צורכי המדע והטכנולוגיה כוללים שפע של מדידות, שהאמצעים והשיטות שלהן מפותחים ומשופרים ללא הרף. התפקיד החשוב ביותר בתחום זה שייך למדידות של כמויות חשמל, הנמצאות בשימוש נרחב בתעשיות שונות.
המושג של מדידות
מדידה של כל כמות פיזיקלית נעשית על ידי השוואתה לכמות כלשהי מאותו סוג של תופעות, הנלקחת כיחידת מדידה. התוצאה המתקבלת בהשוואה מוצגת מספרית ביחידות המתאימות.
פעולה זו מתבצעת בעזרת מכשירי מדידה מיוחדים - מכשירים טכניים המקיימים אינטראקציה עם האובייקט, אשר יש למדוד פרמטרים מסוימים שלהם. במקרה זה, נעשה שימוש בשיטות מסוימות - טכניקות שבהן הערך הנמדד מושווה ליחידת המדידה.
ישנם מספר סימנים המשמשים בסיס לסיווג מדידות של כמויות חשמל לפי סוג:
- כמותפעולות מדידה. כאן החד פעמי או הריבוי שלהם חיוני.
- דרגת דיוק. ישנן מידות טכניות, בקרה ואימות, המדידות המדויקות ביותר, וכן מדידות שוות ולא שוות.
- אופי השינוי בערך הנמדד לאורך זמן. על פי קריטריון זה, המדידות הן סטטיות ודינמיות. באמצעות מדידות דינמיות מתקבלים ערכים מיידיים של כמויות המשתנות עם הזמן, ומדידות סטטיות - כמה ערכים קבועים.
- ייצוג התוצאה. ניתן לבטא מדידות של כמויות חשמליות בצורה יחסית או מוחלטת.
- הדרך להשיג את התוצאה הרצויה. על פי תכונה זו, המדידות מחולקות לישירות (בהן התוצאה מתקבלת ישירות) ולעקיף, שבהן נמדדות ישירות הכמויות הקשורות לערך הרצוי על ידי תלות תפקודית כלשהי. במקרה האחרון, הכמות הפיזית הנדרשת מחושבת מהתוצאות שהתקבלו. אז, מדידת זרם עם מד זרם היא דוגמה למדידה ישירה, והספק הוא עקיף.
מדידות
התקנים המיועדים למדידה חייבים להיות בעלי מאפיינים מנורמלים, וגם לשמור לזמן מסוים או לשחזר את יחידת הערך עבורו הם מיועדים.
האמצעים למדידת כמויות חשמל מחולקים למספר קטגוריות בהתאם למטרה:
- אמצעים. כלים אלה משמשים לשחזר את הערך של נתון כלשהוגודל - כמו, למשל, נגד שמשחזר התנגדות מסוימת עם שגיאה ידועה.
- מתמרי מדידה היוצרים אות בצורה נוחה לאחסון, המרה, שידור. מידע מסוג זה אינו זמין לתפיסה ישירה.
- מכשירי מדידה חשמליים. כלים אלו נועדו להציג מידע בצורה נגישה למתבונן. הם יכולים להיות ניידים או נייחים, אנלוגיים או דיגיטליים, הקלטה או איתות.
- מתקני מדידה חשמליים הם קומפלקסים של הכלים הנ"ל והתקנים נוספים, מרוכזים במקום אחד. היחידות מאפשרות מדידות מורכבות יותר (לדוגמה, מאפיינים מגנטיים או התנגדות), משמשות כהתקני אימות או ייחוס.
- מערכות מדידה חשמליות הן גם שילוב של אמצעים שונים. עם זאת, בשונה מהתקנות, מפוזרים מתקנים למדידת כמויות חשמל ואמצעים נוספים במערכת. בעזרת מערכות ניתן למדוד מספר כמויות, לאחסן, לעבד ולשדר אותות מידע מדידה.
אם יש צורך לפתור בעיית מדידה מורכבת ספציפית, נוצרים מתחמי מדידה ומחשוב המשלבים מספר מכשירים וציוד מחשוב אלקטרוני.
מאפיינים של מכשירי מדידה
להתקני ציוד מדידה יש מאפיינים מסוימים שחשוביםלבצע את תפקידיהם הישירים. אלה כוללים:
- מאפיינים מטרולוגיים, כגון רגישות וסף שלה, טווח מדידה של כמות חשמלית, שגיאת מכשיר, ערך חלוקה, מהירות וכו'.
- מאפיינים דינמיים, כגון משרעת (תלות של משרעת אות המוצא של המכשיר באמפליטודה בכניסה) או פאזה (תלות של הסטת הפאזה בתדר האות).
- מאפייני ביצועים המשקפים את המידה שבה המכשיר עומד בדרישות הפעולה בתנאים מסוימים. אלה כוללים מאפיינים כגון מהימנות האינדיקציות, מהימנות (תפעול, עמידות ותפעול לא תקלה של המכשיר), תחזוקה, בטיחות חשמל, חסכון.
מערך מאפייני הציוד נקבע על ידי המסמכים הרגולטוריים והטכניים הרלוונטיים עבור כל סוג של מכשיר.
שיטות יישומו
מדידה של כמויות חשמל מתבצעת בשיטות שונות, אותן ניתן גם לסווג לפי הקריטריונים הבאים:
- סוג של תופעות פיזיקליות שעל בסיסן מתבצעת המדידה (תופעות חשמליות או מגנטיות).
- אופי האינטראקציה של כלי המדידה עם האובייקט. בהתאם לכך, שיטות מגע וללא מגע למדידת כמויות חשמל.
- מצב מדידה. לפי זה, המדידות הן דינמיות וסטטיות.
- שיטת מדידה. פותח כשיטות לאומדן ישיר כאשר הכמות המבוקשתנקבע ישירות על ידי המכשיר (לדוגמה, מד זרם), ושיטות מדויקות יותר (אפס, דיפרנציאל, אופוזיציה, החלפה), שבהן הוא מזוהה בהשוואה לערך ידוע. מפצים וגשרי מדידה חשמליים של זרם ישר וזרם חילופין משמשים כאמצעי השוואה.
מכשירי מדידה חשמליים: סוגים ותכונות
מדידה של כמויות חשמל בסיסיות דורשת מגוון רחב של מכשירים. בהתאם לעיקרון הפיזי העומד בבסיס עבודתם, כולם מחולקים לקבוצות הבאות:
- התקנים אלקטרומכניים חייבים להיות בעלי חלק נע בעיצובם. קבוצה גדולה זו של מכשירי מדידה כוללת מכשירים אלקטרודינמיים, פרודינמיים, מגנטו-אלקטריים, אלקטרומגנטיים, אלקטרוסטטים, מכשירי אינדוקציה. לדוגמה, העיקרון המגנו-אלקטרי, שנמצא בשימוש נרחב מאוד, יכול לשמש כבסיס להתקנים כגון מדי מתח, אממטרים, אוהםמטרים, גלוונומטרים. מדי חשמל, מדי תדר וכו' מבוססים על עקרון האינדוקציה.
- התקנים אלקטרוניים נבדלים בנוכחות בלוקים נוספים: ממירי גדלים פיזיים, מגברים, ממירים וכו'. ככלל, במכשירים מסוג זה, הערך הנמדד מומר למתח, ומד מתח משמש כ. הבסיס המבני שלהם. מכשירי מדידה אלקטרוניים משמשים כמדדי תדר, קיבול, התנגדות, מדי השראות, אוסילוסקופים.
- תרמו-חשמלימכשירים משלבים בעיצובם מכשיר מדידה מסוג מגנו-אלקטרי וממיר תרמי שנוצר על ידי צמד תרמי ומחמם שדרכו זורם הזרם הנמדד. מכשירים מסוג זה משמשים בעיקר למדידת זרמים בתדר גבוה.
- אלקטרוכימי. עקרון פעולתם מבוסס על התהליכים המתרחשים על האלקטרודות או במדיום הנחקר בחלל הבין-אלקטרודות. מכשירים מסוג זה משמשים למדידת מוליכות חשמלית, כמות החשמל וכמה כמויות לא חשמליות.
על פי מאפיינים פונקציונליים, נבדלים סוגי המכשירים הבאים למדידת כמויות חשמליות:
- אינדיקציה (אותות) - אלה מכשירים המאפשרים רק קריאה ישירה של מידע מדידה, כגון מדי וואט או מדי זרם.
- הקלטה - מכשירים המאפשרים אפשרות להקליט קריאות, למשל אוסילוסקופים אלקטרוניים.
לפי סוג האות, המכשירים מחולקים לאנלוגי ודיגיטלי. אם המכשיר מייצר אות שהוא פונקציה מתמשכת של הערך הנמדד, הוא אנלוגי, למשל, מד מתח, שהקריאות שלו ניתנות באמצעות סולם עם חץ. במקרה שבו נוצר אות אוטומטי במכשיר בצורה של זרם של ערכים בדידים שנכנס לתצוגה בצורה מספרית, מדברים על מכשיר מדידה דיגיטלי.
למכשירים דיגיטליים יש כמה חסרונות בהשוואה לאנלוגים: פחות אמינות,צורך באספקת חשמל, עלות גבוהה יותר. עם זאת, הם גם נבדלים ביתרונות משמעותיים שבדרך כלל הופכים את השימוש במכשירים דיגיטליים לעדיפים יותר: קלות שימוש, דיוק גבוה וחסינות רעשים, אפשרות לאוניברסליזציה, שילוב עם מחשב והעברת אותות מרחוק ללא אובדן דיוק.
אי דיוקים ודיוק של מכשירים
המאפיין החשוב ביותר של מכשיר מדידה חשמלי הוא דרגת הדיוק. מדידת כמויות חשמליות, כמו כל אחת אחרת, אינה יכולה להתבצע מבלי לקחת בחשבון את השגיאות של המכשיר הטכני, כמו גם גורמים נוספים (מקדמים) המשפיעים על דיוק המדידה. ערכי הגבול של השגיאות הנתונות המותרות עבור סוג זה של מכשיר נקראים מנורמלים ומבוטאים באחוזים. הם קובעים את דרגת הדיוק של מכשיר מסוים.
מחלקות סטנדרטיות המשמשות לסימון סולמות של מכשירי מדידה הן כדלקמן: 4, 0; 2, 5; חֲמֵשׁ עֶשׂרֵה; עשר; 0.5; 0.2; 0.1; 0.05 בהתאם להם נקבעת חלוקה לפי מטרה: מכשירים השייכים למחלקות מ-0.05 עד 0.2 הם דוגמה, למחלקות 0.5 ו-1.0 יש מכשירי מעבדה, ולבסוף, מכשירים מהמחלקות 1, 5-4, 0 הם טכניים..
בבחירת מכשיר מדידה, יש צורך שתתאים למחלקה של הבעיה הנפתרת, בעוד שגבול המדידה העליון צריך להיות קרוב ככל האפשר לערך המספרי של הערך הרצוי. כלומר, ככל שניתן להגיע לסטייה של מצביע המכשיר גדולה יותר, כך השגיאה היחסית של המדידה תהיה קטנה יותר.אם זמינים רק מכשירים ברמה נמוכה, יש לבחור את זה עם טווח הפעולה הקטן ביותר. באמצעות שיטות אלה ניתן לבצע מדידות של כמויות חשמליות בצורה מדויקת למדי. במקרה זה, עליך לקחת בחשבון גם את סוג קנה המידה של המכשיר (אחיד או לא אחיד, כגון מאזני אוהם).
כמויות חשמל בסיסיות והיחידות שלהן
לרוב, מדידות חשמליות משויכות לקבוצת הכמויות הבאה:
- חוזק זרם (או פשוט זרם) I. ערך זה מציין את כמות המטען החשמלי העובר דרך קטע המוליך בשנייה אחת. מדידת גודל הזרם החשמלי מתבצעת באמפר (A) באמצעות אמפרמטרים, אבוממטרים (בודקים, מה שנקרא "צשק"), מולטימטרים דיגיטליים, שנאי מכשירים.
- כמות החשמל (טעינה) ש. ערך זה קובע באיזו מידה גוף פיזי מסוים יכול להיות מקור לשדה אלקטרומגנטי. מטען חשמלי נמדד בקולומים (C). 1 C (אמפר-שנייה)=1 A ∙ 1 s. מכשירי המדידה הם אלקטרומטרים או מדי מטען אלקטרוניים (מטרי קולומב).
- Voltage U. מבטא את ההבדל הפוטנציאלי (אנרגיית המטען) הקיים בין שתי נקודות שונות של השדה החשמלי. עבור כמות חשמלית נתונה, יחידת המדידה היא וולט (V). אם כדי להעביר מטען של 1 קולומב מנקודה אחת לאחרת, השדה עושה עבודה של 1 ג'ול (כלומר, האנרגיה המתאימה מתבזבזת), אזהפרש הפוטנציאל - מתח - בין נקודות אלה הוא 1 וולט: 1 V \u003d 1 J / 1 C. מדידת המתח החשמלי מתבצעת באמצעות מדי מתח, מודד דיגיטלי או אנלוגי (בודקים).
- התנגדות R. מאפיין את יכולתו של מוליך למנוע מעבר זרם חשמלי דרכו. יחידת ההתנגדות היא אוהם. 1 אוהם היא ההתנגדות של מוליך עם מתח של 1 וולט בקצוות לזרם של 1 אמפר: 1 אוהם=1 V / 1 A. ההתנגדות פרופורציונלית ישירה לחתך ולאורך המוליך. אוהמטרים, מומטרים, מולטימטרים משמשים למדידה.
- מוליכות חשמלית (מוליכות) G היא ההדדיות של ההתנגדות. נמדד בסימנס (ס"מ): 1 ס"מ=1 אוהם-1.
- קיבולת C היא מדד ליכולתו של מוליך לאחסן מטען, גם הוא אחד מהגדלים החשמליים הבסיסיים. יחידת המידה שלו היא הפארד (F). עבור קבל, ערך זה מוגדר כקיבול ההדדי של הלוחות והוא שווה ליחס בין המטען המצטבר להפרש הפוטנציאל על הלוחות. הקיבול של קבל שטוח עולה עם עלייה בשטח הלוחות ועם ירידה במרחק ביניהם. אם, עם מטען של 1 תליון, נוצר מתח של 1 וולט על הלוחות, אז הקיבול של קבל כזה יהיה שווה ל-1 פארד: 1 F \u003d 1 C / 1 V. המדידה מתבצעת באמצעות מכשירים מיוחדים - מדי קיבול או מולטימטרים דיגיטליים.
- Power P הוא ערך המשקף את המהירות שבה מתבצעת ההעברה (המרה) של אנרגיה חשמלית. כיחידת מערכת של כוח שאומצהוואט (W; 1 W=1J/s). ניתן לבטא ערך זה גם במונחים של מכפלת המתח וחוזק הזרם: 1 W=1 V ∙ 1 A. עבור מעגלי AC, הספק פעיל (נצרך) Pa, P תגובתי ra (אינו לוקח חלק בפעולת הזרם) והספק מלא P. בעת המדידה משתמשים ביחידות הבאות עבורם: וואט, var (מייצג "וולט-אמפר תגובתי") ובהתאם, וולט-אמפר V ∙ BUT. הממדים שלהם זהים, והם משמשים להבחין בין הכמויות המצוינות. מכשירים למדידת הספק - מדי וואטים אנלוגיים או דיגיטליים. מדידות עקיפות (לדוגמה, שימוש במד זרם) לא תמיד ישימות. כדי לקבוע כמות כה חשובה כמו גורם ההספק (המבוטא במונחים של זווית הסטת פאזה), משתמשים במכשירים הנקראים מדי פאזה.
- תדירות f. זהו מאפיין של זרם חילופין, המראה את מספר מחזורי השינוי בגודלו ובכיווןו (במקרה הכללי) על פני תקופה של שנייה אחת. יחידת התדר היא השניה ההדדית, או הרץ (הרץ): 1 הרץ=1 s-1. ערך זה נמדד באמצעות מחלקה נרחבת של מכשירים הנקראים מדי תדר.
כמויות מגנטיות
מגנטיות קשורה קשר הדוק לחשמל, מכיוון ששניהם הם ביטויים של תהליך פיזיקלי בסיסי אחד - אלקטרומגנטיות. לכן, קשר הדוק לא פחות מאפיין שיטות ואמצעים למדידת כמויות חשמליות ומגנטיות. אבל יש גם ניואנסים. ככלל, כאשר קובעים את האחרון, באופן מעשימתבצעת מדידה חשמלית. הערך המגנטי מתקבל בעקיפין מהקשר הפונקציונלי שמחבר אותו עם החשמלי.
ערכי הייחוס באזור מדידה זה הם אינדוקציה מגנטית, חוזק שדה ושטף מגנטי. ניתן להמיר אותם באמצעות סליל המדידה של המכשיר ל-EMF, הנמדד, ולאחר מכן מחושבים את הערכים הנדרשים.
- שטף מגנטי נמדד באמצעות מכשירים כמו ווברמטרים (פוטו-וולטאיים, מגנו-אלקטריים, אנלוגיים אלקטרוניים ודיגיטליים) ומדדים בליסטיים רגישים במיוחד.
- האינדוקציה וחוזק השדה המגנטי נמדדים באמצעות טסלמטרים המצוידים בסוגים שונים של מתמרים.
מדידה של כמויות חשמליות ומגנטיות, הקשורות ישירות, מאפשרת לפתור בעיות מדעיות וטכניות רבות, למשל, חקר הגרעין האטומי והשדה המגנטי של השמש, כדור הארץ וכוכבי לכת, חקר תכונות מגנטיות של חומרים שונים, בקרת איכות ועוד.
כמויות לא חשמליות
הנוחות של שיטות חשמליות מאפשרת להרחיב אותן בהצלחה למדידות של כמויות פיזיקליות שונות בעלות אופי לא חשמלי, כגון טמפרטורה, ממדים (לינארים וזוויתיים), דפורמציה ועוד רבים אחרים, כמו גם לחקור תהליכים כימיים והרכב החומרים.
מכשירים למדידה חשמלית של כמויות לא חשמליות הם בדרך כלל קומפלקס של חיישן - ממיר לכל פרמטר מעגל (מתח,התנגדות) ומכשיר מדידה חשמלי. ישנם סוגים רבים של מתמרים, שבזכותם ניתן למדוד מגוון של כמויות. הנה רק כמה דוגמאות:
- חיישנים ריאוסטטיים. במתמרים כאלה, כאשר הערך הנמדד נחשף (לדוגמה, כאשר מפלס הנוזל או נפחו משתנה), מחוון הריאוסטט זז, ובכך משנה את ההתנגדות.
- תרמיסטורים. ההתנגדות של החיישן במכשירים מסוג זה משתנה בהשפעת הטמפרטורה. משמש למדידת קצב זרימת גז, טמפרטורה, כדי לקבוע את הרכב תערובות הגז.
- התנגדות מתח מאפשרת מדידות מתיחה של חוט.
- חיישני תמונה הממירים שינוי בתאורה, בטמפרטורה או בתנועה לזרם צילום ולאחר מכן נמדדים.
- מתמרים קיבוליים המשמשים כחיישנים לכימיה של אוויר, תזוזה, לחות, לחץ.
- מתמרים פיזואלקטריים פועלים על פי העיקרון של התרחשות EMF בחומרים גבישיים מסוימים כאשר הם מיושמים עליהם באופן מכני.
- חיישנים אינדוקטיביים מבוססים על המרה של כמויות כמו מהירות או תאוצה ל-emf מושרה.
פיתוח מכשירי מדידה חשמליים ושיטות
מגוון רחב של אמצעים למדידת כמויות חשמליות נובע מתופעות רבות ושונות בהן פרמטרים אלו ממלאים תפקיד משמעותי. לתהליכים ותופעות חשמליים יש מגוון רחב ביותר של שימושים בכל הענפים - אי אפשר לציין תחום כזה של פעילות אנושית שבו לא ימצאו יישום. זה קובע את טווח הבעיות ההולך ומתרחב של מדידות חשמליות של כמויות פיזיות. המגוון והשיפור של האמצעים והשיטות לפתרון בעיות אלו הולכים וגדלים כל הזמן. מפתחת במהירות ובהצלחה כיוון כזה של טכנולוגיית מדידה כמו מדידת כמויות לא חשמליות בשיטות חשמליות.
טכנולוגיית מדידה חשמלית מודרנית מתפתחת בכיוון של הגברת הדיוק, חסינות רעשים ומהירות, כמו גם הגברת האוטומציה של תהליך המדידה ועיבוד תוצאותיו. מכשירי המדידה הפכו מהמכשירים האלקטרו-מכניים הפשוטים ביותר למכשירים אלקטרוניים ודיגיטליים, ובהמשך למערכות המדידה והמחשוב העדכניות ביותר בטכנולוגיית מיקרו-מעבד. יחד עם זאת, הגידול בתפקיד רכיב התוכנה של מכשירי מדידה הוא, מן הסתם, מגמת הפיתוח העיקרית.
