Nhu cầu của khoa học và công nghệ bao gồm vô số các phép đo, các phương tiện và phương pháp liên tục được phát triển và cải tiến. Vai trò quan trọng nhất trong lĩnh vực này thuộc về phép đo các đại lượng điện, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau.
Khái niệm về các phép đo
Phép đo bất kỳ đại lượng vật lý nào được thực hiện bằng cách so sánh nó với một số đại lượng của cùng một loại hiện tượng, được lấy làm đơn vị đo. Kết quả thu được khi so sánh được trình bày dưới dạng số theo các đơn vị thích hợp.
Thao tác này được thực hiện với sự hỗ trợ của các dụng cụ đo lường đặc biệt - các thiết bị kỹ thuật tương tác với đối tượng, các thông số nhất định sẽ được đo. Trong trường hợp này, một số phương pháp nhất định được sử dụng - các kỹ thuật mà giá trị đo được so sánh với đơn vị đo lường.
Có một số dấu hiệu làm cơ sở để phân loại phép đo các đại lượng điện theo loại:
- Số lượnghành vi đo lường. Đây là điều cần thiết để sử dụng một lần hoặc nhiều lần.
- Mức độ chính xác. Có kỹ thuật, kiểm soát và xác minh, các phép đo chính xác nhất, cũng như các phép đo bình đẳng và không bình đẳng.
- Bản chất của sự thay đổi giá trị đo được theo thời gian. Theo tiêu chí này, các phép đo là tĩnh và động. Thông qua các phép đo động, thu được các giá trị tức thời của các đại lượng thay đổi theo thời gian và các phép đo tĩnh - một số giá trị không đổi.
- Biểu diễn kết quả. Phép đo các đại lượng điện có thể được biểu thị ở dạng tương đối hoặc tuyệt đối.
- Cách để có kết quả như mong muốn. Theo đặc điểm này, các phép đo được chia thành trực tiếp (trong đó kết quả thu được trực tiếp) và gián tiếp, trong đó các đại lượng gắn với giá trị mong muốn bằng một số phụ thuộc hàm được đo trực tiếp. Trong trường hợp thứ hai, đại lượng vật lý yêu cầu được tính toán từ các kết quả thu được. Vì vậy, đo dòng điện bằng ampe kế là một ví dụ của phép đo trực tiếp và công suất là phép đo gián tiếp.
Phép đo
Các thiết bị dùng để đo lường phải có các đặc tính chuẩn hóa và cũng được duy trì trong một thời gian nhất định hoặc tái tạo đơn vị giá trị mà chúng dự định.
Phương tiện đo đại lượng điện được chia thành nhiều loại tùy theo mục đích:
- Biện pháp. Những công cụ này phục vụ để tái tạo giá trị của một sốkích thước - chẳng hạn như một điện trở tái tạo một điện trở nhất định với một lỗi đã biết.
- Đầu đo đo dạng tín hiệu dạng tín hiệu thuận tiện cho việc lưu trữ, chuyển đổi, truyền dẫn. Thông tin kiểu này không có sẵn để nhận thức trực tiếp.
- Thiết bị đo lường điện. Những công cụ này được thiết kế để trình bày thông tin ở dạng mà người quan sát có thể tiếp cận được. Chúng có thể di động hoặc cố định, tương tự hoặc kỹ thuật số, ghi âm hoặc tín hiệu.
- Việc lắp đặt đo lường điện là phức hợp của các công cụ trên và các thiết bị bổ sung, tập trung tại một nơi. Các đơn vị này cho phép các phép đo phức tạp hơn (ví dụ: đặc tính từ hoặc điện trở suất), dùng làm thiết bị xác minh hoặc tham chiếu.
- Hệ thống đo lường điện cũng là sự kết hợp của nhiều phương tiện khác nhau. Tuy nhiên, không giống như cách lắp đặt, các thiết bị đo đại lượng điện và các phương tiện khác trong hệ thống được phân tán. Với sự trợ giúp của hệ thống, bạn có thể đo một số đại lượng, lưu trữ, xử lý và truyền tín hiệu thông tin đo lường.
Nếu cần giải quyết một vấn đề đo lường phức tạp cụ thể, các tổ hợp đo lường và tính toán được hình thành để kết hợp một số thiết bị và thiết bị tính toán điện tử.
Đặc điểm của dụng cụ đo lường
Thiết bị đo lường có một số đặc tính quan trọngđể thực hiện các chức năng trực tiếp của họ. Chúng bao gồm:
- Các đặc điểm đo lường, chẳng hạn như độ nhạy và ngưỡng của nó, phạm vi đo của đại lượng điện, lỗi thiết bị, giá trị chia, tốc độ, v.v.
- Đặc tính động, chẳng hạn như biên độ (sự phụ thuộc của biên độ tín hiệu đầu ra của thiết bị vào biên độ ở đầu vào) hoặc pha (sự phụ thuộc của độ lệch pha vào tần số của tín hiệu).
- Đặc tính hiệu suất phản ánh mức độ mà thiết bị đáp ứng các yêu cầu hoạt động trong các điều kiện nhất định. Chúng bao gồm các đặc tính như độ tin cậy của các chỉ báo, độ tin cậy (khả năng hoạt động, độ bền và hoạt động không hỏng hóc của thiết bị), khả năng bảo trì, an toàn điện, tính kinh tế.
Tập hợp các đặc tính của thiết bị được thiết lập bởi các tài liệu kỹ thuật và quy định liên quan cho từng loại thiết bị.
Phương pháp áp dụng
Việc đo các đại lượng điện được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, cũng có thể được phân loại theo các tiêu chí sau:
- Loại hiện tượng vật lý trên cơ sở đo lường được thực hiện (hiện tượng điện hoặc từ).
- Bản chất của sự tương tác của công cụ đo với đối tượng. Tùy thuộc vào nó, các phương pháp tiếp xúc và không tiếp xúc để đo các đại lượng điện được phân biệt.
- Chế độ đo lường. Theo đó, các phép đo là động và tĩnh.
- Phương pháp đo lường. Được phát triển như các phương pháp ước tính trực tiếp khi số lượng tìm kiếmđược xác định trực tiếp bởi thiết bị (ví dụ, ampe kế) và các phương pháp chính xác hơn (không, vi phân, đối lập, thay thế), trong đó nó được phát hiện bằng cách so sánh với một giá trị đã biết. Bộ bù và cầu đo điện của dòng điện một chiều và xoay chiều đóng vai trò là thiết bị so sánh.
Dụng cụ đo điện: loại và tính năng
Việc đo các đại lượng điện cơ bản đòi hỏi nhiều loại dụng cụ khác nhau. Tùy thuộc vào nguyên lý vật lý bên trong công việc của chúng, tất cả chúng được chia thành các nhóm sau:
- Các thiết bị cơ điện phải có bộ phận chuyển động trong thiết kế của chúng. Nhóm lớn các dụng cụ đo lường này bao gồm các thiết bị điện động lực, sắt động lực, điện từ, điện từ, tĩnh điện, cảm ứng. Ví dụ, nguyên lý từ trường, được sử dụng rất rộng rãi, có thể được sử dụng làm cơ sở cho các thiết bị như vôn kế, ampe kế, ohmmeters, điện kế. Đồng hồ đo điện, đồng hồ đo tần số, v.v. hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng.
- Các thiết bị điện tử được phân biệt bởi sự hiện diện của các khối bổ sung: bộ chuyển đổi các đại lượng vật lý, bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi, v.v. Theo quy luật, trong các thiết bị loại này, giá trị đo được chuyển thành điện áp và vôn kế đóng vai trò là cơ sở cấu trúc của chúng. Dụng cụ đo lường điện tử được sử dụng như máy đo tần số, điện dung, điện trở, máy đo điện cảm, máy hiện sóng.
- Nhiệt điệncác thiết bị kết hợp trong thiết kế của chúng một thiết bị đo kiểu từ trường và một bộ chuyển đổi nhiệt được tạo thành bởi một cặp nhiệt điện và một bộ gia nhiệt để dòng điện đo được chạy qua. Các thiết bị loại này chủ yếu được sử dụng để đo dòng điện tần số cao.
- Điện hóa. Nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên các quá trình xảy ra trên các điện cực hoặc trong môi trường đang nghiên cứu trong không gian điện cực. Dụng cụ loại này được sử dụng để đo độ dẫn điện, lượng điện và một số đại lượng phi điện.
Theo tính năng chức năng, các loại dụng cụ đo đại lượng điện sau đây được phân biệt:
- Chỉ báo (báo hiệu) - đây là những thiết bị chỉ cho phép đọc trực tiếp thông tin đo lường, chẳng hạn như oát kế hoặc ampe kế.
- Ghi âm - thiết bị cho phép khả năng ghi lại các kết quả đọc, ví dụ: máy hiện sóng điện tử.
Theo loại tín hiệu, các thiết bị được chia thành tín hiệu tương tự và kỹ thuật số. Nếu thiết bị tạo ra tín hiệu là một hàm liên tục của giá trị đo, thì tín hiệu đó là tín hiệu tương tự, ví dụ, vôn kế, các số đọc của nó được đưa ra bằng cách sử dụng thang đo có mũi tên. Trong trường hợp tín hiệu được tạo tự động trong thiết bị dưới dạng một dòng các giá trị rời rạc đi vào màn hình ở dạng số, người ta nói về một công cụ đo lường kỹ thuật số.
Các thiết bị kỹ thuật số có một số nhược điểm so với các thiết bị tương tự: độ tin cậy kém hơn,cần cung cấp điện, giá thành cao hơn. Tuy nhiên, chúng cũng được phân biệt bởi những ưu điểm đáng kể khiến việc sử dụng các thiết bị kỹ thuật số thường được ưa chuộng hơn: dễ sử dụng, độ chính xác cao và khả năng chống nhiễu, khả năng phổ cập, kết hợp với máy tính và truyền tín hiệu từ xa mà không làm mất độ chính xác.
Tính không chính xác và độ chính xác của dụng cụ
Đặc tính quan trọng nhất của dụng cụ đo điện là cấp độ chính xác. Việc đo các đại lượng điện, giống như bất kỳ phương pháp nào khác, không thể thực hiện được nếu không tính đến sai số của thiết bị kỹ thuật, cũng như các yếu tố (hệ số) bổ sung ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Các giá trị giới hạn của sai số đã cho được phép đối với loại thiết bị này được gọi là chuẩn hóa và được biểu thị dưới dạng phần trăm. Chúng xác định độ chính xác của một thiết bị cụ thể.
Các lớp tiêu chuẩn dùng để đánh dấu thang đo của thiết bị đo như sau: 4, 0; 2, 5; mười lăm; mười; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05. Phù hợp với chúng, sự phân chia theo mục đích được thiết lập: thiết bị thuộc các lớp từ 0,05 đến 0,2 là mẫu, các lớp 0,5 và 1,0 có thiết bị thí nghiệm, và cuối cùng, các thiết bị thuộc các lớp 1, 5–4, 0 là kỹ thuật.
Khi chọn thiết bị đo, cần phải phù hợp với loại của vấn đề đang được giải quyết, trong khi giới hạn đo trên phải càng gần giá trị số của giá trị mong muốn càng tốt. Nghĩa là, độ lệch của con trỏ dụng cụ có thể đạt được càng lớn thì sai số tương đối của phép đo càng nhỏ. Nếu chỉ có sẵn các nhạc cụ hạng thấp, thì nên chọn loại có phạm vi hoạt động nhỏ nhất. Sử dụng các phương pháp này, phép đo các đại lượng điện có thể được thực hiện khá chính xác. Trong trường hợp này, bạn cũng cần tính đến loại thang đo của thiết bị (đồng đều hoặc không đồng đều, chẳng hạn như thang đo ohmmeter).
Các đại lượng điện cơ bản và đơn vị của chúng
Thông thường nhất, các phép đo điện liên quan đến tập hợp các đại lượng sau:
- Cường độ dòng điện (hay đơn giản là dòng điện) I. Giá trị này cho biết lượng điện tích đi qua tiết diện dây dẫn trong 1 giây. Phép đo cường độ của dòng điện được thực hiện bằng ampe (A) bằng ampe kế, thiết bị đo nhiệt độ (dụng cụ thử nghiệm, cái gọi là "tseshek"), đồng hồ vạn năng kỹ thuật số, máy biến áp dụng cụ.
- Lượng điện (phí) q. Giá trị này xác định mức độ mà một cơ thể vật chất cụ thể có thể là nguồn của trường điện từ. Điện tích được đo bằng coulombs (C). 1 C (ampe-giây)=1 A ∙ 1 s. Dụng cụ để đo lường là điện kế hoặc máy đo điện tích (máy đo coulomb).
- Hiệu điện thế U. Biểu thị hiệu điện thế (năng lượng điện tích) tồn tại giữa hai điểm khác nhau của điện trường. Đối với một đại lượng điện cho trước, đơn vị đo là vôn (V). Nếu để di chuyển điện tích của 1 coulomb từ điểm này sang điểm khác, trường hoạt động bằng 1 jun (nghĩa là, năng lượng tương ứng được sử dụng), thìhiệu điện thế - hiệu điện thế - giữa các điểm này là 1 vôn: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Phép đo điện áp được thực hiện bằng vôn kế, đồng hồ vạn năng kỹ thuật số hoặc tương tự (người thử nghiệm).
- Điện trở R. Đặc trưng cho khả năng của một vật dẫn trong việc ngăn cản dòng điện chạy qua nó. Đơn vị của điện trở là ohm. 1 ohm là điện trở của dây dẫn có hiệu điện thế 1 vôn ở hai đầu đối với dòng điện 1 ampe: 1 ohm=1 V / 1 A. Điện trở tỉ lệ thuận với tiết diện và chiều dài của dây dẫn. Ohmmeters, avometers, multimeters được sử dụng để đo lường nó.
- Độ dẫn điện (độ dẫn điện) G là nghịch đảo của điện trở. Được đo bằng siemens (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Công suất C là đại lượng đo khả năng tích trữ điện tích của vật dẫn, cũng là một trong những đại lượng điện cơ bản. Đơn vị đo của nó là farad (F). Đối với tụ điện, giá trị này được định nghĩa là điện dung lẫn nhau của các bản và bằng tỷ số giữa điện tích tích lũy với hiệu điện thế trên các bản tụ. Điện dung của tụ điện phẳng tăng khi diện tích các bản tăng và khoảng cách giữa chúng giảm. Nếu với điện tích 1 mặt dây tạo ra hiệu điện thế 1 vôn trên các bản thì điện dung của tụ điện đó sẽ bằng 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Phép đo được thực hiện bằng dụng cụ đặc biệt - đồng hồ đo điện dung hoặc đồng hồ vạn năng kỹ thuật số.
- Công suất P là giá trị phản ánh tốc độ truyền (chuyển đổi) năng lượng điện được thực hiện. Là một hệ thống đơn vị quyền lực được thông quaoát (W; 1 W=1J / s). Giá trị này cũng có thể được biểu thị dưới dạng tích của điện áp và cường độ dòng điện: 1 W=1 V ∙ 1 A. Đối với mạch xoay chiều, công suất hoạt động (tiêu thụ) Pa, phản kháng Pra(không tham gia vào hoạt động của dòng điện) và công suất đầy đủ P. Khi đo, các đơn vị sau được sử dụng cho chúng: watt, var (viết tắt của “volt-ampe phản kháng”) và theo đó, vôn-ampe V ∙ NHƯNG. Kích thước của chúng giống nhau và chúng dùng để phân biệt giữa các đại lượng được chỉ định. Dụng cụ đo công suất - oát kế tương tự hoặc kỹ thuật số. Các phép đo gián tiếp (ví dụ, sử dụng ampe kế) không phải lúc nào cũng có thể áp dụng được. Để xác định một đại lượng quan trọng như hệ số công suất (được biểu thị bằng góc lệch pha), các thiết bị gọi là đồng hồ đo pha được sử dụng.
- Tần suất f. Đây là đặc điểm của dòng điện xoay chiều, cho biết số chu kỳ thay đổi về độ lớn và hướng của nó (trong trường hợp chung) trong khoảng thời gian 1 giây. Đơn vị của tần số là giây nghịch đảo, hay hertz (Hz): 1 Hz=1 s-1. Giá trị này được đo bằng một loại công cụ mở rộng được gọi là máy đo tần số.
Các đại lượng từ tính
Từ tính có liên quan mật thiết với điện, vì cả hai đều là biểu hiện của một quá trình vật lý cơ bản duy nhất - điện từ. Do đó, mối liên hệ chặt chẽ như nhau là đặc trưng của các phương pháp và phương tiện đo các đại lượng điện và từ. Nhưng cũng có những sắc thái. Theo quy luật, khi xác định giá trị thứ hai, thực tếmột phép đo điện được thực hiện. Giá trị từ trường nhận được gián tiếp từ mối quan hệ chức năng kết nối nó với điện.
Các giá trị tham chiếu trong vùng đo này là cảm ứng từ, cường độ trường và từ thông. Chúng có thể được chuyển đổi bằng cách sử dụng cuộn dây đo của thiết bị thành EMF, được đo, sau đó các giá trị cần thiết được tính toán.
- Từ thông được đo bằng các công cụ như quang sai (quang điện, từ trường, điện tử tương tự và kỹ thuật số) và điện kế đường đạn có độ nhạy cao.
- Cường độ từ trường và cảm ứng được đo bằng máy đo teslameters được trang bị nhiều loại đầu dò khác nhau.
Phép đo các đại lượng điện và từ, có liên quan trực tiếp, cho phép giải quyết nhiều vấn đề khoa học và kỹ thuật, ví dụ, nghiên cứu hạt nhân nguyên tử và từ trường của Mặt trời, Trái đất và các hành tinh, nghiên cứu về tính chất từ tính của các vật liệu khác nhau, kiểm soát chất lượng và những thứ khác.
Đại lượng không điện
Sự tiện lợi của các phương pháp điện giúp bạn có thể mở rộng thành công chúng thành các phép đo các đại lượng vật lý khác nhau có bản chất phi điện, chẳng hạn như nhiệt độ, kích thước (tuyến tính và góc), biến dạng và nhiều đại lượng khác, cũng như để điều tra các quá trình hóa học và thành phần của các chất.
Dụng cụ đo điện của các đại lượng không dùng điện thường là một phức hợp của một cảm biến - một bộ chuyển đổi thành bất kỳ thông số mạch nào (điện áp,điện trở) và thiết bị đo điện. Có nhiều loại đầu dò, nhờ đó bạn có thể đo được nhiều loại đại lượng. Đây chỉ là một số ví dụ:
- Cảm biến đẳng áp. Trong các đầu dò như vậy, khi giá trị đo được tiếp xúc (ví dụ: khi mức chất lỏng hoặc thể tích của nó thay đổi), thanh trượt bộ lưu biến sẽ di chuyển, do đó thay đổi điện trở.
- Nhiệt điện trở. Điện trở của cảm biến trong các thiết bị loại này thay đổi dưới ảnh hưởng của nhiệt độ. Được sử dụng để đo tốc độ dòng khí, nhiệt độ, để xác định thành phần của hỗn hợp khí.
- Điện trở căng dây cho phép đo độ căng dây.
- Cảm biến quang giúp chuyển đổi sự thay đổi về độ chiếu sáng, nhiệt độ hoặc chuyển động thành dòng quang sau đó được đo.
- Đầu dò điện dung được sử dụng làm cảm biến hóa học không khí, chuyển vị, độ ẩm, áp suất.
- Đầu dò áp điện hoạt động trên nguyên tắc xuất hiện EMF trong một số vật liệu tinh thể khi được tác động cơ học lên chúng.
- Cảm biến cảm ứng dựa trên việc chuyển đổi các đại lượng như tốc độ hoặc gia tốc thành một emf cảm ứng.
Phát triển các dụng cụ và phương pháp đo điện
Có rất nhiều phương tiện để đo các đại lượng điện là do nhiều hiện tượng khác nhau, trong đó các thông số này đóng một vai trò quan trọng. Các quá trình và hiện tượng điện có rất nhiều ứng dụng trongtất cả các ngành - không thể chỉ ra một khu vực / u200b / u200b hoạt động của con người mà họ sẽ không tìm thấy ứng dụng. Điều này xác định phạm vi ngày càng mở rộng của các vấn đề về phép đo điện của các đại lượng vật lý. Sự đa dạng và cải tiến của các phương tiện và phương pháp để giải quyết những vấn đề này không ngừng phát triển. Đặc biệt phát triển nhanh chóng và thành công một hướng công nghệ đo lường như phép đo các đại lượng không điện bằng phương pháp điện.
Công nghệ đo điện hiện đại đang phát triển theo hướng tăng độ chính xác, khả năng chống nhiễu và tốc độ, cũng như tăng cường tự động hóa quá trình đo và xử lý kết quả. Các thiết bị đo lường đã đi từ các thiết bị cơ điện đơn giản nhất đến các thiết bị điện tử và kỹ thuật số, và xa hơn nữa là các hệ thống đo lường và tính toán mới nhất sử dụng công nghệ vi xử lý. Đồng thời, sự gia tăng vai trò của thành phần phần mềm của thiết bị đo rõ ràng là xu hướng phát triển chính.
