Ғылым мен техниканың қажеттіліктері көптеген өлшемдерді қамтиды, олардың құралдары мен әдістері үнемі дамып, жетілдіріліп отырады. Бұл саладағы ең маңызды рөл әртүрлі салаларда кеңінен қолданылатын электрлік шамаларды өлшеуге жатады.
Өлшемдер түсінігі
Кез келген физикалық шаманы өлшеу оны өлшем бірлігі ретінде алынған бір тектес құбылыстардың кейбір шамаларымен салыстыру арқылы жүргізіледі. Салыстыру нәтижесінде алынған нәтиже сәйкес бірліктерде сандық түрде берілген.
Бұл операция арнайы өлшеу құралдарының – белгілі бір параметрлері өлшенетін объектпен әрекеттесетін техникалық құрылғылардың көмегімен жүзеге асырылады. Бұл жағдайда белгілі бір әдістер қолданылады - өлшенген мән өлшем бірлігімен салыстырылатын әдістер.
Электр шамаларының өлшемдерін түрі бойынша жіктеуге негіз болатын бірнеше белгілер бар:
- Саныөлшеу актілері. Мұнда олардың бір реттік немесе көп болуы маңызды.
- Дәлдік дәрежесі. Техникалық, бақылау және тексеру, ең дәл өлшемдер, сондай-ақ тең және тең емес өлшемдер бар.
- Өлшенетін мәннің уақыт бойынша өзгеру сипаты. Бұл критерий бойынша өлшемдер статикалық және динамикалық болып табылады. Динамикалық өлшемдер арқылы уақыт бойынша өзгеретін шамалардың лездік мәндері, ал статикалық өлшемдер - кейбір тұрақты мәндер алынады.
- Нәтижені көрсету. Электр шамаларының өлшемдері салыстырмалы немесе абсолютті түрде көрсетілуі мүмкін.
- Қалаған нәтижеге жету жолы. Бұл белгі бойынша өлшемдер тікелей (нәтиже тікелей алынатын) және жанама болып бөлінеді, оларда қандай да бір функционалдық тәуелділік арқылы қажетті шамаға байланысты шамалар тікелей өлшенеді. Соңғы жағдайда алынған нәтижелер бойынша қажетті физикалық шама есептеледі. Сонымен, токты амперметрмен өлшеу тікелей өлшеудің мысалы болып табылады, ал қуат жанама болып табылады.
Өлшемдер
Өлшеуге арналған құрылғылар қалыпты сипаттамаларға ие болуы керек, сонымен қатар белгілі бір уақыт бойы сақталуы немесе олар арналған мән бірлігін қайта шығаруы керек.
Электрлік шамаларды өлшеуге арналған құралдар мақсатына қарай бірнеше санатқа бөлінеді:
- Шаралар. Бұл құралдар кейбір берілгендердің құндылығын жаңғыртуға қызмет етедіөлшем - мысалы, белгілі қателікпен белгілі бір кедергіні шығаратын резистор сияқты.
- Сақтауға, түрлендіруге, беруге ыңғайлы пішінде сигнал құрайтын өлшеу түрлендіргіштері. Мұндай ақпарат тікелей қабылдау үшін қолжетімді емес.
- Электрлік өлшеу құралдары. Бұл құралдар ақпаратты бақылаушыға қолжетімді пішінде ұсынуға арналған. Олар портативті немесе стационарлық, аналогтық немесе цифрлық, жазу немесе сигнал беру болуы мүмкін.
- Электрөлшеу қондырғылары – бұл жоғарыда аталған құралдар мен қосымша құрылғылардың бір жерде шоғырланған кешендері. Бірліктер күрделірек өлшемдерге (мысалы, магниттік сипаттамалар немесе кедергілер) мүмкіндік береді, тексеру немесе анықтамалық құрылғылар ретінде қызмет етеді.
- Электрлік өлшеу жүйелері де әртүрлі құралдардың жиынтығы болып табылады. Дегенмен, қондырғылардан айырмашылығы, жүйедегі электрлік шамаларды және басқа құралдарды өлшеуге арналған құрылғылар дисперсті. Жүйелердің көмегімен бірнеше шамаларды өлшеуге, өлшем ақпарат сигналдарын сақтауға, өңдеуге және жіберуге болады.
Егер белгілі бір күрделі өлшеу мәселесін шешу қажет болса, бірқатар құрылғылар мен электрондық есептеуіш техниканы біріктіретін өлшеу-есептеу кешендері құрылады.
Өлшеу құралдарының сипаттамалары
Өлшеу жабдығы құрылғыларының белгілі бір маңызды қасиеттері баролардың тікелей функцияларын орындау. Оларға мыналар жатады:
- Метрологиялық сипаттамалар, мысалы, сезімталдық және оның шегі, электр шамасының өлшеу диапазоны, аспап қатесі, бөлу мәні, жылдамдық, т.б.
- Динамикалық сипаттамалар, мысалы, амплитуда (құрылғының шығыс сигналының амплитудасының кірістегі амплитудаға тәуелділігі) немесе фаза (фазалық ығысудың сигнал жиілігіне тәуелділігі).
- Құралдың белгілі бір жағдайларда жұмыс істеу талаптарына қаншалықты сәйкес келетінін көрсететін өнімділік сипаттамалары. Оларға көрсеткіштердің сенімділігі, сенімділік (құрылғының жұмыс қабілеттілігі, беріктігі және ақаусыз жұмысы), техникалық қызмет көрсету, электр қауіпсіздігі, үнемділік сияқты қасиеттер жатады.
Жабдық сипаттамаларының жиынтығы құрылғының әрбір түрі үшін тиісті нормативтік-техникалық құжаттармен белгіленеді.
Қолданылатын әдістер
Электрлік шамаларды өлшеу әртүрлі әдістермен жүзеге асырылады, оларды келесі критерийлер бойынша да жіктеуге болады:
- Өлшеу жүргізілетін физикалық құбылыстардың түрі (электрлік немесе магниттік құбылыстар).
- Өлшеу құралының объектімен әрекеттесу сипаты. Осыған байланысты электрлік шамаларды өлшеудің контактілі және байланыссыз әдістері бөлінеді.
- Өлшеу режимі. Оған сәйкес өлшемдер динамикалық және статикалық.
- Өлшеу әдісі. Ізденген шаманы тікелей бағалау әдістері ретінде әзірленгенқұрылғымен тікелей анықталады (мысалы, амперметр) және дәлірек әдістер (нөлдік, дифференциал, қарсылық, ауыстыру), онда ол белгілі мәнмен салыстыру арқылы анықталады. Тұрақты және айнымалы токтың компенсаторлары мен электрлік өлшеуіш көпірлері салыстыру құрылғылары ретінде қызмет етеді.
Электрлік өлшеу құралдары: түрлері мен мүмкіндіктері
Негізгі электр шамаларын өлшеу көптеген құралдарды қажет етеді. Жұмысының негізінде жатқан физикалық принципке байланысты олардың барлығы келесі топтарға бөлінеді:
- Электромеханикалық құрылғылардың конструкциясында қозғалатын бөлігі болуы керек. Өлшеу аспаптарының бұл үлкен тобына электродинамикалық, ферродинамикалық, магнитоэлектрлік, электромагниттік, электростатикалық, индукциялық аспаптар жатады. Мысалы, өте кең қолданылатын магнитоэлектрлік принцип вольтметрлер, амперметрлер, омметрлер, гальванометрлер сияқты құрылғылардың негізі ретінде пайдаланылуы мүмкін. Электр есептегіштері, жиілік есептегіштері және т.б. индукциялық принципке негізделген.
- Электрондық құрылғылар қосымша блоктардың болуымен ерекшеленеді: физикалық шамаларды түрлендіргіштер, күшейткіштер, түрлендіргіштер және т.б. Әдетте, осы типтегі құрылғыларда өлшенетін шама кернеуге айналады, ал вольтметр қызмет етеді. олардың құрылымдық негізі. Электрондық өлшеу құралдары жиілік, сыйымдылық, кедергі, индуктивті өлшеуіштер, осциллографтар ретінде пайдаланылады.
- Термоэлектрлікқұрылғылар өз конструкциясында магнитоэлектрлік типті өлшеу құрылғысын және өлшенетін ток өтетін термопара мен қыздырғыштан жасалған термиялық түрлендіргішті біріктіреді. Бұл түрдегі аспаптар негізінен жоғары жиілікті токтарды өлшеу үшін қолданылады.
- Электрохимиялық. Олардың жұмыс істеу принципі электродтарда немесе электродаралық кеңістікте зерттелетін ортада болатын процестерге негізделген. Бұл түрдегі аспаптар электр өткізгіштігін, электр мөлшері мен кейбір электрлік емес шамаларды өлшеу үшін қолданылады.
Функционалдық ерекшеліктері бойынша электрлік шамаларды өлшеуге арналған аспаптардың келесі түрлері бөлінеді:
- Индикатор (сигнал беру) - бұл ваттметрлер немесе амперметрлер сияқты өлшеу ақпаратын тікелей оқуға мүмкіндік беретін құрылғылар.
- Жазу - көрсеткіштерді жазу мүмкіндігін беретін құрылғылар, мысалы, электронды осциллографтар.
Сигнал түріне қарай құрылғылар аналогтық және цифрлық болып бөлінеді. Егер құрылғы өлшенетін шаманың үздіксіз функциясы болып табылатын сигналды тудырса, ол аналогты болып табылады, мысалы, вольтметр, оның көрсеткіштері көрсеткі бар шкала арқылы беріледі. Құрылғыда дисплейге сандық түрде түсетін дискретті мәндер ағыны түріндегі сигнал автоматты түрде жасалған жағдайда, сандық өлшеу құралы туралы айтылады.
Сандық құралдардың аналогтармен салыстырғанда кейбір кемшіліктері бар: сенімділігі төмен,электрмен жабдықтау қажеттілігі, жоғары баға. Дегенмен, олар сандық құрылғыларды жалпы пайдалануды тиімдірек ететін маңызды артықшылықтармен де ерекшеленеді: пайдаланудың қарапайымдылығы, жоғары дәлдік пен шуға төзімділігі, әмбебаптандыру мүмкіндігі, компьютермен үйлесуі және сигналдың дәлдігін жоғалтпай қашықтан берілуі.
Құралдардың дәлсіздігі мен дәлдігі
Электрлік өлшеу құралының ең маңызды сипаттамасы – дәлдік класы. Электр шамаларын өлшеу, кез келген басқа сияқты, техникалық құрылғының қателерін, сондай-ақ өлшеу дәлдігіне әсер ететін қосымша факторларды (коэффициенттерді) есепке алмай жүзеге асырылмайды. Құрылғының осы түрі үшін рұқсат етілген қателердің шекті мәндері нормаланған деп аталады және пайызбен көрсетіледі. Олар белгілі бір құрылғының дәлдік класын анықтайды.
Өлшеу құралдарының шкалаларын белгілеу үшін қолданылатын стандартты класстар келесідей: 4, 0; 2, 5; он бес; он; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05. Оларға сәйкес тағайындалуы бойынша бөлу белгіленеді: 0,05-тен 0,2-ге дейінгі сыныптарға жататын құрылғылар үлгілі, 0,5 және 1,0 сыныптарға зертханалық құрылғылар, ең соңында 1, 5-4, 0 кластардағы құрылғылар техникалық болып табылады..
Өлшеу құралын таңдаған кезде оның шешілетін мәселенің класына сәйкес келуі қажет, ал жоғарғы өлшем шегі қажетті мәннің сандық мәніне барынша жақын болуы керек. Яғни, құрал көрсеткішінің ауытқуына неғұрлым көп қол жеткізуге болады, өлшеудің салыстырмалы қателігі соғұрлым аз болады. Төмен класты құралдар ғана қол жетімді болса, ең аз жұмыс диапазоны барын таңдау керек. Осы әдістерді қолдана отырып, электрлік шамаларды өлшеуді өте дәл жүргізуге болады. Бұл жағдайда құрылғының шкаласының түрін де ескеру қажет (біркелкі немесе біркелкі емес, мысалы, омметр таразылары).
Негізгі электр шамалар және олардың бірліктері
Көбінесе электрлік өлшемдер келесі шамалар жинағымен байланысты:
- Ток күші (немесе жай ток) I. Бұл мән 1 секундта өткізгіш бөлігінен өтетін электр зарядының мөлшерін көрсетеді. Электр тогының шамасын өлшеу амперметрлермен (А) амперметрлермен, авометрлермен («цешек» деп аталатын тестерлер), цифрлық мультиметрлермен, аспаптық трансформаторлармен жүзеге асырылады.
- Электр энергиясының мөлшері (заряд) q. Бұл мән белгілі бір физикалық дененің қандай дәрежеде электромагниттік өрістің көзі бола алатындығын анықтайды. Электр заряды кулонмен (С) өлшенеді. 1 С (ампер-секунд)=1 А ∙ 1 с. Өлшеу құралдары электрометрлер немесе электронды заряд өлшегіштер (кулондық метрлер) болып табылады.
- Кернеу U. Электр өрісінің екі түрлі нүктесі арасында болатын потенциалдар айырмасын (заряд энергиясы) көрсетеді. Берілген электрлік шама үшін өлшем бірлігі вольт (V) болып табылады. Егер 1 кулондық зарядты бір нүктеден екінші нүктеге жылжыту үшін өріс 1 джоуль жұмыс істесе (яғни, сәйкес энергия жұмсалады), ондапотенциалдар айырмасы - кернеу - бұл нүктелер арасындағы 1 вольт: 1 В \u003d 1 Дж / 1 С. Электр кернеуін өлшеу вольтметрлер, сандық немесе аналогтық (тесуші) мультиметрлер арқылы жүзеге асырылады.
- Кедергі R. Өткізгіштің ол арқылы электр тогының өтуіне жол бермеу қабілетін сипаттайды. Кедергі бірлігі Ом. 1 Ом - ұштарында 1 вольт кернеуі бар өткізгіштің 1 ампер ток күшіне кедергісі: 1 Ом=1 В / 1 А. Кедергі өткізгіштің көлденең қимасы мен ұзындығына тура пропорционал. Оны өлшеу үшін омметрлер, авометрлер, мультиметрлер қолданылады.
- Электрөткізгіштік (өткізгіштік) G – кедергінің кері шамасы. Siemens (см): 1 см=1 Ом-1.
- Сыйымдылық C – өткізгіштің зарядты сақтау қабілетінің өлшемі, сонымен қатар негізгі электрлік шамалардың бірі. Оның өлшем бірлігі - фарад (F). Конденсатор үшін бұл мән пластиналардың өзара сыйымдылығы ретінде анықталады және жинақталған зарядтың пластиналардағы потенциалдар айырмасына қатынасына тең. Тегіс конденсатордың сыйымдылығы пластиналардың ауданы ұлғайған сайын және олардың арасындағы қашықтық азайған сайын артады. Егер 1 кулон зарядымен пластиналарда 1 вольт кернеу жасалса, онда мұндай конденсатордың сыйымдылығы 1 фарадқа тең болады: 1 F \u003d 1 C / 1 В. Өлшеу көмегімен жүзеге асырылады арнайы құралдар - сыйымдылықты өлшегіштер немесе сандық мультиметрлер.
- Power P – электр энергиясын беру (түрлендіру) жылдамдығын көрсететін шама. Жүйелік қуат бірлігі ретінде қабылданғанватт (Вт; 1 Вт=1Дж/с). Бұл мәнді кернеу мен ток күшінің көбейтіндісі арқылы да көрсетуге болады: 1 Вт=1 В ∙ 1 А. Айнымалы ток тізбектері үшін белсенді (тұтынылатын) қуат Pa, реактивті P ra (тоқтың жұмысына қатыспайды) және толық қуат P. Өлшеу кезінде олар үшін келесі бірліктер қолданылады: ватт, var («вольт-ампер реактивті» дегенді білдіреді)) және сәйкесінше вольт-ампер V ∙ БІРАҚ. Олардың өлшемдері бірдей және олар көрсетілген шамаларды ажыратуға қызмет етеді. Қуатты өлшеуге арналған аспаптар – аналогтық немесе сандық ваттметрлер. Жанама өлшемдер (мысалы, амперметрді пайдалану) әрқашан қолданыла бермейді. Қуат коэффициенті сияқты маңызды шаманы анықтау үшін (фазалық ауысу бұрышы арқылы көрсетіледі) фазалық өлшеуіштер деп аталатын құрылғылар пайдаланылады.
- Жиілік f. Бұл айнымалы токтың сипаттамасы, 1 секунд ішінде оның шамасының және бағытының (жалпы жағдайда) өзгеру циклдерінің санын көрсетеді. Жиілік бірлігі – кері секунд немесе герц (Гц): 1 Гц=1 с-1. Бұл мән жиілік өлшегіштер деп аталатын құралдардың кең класы арқылы өлшенеді.
Магниттік шамалар
Магнитизм электрмен тығыз байланысты, өйткені екеуі де біртұтас іргелі физикалық процестің – электромагнетизмнің көрінісі. Демек, бірдей тығыз байланыс электрлік және магниттік шамаларды өлшеу әдістері мен құралдарына тән. Бірақ нюанстар да бар. Әдетте, соңғысын анықтаған кезде, іс жүзіндеэлектрлік өлшем жүргізіледі. Магниттік шама оны электрлікпен байланыстыратын функционалдық қатынастан жанама түрде алынады.
Бұл өлшеу аймағындағы анықтамалық мәндер магниттік индукция, өріс күші және магнит ағыны болып табылады. Оларды құрылғының өлшеу орамы арқылы өлшенетін ЭҚК-ге түрлендіруге болады, содан кейін қажетті мәндер есептеледі.
- Магнит ағыны веберметрлер (фотоэлектрлік, магнитоэлектрлік, аналогтық электронды және цифрлық) және жоғары сезімтал баллистикалық гальванометрлер сияқты құралдар арқылы өлшенеді.
- Индукция және магнит өрісінің күші әртүрлі түрлендіргіштермен жабдықталған тесламетрлер арқылы өлшенеді.
Тікелей байланысты электрлік және магниттік шамаларды өлшеу көптеген ғылыми-техникалық мәселелерді шешуге мүмкіндік береді, мысалы, атом ядросы мен Күннің, Жердің және планеталардың магнит өрісін зерттеу, әртүрлі материалдардың магниттік қасиеттері, сапаны бақылау және т.б.
Электрлік емес шамалар
Электрлік әдістердің ыңғайлылығы оларды температура, өлшемдер (сызықтық және бұрыштық), деформация және тағы басқалар сияқты электрлік емес сипаттағы әртүрлі физикалық шамаларды өлшеуге сәтті кеңейтуге мүмкіндік береді. химиялық процестер мен заттардың құрамын зерттеу.
Электрлік емес шамаларды электрлік өлшеуге арналған аспаптар әдетте датчиктер кешені – контурдың кез келген параметріне түрлендіргіш (кернеу,кедергі) және электрлік өлшеуіш аспап. Түрлендіргіштердің көптеген түрлері бар, олардың арқасында әртүрлі шамаларды өлшеуге болады. Міне бірнеше мысал:
- Реостатикалық сенсорлар. Мұндай түрлендіргіштерде өлшенетін мән ашылғанда (мысалы, сұйықтық деңгейі немесе оның көлемі өзгергенде) реостат сырғытпасы қозғалады, осылайша кедергіні өзгертеді.
- Термисторлар. Осы типтегі құрылғылардағы сенсордың кедергісі температураның әсерінен өзгереді. Газ шығынын, температураны өлшеу, газ қоспаларының құрамын анықтау үшін қолданылады.
- Терзу кедергілері сымның кернеуін өлшеуге мүмкіндік береді.
- Жарықтандырудың, температураның немесе қозғалыстың өзгеруін кейін өлшенетін фототокқа түрлендіретін фотосенсорлар.
- Сыйымдылықты түрлендіргіштер ауа химиясы, орын ауыстыру, ылғалдылық, қысым үшін сенсорлар ретінде пайдаланылады.
- Пьезоэлектрлік түрлендіргіштер оларға механикалық әсер еткенде кейбір кристалдық материалдарда ЭҚК пайда болу принципі бойынша жұмыс істейді.
- Индуктивті сенсорлар жылдамдық немесе үдеу сияқты шамаларды индукцияланған эмк-ке түрлендіруге негізделген.
Электрлік өлшеу құралдары мен әдістерін әзірлеу
Электрлік шамаларды өлшеуге арналған құралдардың алуан түрлілігі осы параметрлер маңызды рөл атқаратын көптеген әртүрлі құбылыстарға байланысты. Электрлік процестер мен құбылыстардың қолдану аясы өте кеңбарлық салалар - олар қолдануды таба алмайтын адам қызметінің мұндай саласын көрсету мүмкін емес. Бұл физикалық шамаларды электрлік өлшеу есептерінің үнемі кеңею ауқымын анықтайды. Осы мәселелерді шешудің құралдары мен әдістерінің алуан түрлілігі мен жетілдірілуі үнемі өсіп келеді. Өлшеу технологиясының электрлік емес шамаларды электрлік әдістермен өлшеу сияқты бағыты ерекше жылдам және сәтті дамып келеді.
Қазіргі заманғы электрлік өлшеу технологиясы дәлдікті, шуға төзімділікті және жылдамдықты арттыру, сонымен қатар өлшеу процесін автоматтандыруды және оның нәтижелерін өңдеуді арттыру бағытында дамып келеді. Өлшеу құралдары қарапайым электромеханикалық құрылғылардан электронды және цифрлық құрылғыларға, одан әрі микропроцессорлық технологияны қолданатын ең соңғы өлшеу және есептеу жүйелеріне өтті. Сонымен қатар, өлшеу құрылғыларының бағдарламалық құрамдас бөлігі рөлінің артуы, әрине, дамудың негізгі тенденциясы болып табылады.
