نیازهای علم و فناوری شامل اندازه گیری های زیادی است که ابزار و روش های آن به طور مداوم در حال توسعه و بهبود است. مهمترین نقش در این زمینه مربوط به اندازه گیری کمیت های الکتریکی است که در صنایع مختلف کاربرد فراوانی دارد.
مفهوم اندازه گیری
اندازه گیری هر کمیت فیزیکی با مقایسه آن با مقداری از همان نوع پدیده ها که به عنوان واحد اندازه گیری در نظر گرفته می شود، انجام می شود. نتیجه به دست آمده از مقایسه به صورت عددی در واحدهای مناسب ارائه می شود.
این عملیات با کمک ابزارهای اندازه گیری ویژه انجام می شود - دستگاه های فنی که با جسم تعامل دارند و پارامترهای خاصی باید اندازه گیری شوند. در این مورد، از روش‌های خاصی استفاده می‌شود - تکنیک‌هایی که به وسیله آن مقدار اندازه‌گیری شده با واحد اندازه‌گیری مقایسه می‌شود.
چندین نشانه وجود دارد که به عنوان مبنایی برای طبقه بندی اندازه گیری کمیت های الکتریکی بر اساس نوع عمل می کند:
- مقداراقدامات اندازه گیری در اینجا یکباره یا کثرت آنها ضروری است.
- درجه دقت. اندازه گیری های فنی، کنترل و تأیید، دقیق ترین اندازه گیری ها و همچنین اندازه گیری های مساوی و نابرابر وجود دارد.
- ماهیت تغییر در مقدار اندازه گیری شده در طول زمان. با توجه به این معیار، اندازه گیری ها ایستا و پویا هستند. از طریق اندازه‌گیری‌های دینامیکی، مقادیر آنی کمیت‌هایی که در طول زمان تغییر می‌کنند و اندازه‌گیری‌های ایستا - برخی مقادیر ثابت به دست می‌آیند.
- نمایش نتیجه. اندازه گیری کمیت های الکتریکی را می توان به صورت نسبی یا مطلق بیان کرد.
- راهی برای رسیدن به نتیجه دلخواه. با توجه به این ویژگی، اندازه‌گیری‌ها به دو دسته مستقیم (که در آن نتیجه مستقیم به دست می‌آید) و غیرمستقیم تقسیم می‌شوند که در آن مقادیر مرتبط با مقدار مورد نظر توسط برخی از وابستگی‌های عملکردی مستقیماً اندازه‌گیری می‌شوند. در حالت دوم، کمیت فیزیکی مورد نیاز از نتایج به دست آمده محاسبه می شود. بنابراین، اندازه‌گیری جریان با آمپرمتر نمونه‌ای از اندازه‌گیری مستقیم است و توان یک اندازه‌گیری غیرمستقیم است.
اندازه گیری
دستگاه هایی که برای اندازه گیری در نظر گرفته شده اند باید ویژگی های نرمال شده داشته باشند و همچنین برای مدت معینی حفظ کنند یا واحد مقداری را که برای آن در نظر گرفته شده است تولید کنند.
وسایل اندازه گیری کمیت های الکتریکی بسته به هدف به چند دسته تقسیم می شوند:
- اندازه گیری. این ابزارها در خدمت بازتولید ارزش برخی از داده ها هستنداندازه - مانند، برای مثال، مقاومتی که مقاومت خاصی را با یک خطای شناخته شده بازتولید می کند.
- مبدل های اندازه گیری که سیگنال را به شکلی مناسب برای ذخیره سازی، تبدیل، انتقال تشکیل می دهند. اطلاعاتی از این نوع برای درک مستقیم در دسترس نیست.
- دستگاه های اندازه گیری الکتریکی. این ابزارها به گونه ای طراحی شده اند که اطلاعات را به شکلی در دسترس ناظر قرار دهند. آنها می توانند قابل حمل یا ثابت، آنالوگ یا دیجیتال، ضبط یا سیگنالینگ باشند.
- تاسیسات اندازه گیری الکتریکی مجموعه ای از ابزارها و وسایل اضافی فوق هستند که در یک مکان متمرکز شده اند. واحدها امکان اندازه گیری های پیچیده تری را فراهم می کنند (مثلاً ویژگی های مغناطیسی یا مقاومت)، به عنوان دستگاه های تأیید یا مرجع عمل می کنند.
- سیستم های اندازه گیری الکتریکی نیز ترکیبی از وسایل مختلف هستند. با این حال، بر خلاف تاسیسات، دستگاه های اندازه گیری مقادیر الکتریکی و سایر وسایل در سیستم پراکنده هستند. با کمک سیستم ها می توانید چندین کمیت را اندازه گیری کنید، سیگنال های اطلاعات اندازه گیری را ذخیره، پردازش و انتقال دهید.
در صورت نیاز به حل یک مسئله اندازه گیری پیچیده خاص، مجتمع های اندازه گیری و محاسباتی تشکیل می شوند که تعدادی از دستگاه ها و تجهیزات محاسباتی الکترونیکی را ترکیب می کنند.
ویژگی های ابزار اندازه گیری
تجهیزات اندازه گیری ویژگی های خاصی دارند که مهم هستندتا وظایف مستقیم خود را انجام دهند. این موارد عبارتند از:
- ویژگی‌های اندازه‌شناختی، مانند حساسیت و آستانه آن، محدوده اندازه‌گیری یک کمیت الکتریکی، خطای ابزار، مقدار تقسیم، سرعت، و غیره.
- ویژگی های دینامیکی، مانند دامنه (وابستگی دامنه سیگنال خروجی دستگاه به دامنه ورودی) یا فاز (وابستگی تغییر فاز به فرکانس سیگنال).
- ویژگی‌های عملکردی که نشان‌دهنده میزان برآورده شدن ابزار مورد نیاز در شرایط خاص است. این ویژگی‌ها شامل ویژگی‌هایی مانند قابلیت اطمینان نشانه‌ها، قابلیت اطمینان (عملکرد، دوام و عملکرد بدون خرابی دستگاه)، قابلیت نگهداری، ایمنی الکتریکی، اقتصاد است.
مجموعه مشخصات تجهیزات توسط اسناد نظارتی و فنی مربوطه برای هر نوع دستگاه ایجاد شده است.
روش های کاربردی
اندازه گیری کمیت های الکتریکی با روش های مختلفی انجام می شود که می توان آنها را نیز بر اساس معیارهای زیر طبقه بندی کرد:
- نوعی از پدیده های فیزیکی که بر اساس آنها اندازه گیری می شود (پدیده های الکتریکی یا مغناطیسی).
- ماهیت تعامل ابزار اندازه گیری با جسم. بسته به آن، روش های تماسی و غیر تماسی برای اندازه گیری کمیت های الکتریکی متمایز می شوند.
- حالت اندازه گیری. بر اساس آن، اندازه گیری ها پویا و ایستا هستند.
- روش اندازه گیری. به عنوان روشی برای تخمین مستقیم زمانی که کمیت مورد نظر است، توسعه یافته استبه طور مستقیم توسط دستگاه تعیین می شود (به عنوان مثال، آمپرمتر)، و روش های دقیق تر (صفر، دیفرانسیل، مخالفت، جایگزینی)، که در آن با مقایسه با یک مقدار شناخته شده شناسایی می شود. جبران کننده ها و پل های اندازه گیری الکتریکی جریان مستقیم و متناوب به عنوان دستگاه های مقایسه عمل می کنند.
ابزارهای اندازه گیری الکتریکی: انواع و ویژگی ها
اندازه گیری کمیت های الکتریکی پایه به ابزارهای متنوعی نیاز دارد. بسته به اصل فیزیکی زیربنای کار آنها، همه آنها به گروه های زیر تقسیم می شوند:
- دستگاه های الکترومکانیکی باید در طراحی خود یک قسمت متحرک داشته باشند. این گروه بزرگ از ابزار اندازه گیری شامل دستگاه های الکترودینامیکی، فرودینامیکی، مغناطیسی الکتریک، الکترومغناطیسی، الکترواستاتیکی، القایی است. به عنوان مثال، اصل مگنتوالکتریک، که بسیار مورد استفاده قرار می گیرد، می تواند به عنوان پایه ای برای دستگاه هایی مانند ولت متر، آمپرمتر، اهم متر، گالوانومتر استفاده شود. کنتورهای برق، فرکانس سنج و غیره بر اساس اصل القایی هستند.
- دستگاه های الکترونیکی با وجود بلوک های اضافی متمایز می شوند: مبدل مقادیر فیزیکی، تقویت کننده ها، مبدل ها و غیره. به عنوان یک قاعده، در دستگاه هایی از این نوع، مقدار اندازه گیری شده به ولتاژ تبدیل می شود و یک ولت متر به عنوان مبنای ساختاری آنها ابزارهای اندازه گیری الکترونیکی به عنوان فرکانس متر، خازن، مقاومت، سنج القایی، اسیلوسکوپ استفاده می شود.
- ترموالکتریکدستگاه ها در طراحی خود یک دستگاه اندازه گیری از نوع مغناطیسی و یک مبدل حرارتی تشکیل شده توسط یک ترموکوپل و یک بخاری که جریان اندازه گیری شده از طریق آن جریان می یابد، ترکیب می کنند. ابزارهایی از این نوع عمدتاً برای اندازه‌گیری جریان‌های فرکانس بالا استفاده می‌شوند.
- الکتروشیمیایی. اصل عملکرد آنها بر اساس فرآیندهایی است که بر روی الکترودها یا در محیط مورد مطالعه در فضای بین الکترودی اتفاق می افتد. ابزارهایی از این نوع برای اندازه گیری رسانایی الکتریکی، مقدار الکتریسیته و برخی کمیت های غیر الکتریکی استفاده می شود.
با توجه به ویژگی های عملکردی، انواع ابزارهای زیر برای اندازه گیری کمیت های الکتریکی متمایز می شوند:
- نشان دهنده (سیگنال دهی) - اینها دستگاه هایی هستند که فقط خواندن مستقیم اطلاعات اندازه گیری مانند وات متر یا آمپرمتر را امکان پذیر می کنند.
- ضبط - دستگاه هایی که امکان ضبط قرائت را فراهم می کنند، به عنوان مثال، اسیلوسکوپ های الکترونیکی.
با توجه به نوع سیگنال، دستگاه ها به آنالوگ و دیجیتال تقسیم می شوند. اگر دستگاه سیگنالی تولید کند که تابعی پیوسته از مقدار اندازه گیری شده است، آنالوگ است، به عنوان مثال، یک ولت متر، که قرائت آن با استفاده از یک مقیاس با فلش داده می شود. در صورتی که سیگنالی به صورت خودکار در دستگاه به شکل جریانی از مقادیر گسسته تولید شود که به صورت عددی وارد نمایشگر می شود، از یک ابزار اندازه گیری دیجیتال صحبت می شود.
ابزارهای دیجیتال در مقایسه با سازهای آنالوگ دارای معایبی هستند: قابلیت اطمینان کمتر،نیاز به منبع تغذیه، هزینه بالاتر. با این حال، آنها همچنین با مزایای قابل توجهی متمایز می شوند که به طور کلی استفاده از دستگاه های دیجیتال را ترجیح می دهد: سهولت استفاده، دقت بالا و ایمنی در برابر نویز، امکان جهانی سازی، ترکیب با رایانه و انتقال سیگنال از راه دور بدون از دست دادن دقت.
نادرستی و دقت ابزار
مهمترین مشخصه یک ابزار اندازه گیری الکتریکی کلاس دقت است. اندازه گیری مقادیر الکتریکی، مانند سایر موارد، نمی تواند بدون در نظر گرفتن خطاهای دستگاه فنی و همچنین عوامل اضافی (ضرایب) که بر دقت اندازه گیری تأثیر می گذارد، انجام شود. مقادیر حدی خطاهای داده شده مجاز برای این نوع دستگاه ها نرمال شده نامیده می شوند و به صورت درصد بیان می شوند. آنها کلاس دقت یک دستگاه خاص را تعیین می کنند.
کلاس‌های استانداردی که برای علامت‌گذاری مقیاس‌های دستگاه‌های اندازه‌گیری استفاده می‌شوند به شرح زیر است: 4, 0; 2، 5; پانزده ده 0.5; 0.2; 0.1; 0.05. مطابق با آنها، تقسیم بندی بر اساس هدف ایجاد می شود: دستگاه های متعلق به کلاس های 0.05 تا 0.2 نمونه هستند، کلاس های 0.5 و 1.0 دارای دستگاه های آزمایشگاهی هستند، و در نهایت، دستگاه های کلاس های 1، 5-4، 0 فنی هستند..
هنگام انتخاب دستگاه اندازه گیری، لازم است که مطابق با کلاس مشکل حل شده باشد، در حالی که حد بالایی اندازه گیری باید تا حد امکان به مقدار عددی مقدار مورد نظر نزدیک باشد. یعنی هرچه بتوان به انحراف نشانگر ابزار بیشتر دست یافت، خطای نسبی اندازه گیری کمتر خواهد بود.اگر فقط ابزارهای کلاس پایین در دسترس هستند، باید ابزاری با کمترین محدوده عملیاتی انتخاب شود. با استفاده از این روش ها، اندازه گیری کمیت های الکتریکی را می توان کاملاً دقیق انجام داد. در این مورد، باید نوع مقیاس دستگاه (یکنواخت یا ناهموار، مانند مقیاس اهم متر) را نیز در نظر بگیرید.
کمیت های الکتریکی پایه و واحدهای آنها
اغلب، اندازه‌گیری‌های الکتریکی با مجموعه کمیت‌های زیر مرتبط هستند:
- قدرت جریان (یا به سادگی جریان) I. این مقدار مقدار بار الکتریکی عبوری از بخش هادی را در 1 ثانیه نشان می دهد. اندازه گیری مقدار جریان الکتریکی در آمپر (A) با استفاده از آمپرمترها، آوومترها (تسترها، به اصطلاح "تسشک")، مولتی متر دیجیتال، ترانسفورماتورهای ابزار انجام می شود.
- میزان برق (شارژ) q. این مقدار تعیین می کند که یک جسم فیزیکی خاص تا چه حد می تواند منبع میدان الکترومغناطیسی باشد. بار الکتریکی بر حسب کولن (C) اندازه گیری می شود. 1 C (آمپر-ثانیه)=1 A ∙ 1 s. ابزارهای اندازه گیری الکترومتر یا شارژ سنج الکترونیکی (کولن متر) هستند.
- ولتاژ U. تفاوت پتانسیل (انرژی بار) را که بین دو نقطه مختلف میدان الکتریکی وجود دارد را بیان می کند. برای یک کمیت الکتریکی معین، واحد اندازه گیری ولت (V) است. اگر برای انتقال بار 1 کولن از یک نقطه به نقطه دیگر، میدان کار 1 ژول را انجام دهد (یعنی انرژی مربوطه صرف شود)اختلاف پتانسیل - ولتاژ - بین این نقاط 1 ولت است: 1 V \u003d 1 J / 1 C. اندازه گیری ولتاژ الکتریکی با استفاده از ولت متر، مولتی متر دیجیتال یا آنالوگ (تستر) انجام می شود.
- مقاومت R. مشخصه توانایی هادی برای جلوگیری از عبور جریان الکتریکی از آن است. واحد مقاومت اهم است. 1 اهم مقاومت یک هادی با ولتاژ 1 ولت در انتهای آن به جریان 1 آمپر است: 1 اهم=1 V / 1 A. مقاومت به طور مستقیم با مقطع و طول هادی متناسب است. برای اندازه گیری آن از اهم متر، آوومتر، مولتی متر استفاده می شود.
- رسانایی الکتریکی (رسانایی) G متقابل مقاومت است. اندازه گیری در زیمنس (سانتی متر): 1 سانتی متر=1 اهم-1.
- ظرفیت C اندازه گیری توانایی هادی برای ذخیره بار است، همچنین یکی از کمیت های الکتریکی اساسی است. واحد اندازه گیری آن فاراد (F) است. برای یک خازن، این مقدار به عنوان ظرفیت متقابل صفحات تعریف می شود و برابر است با نسبت بار انباشته شده به اختلاف پتانسیل روی صفحات. ظرفیت خازن تخت با افزایش مساحت صفحات و با کاهش فاصله بین آنها افزایش می یابد. اگر با شارژ 1 آویز، ولتاژ 1 ولت روی صفحات ایجاد شود، ظرفیت چنین خازن برابر با 1 فاراد خواهد بود: 1 F \u003d 1 C / 1 V. اندازه گیری با استفاده از آن انجام می شود. ابزارهای ویژه - متر ظرفیت یا مولتی متر دیجیتال.
- توان P مقداری است که سرعت انتقال (تبدیل) انرژی الکتریکی را نشان می دهد. به عنوان یک واحد سیستم قدرت به تصویب رسیدوات (W؛ 1 W=1J/s). این مقدار را می توان برحسب حاصل ضرب ولتاژ و قدرت جریان نیز بیان کرد: 1 W=1 V ∙ 1 A. برای مدارهای AC، توان فعال (مصرف شده) Pa، P راکتیو ra (در عملکرد جریان شرکت نمی کند) و توان کامل P. هنگام اندازه گیری، واحدهای زیر برای آنها استفاده می شود: وات، var (مخفف "ولت-آمپر راکتیو") و بر این اساس، ولت آمپر V ∙ BUT. ابعاد آنها یکسان است و برای تمایز بین مقادیر نشان داده شده است. ابزار اندازه گیری قدرت - وات متر آنالوگ یا دیجیتال. اندازه گیری های غیرمستقیم (مثلاً با استفاده از آمپرمتر) همیشه قابل اجرا نیستند. برای تعیین مقدار مهمی مانند ضریب توان (که بر حسب زاویه تغییر فاز بیان می شود)، از دستگاه هایی به نام فاز متر استفاده می شود.
- فرکانس f. این مشخصه یک جریان متناوب است که تعداد چرخه های تغییر در بزرگی و جهت آن (در حالت کلی) را در یک دوره زمانی 1 ثانیه نشان می دهد. واحد فرکانس ثانیه متقابل یا هرتز (هرتز) است: 1 هرتز=1 ثانیه-1. این مقدار با استفاده از دسته گسترده ای از ابزارها به نام فرکانس سنج اندازه گیری می شود.
مقادیر مغناطیسی
مغناطیس ارتباط نزدیکی با الکتریسیته دارد، زیرا هر دو مظاهر یک فرآیند فیزیکی بنیادی واحد هستند - الکترومغناطیس. بنابراین، یک اتصال به همان اندازه نزدیک مشخصه روش ها و وسایل اندازه گیری مقادیر الکتریکی و مغناطیسی است. اما تفاوت های ظریف نیز وجود دارد. به عنوان یک قاعده، هنگام تعیین دومی، عملایک اندازه گیری الکتریکی انجام می شود. مقدار مغناطیسی به طور غیر مستقیم از رابطه عملکردی که آن را به الکتریکی متصل می کند به دست می آید.
مقادیر مرجع در این ناحیه اندازه گیری القای مغناطیسی، قدرت میدان و شار مغناطیسی است. می توان آنها را با استفاده از سیم پیچ اندازه گیری دستگاه به EMF تبدیل کرد که اندازه گیری می شود و پس از آن مقادیر مورد نیاز محاسبه می شود.
- شار مغناطیسی با استفاده از ابزارهایی مانند وبرمتر (فتوولتائیک، مگنتوالکتریک، الکترونیکی آنالوگ و دیجیتال) و گالوانومترهای بالستیک بسیار حساس اندازه‌گیری می‌شود.
- قدرت القاء و میدان مغناطیسی با استفاده از تسلامترهای مجهز به انواع مبدل اندازه گیری می شود.
اندازه گیری کمیت های الکتریکی و مغناطیسی که به طور مستقیم با هم مرتبط هستند، امکان حل بسیاری از مسائل علمی و فنی را فراهم می کند، به عنوان مثال، مطالعه هسته اتم و میدان مغناطیسی خورشید، زمین و سیارات، مطالعه خواص مغناطیسی مواد مختلف، کنترل کیفیت، و غیره.
مقادیر غیر الکتریکی
راحتی روش‌های الکتریکی این امکان را فراهم می‌آورد که با موفقیت آنها را به اندازه‌گیری‌های کمیت‌های فیزیکی مختلف با ماهیت غیرالکتریکی مانند دما، ابعاد (خطی و زاویه‌ای)، تغییر شکل و بسیاری موارد دیگر گسترش دهیم. برای بررسی فرآیندهای شیمیایی و ترکیب مواد.
ابزارهای اندازه گیری الکتریکی کمیت های غیر الکتریکی معمولاً مجموعه ای از یک حسگر هستند - مبدل به هر پارامتر مدار (ولتاژ،مقاومت) و دستگاه اندازه گیری الکتریکی. انواع مختلفی از مبدل ها وجود دارد که به لطف آنها می توانید مقادیر مختلفی را اندازه گیری کنید. در اینجا فقط چند نمونه آورده شده است:
- سنسورهای رئواستاتیک. در چنین مبدل‌هایی، هنگامی که مقدار اندازه‌گیری شده آشکار می‌شود (مثلاً وقتی سطح مایع یا حجم آن تغییر می‌کند)، لغزنده رئوستات حرکت می‌کند و در نتیجه مقاومت را تغییر می‌دهد.
- ترمیستور. مقاومت سنسور در دستگاه هایی از این نوع تحت تأثیر دما تغییر می کند. برای اندازه گیری سرعت جریان گاز، دما، برای تعیین ترکیب مخلوط گاز استفاده می شود.
- مقاومت های کرنش امکان اندازه گیری کرنش سیم را فراهم می کند.
- حسگرهای نوری که تغییر در روشنایی، دما یا حرکت را به یک جریان نوری تبدیل می‌کنند و سپس اندازه‌گیری می‌شوند.
- مبدل های خازنی که به عنوان حسگر برای شیمی هوا، جابجایی، رطوبت، فشار استفاده می شوند.
- مبدلهای پیزوالکتریک بر اساس اصل وقوع EMF در برخی از مواد کریستالی هنگامی که به صورت مکانیکی روی آنها اعمال می شوند عمل می کنند.
- سنسورهای القایی بر اساس تبدیل مقادیری مانند سرعت یا شتاب به یک emf القایی هستند.
توسعه ابزار و روش های اندازه گیری الکتریکی
طیف گسترده ای از ابزارها برای اندازه گیری کمیت های الکتریکی به دلیل بسیاری از پدیده های مختلف است که این پارامترها در آنها نقش مهمی دارند. فرآیندها و پدیده های الکتریکی کاربردهای بسیار گسترده ای دارندهمه صنایع - نمی توان چنین حوزه ای از فعالیت های انسانی را نشان داد که در آن کاربرد پیدا نکنند. این امر دامنه در حال گسترش مشکلات اندازه گیری الکتریکی کمیت های فیزیکی را تعیین می کند. تنوع و بهبود ابزارها و روش ها برای حل این مشکلات به طور مداوم در حال رشد است. به ویژه به سرعت و با موفقیت چنین جهتی از فناوری اندازه گیری مانند اندازه گیری کمیت های غیر الکتریکی با روش های الکتریکی را توسعه می دهد.
تکنولوژی مدرن اندازه گیری الکتریکی در جهت افزایش دقت، ایمنی نویز و سرعت و همچنین افزایش اتوماسیون فرآیند اندازه گیری و پردازش نتایج آن در حال توسعه است. ابزار اندازه‌گیری از ساده‌ترین دستگاه‌های الکترومکانیکی به دستگاه‌های الکترونیکی و دیجیتالی و بیشتر به جدیدترین سیستم‌های اندازه‌گیری و محاسباتی با استفاده از فناوری ریزپردازنده تبدیل شده‌اند. در عین حال، افزایش نقش جزء نرم افزاری دستگاه های اندازه گیری، بدیهی است که روند اصلی توسعه است.
