eseguita utilizzando strumenti speciali - misuratori di capacità o multimetri digitali.
- La potenza P è un valore che riflette la velocità con cui viene effettuato il trasferimento (conversione) dell'energia elettrica. Come unità di sistema di potenza adottatawatt (W; 1 W=1J/s). Questo valore può essere espresso anche in termini del prodotto di tensione e intensità di corrente: 1 W=1 V ∙ 1 A. Per i circuiti CA, potenza attiva (consumata) Pa, reattiva P ra (non partecipa al funzionamento della corrente) e piena potenza P. Durante la misurazione, vengono utilizzate le seguenti unità: watt, var (sta per "volt-ampere reattivo") e, di conseguenza, volt-ampere V ∙ BUT. Le loro dimensioni sono le stesse e servono a distinguere tra le quantità indicate. Strumenti per misurare la potenza - wattmetri analogici o digitali. Le misurazioni indirette (ad esempio, utilizzando un amperometro) non sono sempre applicabili. Per determinare una grandezza così importante come il fattore di potenza (espresso in termini di angolo di sfasamento), vengono utilizzati dispositivi chiamati misuratori di fase.
- Frequenza f. Questa è una caratteristica di una corrente alternata, che mostra il numero di cicli di cambiamento nella sua intensità e direzione (nel caso generale) in un periodo di 1 secondo. L'unità di frequenza è il secondo reciproco, o hertz (Hz): 1 Hz=1 s-1. Questo valore viene misurato per mezzo di un'ampia classe di strumenti chiamati frequenzimetri.
Quantità magnetiche
Il magnetismo è strettamente correlato all'elettricità, poiché entrambi sono manifestazioni di un unico processo fisico fondamentale: l'elettromagnetismo. Pertanto, una connessione altrettanto stretta è caratteristica dei metodi e dei mezzi per misurare le grandezze elettriche e magnetiche. Ma ci sono anche sfumature. Di norma, nel determinare quest'ultimo, praticamenteviene effettuata una misurazione elettrica. Il valore magnetico si ottiene indirettamente dal rapporto funzionale che lo collega a quello elettrico.
I valori di riferimento in quest'area di misurazione sono l'induzione magnetica, l'intensità del campo e il flusso magnetico. Possono essere convertiti utilizzando la bobina di misurazione del dispositivo in EMF, che viene misurato, dopodiché vengono calcolati i valori richiesti.
- Il flusso magnetico viene misurato utilizzando strumenti quali webermetri (fotovoltaici, magnetoelettrici, elettronici analogici e digitali) e galvanometri balistici ad alta sensibilità.
- L'induzione e l'intensità del campo magnetico vengono misurate utilizzando teslametri dotati di vari tipi di trasduttori.
La misura di grandezze elettriche e magnetiche, che sono direttamente correlate, permette di risolvere molti problemi scientifici e tecnici, ad esempio lo studio del nucleo atomico e del campo magnetico del Sole, della Terra e dei pianeti, lo studio del proprietà magnetiche di vari materiali, controllo qualità e altro.
Quantità non elettriche
La convenienza dei metodi elettrici permette di estenderli con successo a misurazioni di varie grandezze fisiche di natura non elettrica, come temperatura, dimensioni (lineari e angolari), deformazione e molte altre, oltre a per studiare i processi chimici e la composizione delle sostanze.
Gli strumenti per la misura elettrica di grandezze non elettriche sono solitamente un complesso di un sensore - un convertitore in qualsiasi parametro del circuito (tensione,resistenza) e misuratore elettrico. Esistono molti tipi di trasduttori, grazie ai quali è possibile misurare una varietà di grandezze. Ecco solo alcuni esempi:
- Sensori reostatici. In tali trasduttori, quando il valore misurato è esposto (ad esempio, quando il livello del liquido o il suo volume cambia), il cursore del reostato si sposta, modificando così la resistenza.
- Termistori. La resistenza del sensore in dispositivi di questo tipo cambia sotto l'influenza della temperatura. Utilizzato per misurare la portata del gas, la temperatura, per determinare la composizione delle miscele di gas.
- Le resistenze di deformazione consentono misurazioni della deformazione del filo.
- Fotosensori che convertono un cambiamento di illuminazione, temperatura o movimento in una fotocorrente poi misurata.
- Trasduttori capacitivi utilizzati come sensori per chimica dell'aria, spostamento, umidità, pressione.
- I trasduttori piezoelettrici funzionano in base al principio della presenza di campi elettromagnetici in alcuni materiali cristallini quando applicati meccanicamente.
- I sensori induttivi si basano sulla conversione di grandezze come velocità o accelerazione in una fem indotta.
Sviluppo di strumenti e metodi di misura elettrici
Un'ampia varietà di mezzi per misurare le grandezze elettriche è dovuta a molti diversi fenomeni in cui questi parametri giocano un ruolo significativo. I processi e i fenomeni elettrici hanno una gamma estremamente ampia di usitutti i settori: è impossibile indicare una tale area dell'attività umana in cui non troverebbero applicazione. Ciò determina la gamma sempre più ampia di problemi delle misurazioni elettriche di grandezze fisiche. La varietà e il miglioramento dei mezzi e dei metodi per risolvere questi problemi è in continua crescita. Sviluppa in modo particolarmente rapido e con successo una tale direzione della tecnologia di misurazione come la misurazione di grandezze non elettriche con metodi elettrici.
La moderna tecnologia di misurazione elettrica si sta sviluppando nella direzione di aumentare la precisione, l'immunità ai disturbi e la velocità, nonché aumentare l'automazione del processo di misurazione e l'elaborazione dei suoi risultati. Gli strumenti di misura sono passati dai più semplici dispositivi elettromeccanici ai dispositivi elettronici e digitali, fino ai più recenti sistemi di misurazione e calcolo che utilizzano la tecnologia a microprocessore. Allo stesso tempo, l'incremento del ruolo della componente software dei dispositivi di misura è, ovviamente, il principale trend di sviluppo.
