تشمل احتياجات العلم والتكنولوجيا العديد من القياسات ، والتي يتم تطوير وسائلها وطرقها باستمرار وتحسينها. وينتمي الدور الأهم في هذا المجال إلى قياسات الكميات الكهربائية والتي تستخدم على نطاق واسع في الصناعات المختلفة.
مفهوم القياسات
يتم قياس أي كمية فيزيائية بمقارنتها بكمية من نفس النوع من الظواهر ، تؤخذ كوحدة قياس. يتم عرض النتيجة التي تم الحصول عليها عن طريق المقارنة عدديًا بالوحدات المناسبة.
يتم تنفيذ هذه العملية بمساعدة أدوات قياس خاصة - أجهزة تقنية تتفاعل مع الكائن ، يتم قياس معلمات معينة منها. في هذه الحالة ، يتم استخدام طرق معينة - تقنيات يتم من خلالها مقارنة القيمة المقاسة بوحدة القياس.
هناك عدة علامات تستخدم كأساس لتصنيف قياسات الكميات الكهربائية حسب النوع:
- الكميةأفعال القياس. هنا يعد التعددية أو المرة الواحدة أمرًا ضروريًا.
- درجة الدقة. هناك قياسات فنية ورقابية وتحقق هي أدق القياسات وكذلك القياسات المتساوية وغير المتكافئة
- طبيعة التغيير في القيمة المقاسة بمرور الوقت. وفقًا لهذا المعيار ، تكون القياسات ثابتة وديناميكية. من خلال القياسات الديناميكية ، يتم الحصول على القيم اللحظية للكميات التي تتغير بمرور الوقت ، والقياسات الثابتة - بعض القيم الثابتة.
- تمثيل النتيجة. يمكن التعبير عن قياسات الكميات الكهربائية بشكل نسبي أو مطلق.
- طريقة الحصول على النتيجة المرجوة. وفقًا لهذه الميزة ، يتم تقسيم القياسات إلى مباشرة (يتم فيها الحصول على النتيجة بشكل مباشر) وغير مباشرة ، حيث يتم قياس الكميات المرتبطة بالقيمة المرغوبة من خلال بعض التبعية الوظيفية بشكل مباشر. في الحالة الأخيرة ، يتم حساب الكمية المادية المطلوبة من النتائج التي تم الحصول عليها. لذا ، فإن قياس التيار بأميتر هو مثال على القياس المباشر ، والقوة هي قياس غير مباشر.
القياسات
يجب أن تتمتع الأجهزة المخصصة للقياس بخصائص طبيعية ، وأن تحتفظ أيضًا لفترة معينة أو تعيد إنتاج وحدة القيمة التي صممت من أجلها.
تنقسم وسائل قياس الكميات الكهربائية إلى عدة فئات حسب الغرض:
- التدابير. تعمل هذه الأدوات على إعادة إنتاج قيمة بعض المعطياتالحجم - مثل ، على سبيل المثال ، المقاوم الذي يعيد إنتاج مقاومة معينة بخطأ معروف.
- قياس محولات الطاقة التي تشكل إشارة في شكل مناسب للتخزين والتحويل والنقل. معلومات من هذا النوع غير متوفرة للإدراك المباشر.
- أجهزة قياس كهربائية. تم تصميم هذه الأدوات لتقديم المعلومات في شكل يمكن للمراقب الوصول إليه. يمكن أن تكون محمولة أو ثابتة ، تمثيلية أو رقمية ، مسجلة أو تشير.
- تركيبات القياس الكهربائية هي مجمعات من الأدوات المذكورة أعلاه والأجهزة الإضافية ، مركزة في مكان واحد. تسمح الوحدات بقياسات أكثر تعقيدًا (على سبيل المثال ، الخصائص المغناطيسية أو المقاومة) ، تعمل كأجهزة تحقق أو مرجعية.
- أنظمة القياس الكهربائية هي أيضًا مجموعة من الوسائل المختلفة. ومع ذلك ، على عكس التركيبات ، يتم تفريق أجهزة قياس الكميات الكهربائية والوسائل الأخرى في النظام. بمساعدة الأنظمة ، يمكنك قياس عدة كميات وتخزين ومعالجة وإرسال إشارات معلومات القياس.
إذا كان من الضروري حل مشكلة قياس معقدة معينة ، يتم تشكيل مجمعات القياس والحساب التي تجمع بين عدد من الأجهزة ومعدات الحوسبة الإلكترونية.
خصائص أدوات القياس
أجهزة القياس لها خصائص معينة مهمةلأداء وظائفهم المباشرة. وتشمل هذه:
- الخصائص المترولوجية ، مثل الحساسية والعتبة ، ونطاق القياس لكمية كهربائية ، وخطأ الجهاز ، وقيمة القسمة ، والسرعة ، وما إلى ذلك.
- الخصائص الديناميكية ، مثل السعة (اعتماد اتساع إشارة خرج الجهاز على السعة عند الإدخال) أو الطور (اعتماد تحول الطور على تردد الإشارة).
- خصائص الأداء التي تعكس مدى تلبية الأداة لمتطلبات التشغيل في ظل ظروف معينة. وتشمل هذه خصائص مثل موثوقية المؤشرات ، والموثوقية (قابلية التشغيل ، والمتانة ، وتشغيل الجهاز بدون فشل) ، وقابلية الصيانة ، والسلامة الكهربائية ، والاقتصاد.
تم تحديد مجموعة خصائص المعدات من خلال المستندات التنظيمية والتقنية ذات الصلة لكل نوع من أنواع الأجهزة.
الأساليب المطبقة
يتم قياس الكميات الكهربائية بطرق مختلفة يمكن تصنيفها أيضًا وفقًا للمعايير التالية:
- نوع الظواهر الفيزيائية التي يتم على أساسها القياس (ظاهرة كهربائية أو مغناطيسية).
- طبيعة تفاعل أداة القياس مع الكائن. بناءً على ذلك ، يتم تمييز طرق الاتصال وعدم الاتصال لقياس الكميات الكهربائية.
- وضع القياس. وفقًا لذلك ، تكون القياسات ديناميكية وثابتة.
- طريقة القياس. تم تطويرها كطرق لتقدير مباشر عند طلب الكميةيتم تحديده مباشرة بواسطة الجهاز (على سبيل المثال ، مقياس التيار) ، وطرق أكثر دقة (صفر ، تفاضل ، معارضة ، استبدال) ، حيث يتم اكتشافه عن طريق المقارنة مع قيمة معروفة. تعمل المعوضات وجسور القياس الكهربائية للتيار المباشر والمتناوب كأجهزة مقارنة.
أدوات القياس الكهربائية: الأنواع والميزات
يتطلب قياس الكميات الكهربائية الأساسية مجموعة متنوعة من الأدوات. اعتمادًا على المبدأ المادي الذي يقوم عليه عملهم ، يتم تقسيمهم جميعًا إلى المجموعات التالية:
- يجب أن يكون للأجهزة الكهروميكانيكية دور متحرك في تصميمها. تشتمل هذه المجموعة الكبيرة من أدوات القياس على أجهزة كهروديناميكية ، وديناميكية حديدية ، وكهرومغناطيسية ، وكهرومغناطيسية ، وكهرومغناطيسية ، وأجهزة حث. على سبيل المثال ، يمكن استخدام المبدأ الكهرومغناطيسي ، والذي يستخدم على نطاق واسع جدًا ، كأساس لأجهزة مثل الفولتميتر ، والمقاييس ، والمقاييس ، والمقاييس الجلفانية. عدادات الكهرباء وعدادات التردد وغيرها تعتمد على مبدأ الاستقراء
- تتميز الأجهزة الإلكترونية بوجود كتل إضافية: محولات الكميات المادية ، ومكبرات الصوت ، والمحولات ، إلخ. وكقاعدة عامة ، في الأجهزة من هذا النوع ، يتم تحويل القيمة المقاسة إلى جهد ، ويعمل مقياس الفولتميتر أساسها الهيكلي. تستخدم أدوات القياس الإلكترونية كمقاييس التردد ، والسعة ، والمقاومة ، ومقاييس الحث ، وأجهزة الذبذبات.
- الكهروحراريةتجمع الأجهزة في تصميمها بين جهاز قياس من النوع الكهرومغناطيسي ومحول حراري يتكون من ازدواج حراري وسخان يتدفق من خلاله التيار المقاس. تستخدم الأدوات من هذا النوع بشكل أساسي لقياس التيارات عالية التردد.
- الكهروكيميائية. يعتمد مبدأ عملها على العمليات التي تحدث على الأقطاب الكهربائية أو في الوسط قيد الدراسة في الفضاء بين الأقطاب الكهربائية. أجهزة من هذا النوع تستخدم لقياس التوصيل الكهربائي وكمية الكهرباء وبعض الكميات غير الكهربائية.
وفقًا للخصائص الوظيفية ، يتم تمييز الأنواع التالية من أجهزة قياس الكميات الكهربائية:
- مبين (تشوير) - هذه هي الأجهزة التي تسمح فقط بالقراءة المباشرة لمعلومات القياس ، مثل مقاييس الواط أو مقياس أمبير.
- Recording - الأجهزة التي تسمح بإمكانية تسجيل القراءات ، على سبيل المثال ، راسمات الذبذبات الإلكترونية.
وفقًا لنوع الإشارة ، يتم تقسيم الأجهزة إلى أنالوج ورقم. إذا كان الجهاز يولد إشارة تكون دالة مستمرة للقيمة المقاسة ، فهي تمثيلية ، على سبيل المثال ، الفولتميتر ، والتي تُعطى قراءاتها باستخدام مقياس بسهم. في حالة إنشاء إشارة تلقائيًا في الجهاز على شكل دفق من القيم المنفصلة التي تدخل الشاشة في شكل رقمي ، يتحدث المرء عن أداة قياس رقمية.
للأجهزة الرقمية بعض العيوب مقارنة بالأدوات التناظرية: موثوقية أقل ،الحاجة لإمدادات الطاقة ، تكلفة أعلى. ومع ذلك ، فهي تتميز أيضًا بمزايا مهمة تجعل استخدام الأجهزة الرقمية بشكل عام أكثر تفضيلًا: سهولة الاستخدام ، والدقة العالية والحصانة من الضوضاء ، وإمكانية التعميم ، والجمع بين الكمبيوتر ونقل الإشارات عن بُعد دون فقدان الدقة.
عدم الدقة و دقة الأدوات
أهم ما يميز أداة القياس الكهربائية هو فئة الدقة. لا يمكن إجراء قياس الكميات الكهربائية ، مثل أي قياس آخر ، دون مراعاة أخطاء الجهاز الفني ، وكذلك العوامل الإضافية (المعاملات) التي تؤثر على دقة القياس. تسمى القيم الحدية للأخطاء المعطاة المسموح بها لهذا النوع من الأجهزة بالمعايرة ويتم التعبير عنها كنسبة مئوية. إنهم يحددون فئة الدقة لجهاز معين.
الفئات القياسية المستخدمة لتمييز موازين أجهزة القياس هي كما يلي: 4 ، 0 ؛ 2 ، 5 خمسة عشر؛ عشرة؛ 0.5 ؛ 0.2 ؛ 0.1 ؛ 0.05. وفقًا لها ، يتم إنشاء تقسيم وفقًا للغرض: الأجهزة التي تنتمي إلى فئات من 0.05 إلى 0.2 هي أجهزة نموذجية ، والفئتان 0.5 و 1.0 بها أجهزة معملية ، وأخيراً ، الأجهزة من الفئات 1 ، 5-4 ، 0 تقنية
عند اختيار جهاز قياس ، من الضروري أن يتوافق مع فئة المشكلة التي يتم حلها ، بينما يجب أن يكون الحد الأعلى للقياس أقرب ما يمكن إلى القيمة العددية للقيمة المطلوبة. أي أنه كلما زاد انحراف مؤشر الأداة ، كلما كان الخطأ النسبي للقياس أصغر.في حالة توفر أدوات من الدرجة المنخفضة فقط ، يجب تحديد الجهاز الذي يحتوي على أصغر نطاق تشغيل. باستخدام هذه الطرق ، يمكن إجراء قياسات الكميات الكهربائية بدقة تامة. في هذه الحالة ، تحتاج أيضًا إلى مراعاة نوع مقياس الجهاز (موحد أو غير متساوٍ ، مثل مقاييس الأومتر).
كميات الكهرباء الاساسيه ووحداتها
في أغلب الأحيان ، ترتبط القياسات الكهربائية بمجموعة الكميات التالية:
- القوة الحالية (أو الحالية ببساطة) I. تشير هذه القيمة إلى مقدار الشحنة الكهربائية التي تمر عبر قسم الموصل في ثانية واحدة. يتم قياس شدة التيار الكهربائي بالأمبير (أ) باستخدام مقياس الأمبير ، ومقاييس التيار (أجهزة اختبار ، ما يسمى بـ "tseshek") ، أجهزة القياس الرقمية المتعددة ، محولات الأجهزة.
- كمية الكهرباء (الشحن) ف. تحدد هذه القيمة إلى أي مدى يمكن أن يكون جسم مادي معين مصدرًا للمجال الكهرومغناطيسي. تقاس الشحنة الكهربائية بوحدة الكولوم (C). 1 ج (أمبير- ثانية)=1 أ ∙ 1 ث. أدوات القياس هي عدادات الكهرباء أو عدادات الشحن الإلكترونية (كولوم متر).
- Voltage U. يعبر عن فرق الجهد (طاقة الشحن) الموجود بين نقطتين مختلفتين في المجال الكهربائي. بالنسبة لكمية كهربائية معينة ، تكون وحدة القياس هي الفولت (V). إذا كان من أجل نقل شحنة مقدارها 1 كولوم من نقطة إلى أخرى ، فإن الحقل يعمل بمقدار 1 جول (أي يتم إنفاق الطاقة المقابلة) ، إذنفرق الجهد - الجهد - بين هذه النقاط هو 1 فولت: 1 فولت \u003d 1 جول / 1 سي. يتم قياس الجهد الكهربائي باستخدام الفولتميترات الرقمية أو التناظرية (الفاحصات).
- المقاومة R. وتميز قدرة الموصل على منع مرور التيار الكهربائي من خلاله. وحدة المقاومة أوم. 1 أوم هي مقاومة موصل بجهد 1 فولت عند نهايات تيار 1 أمبير: 1 أوم=1 فولت / 1 أ. المقاومة تتناسب طرديًا مع المقطع العرضي وطول الموصل. تستخدم مقاييس الأوم ، والمقاييس ، والمالتيمترات لقياسها.
- الموصلية الكهربائية (الموصلية) G هي مقاومة متبادلة. يقاس بالسيمنز (سم): 1 سم=1 أوم-1.
- السعة C هي مقياس لقدرة الموصل على تخزين الشحنة ، وهي أيضًا إحدى الكميات الكهربائية الأساسية. وحدة قياسها هي الفاراد (F). بالنسبة للمكثف ، يتم تعريف هذه القيمة على أنها السعة المتبادلة للوحات وتساوي نسبة الشحنة المتراكمة إلى فرق الجهد على الألواح. تزداد سعة المكثف المسطح مع زيادة مساحة الألواح وتقليل المسافة بينهما. إذا تم إنشاء جهد 1 فولت على الألواح ، بشحن قلادة واحدة ، فإن سعة مثل هذا المكثف ستكون مساوية لـ 1 فاراد: 1 F \u003d 1 C / 1 V. يتم إجراء القياس باستخدام أجهزة خاصة - أجهزة قياس السعة أو أجهزة رقمية متعددة.
- الطاقة P هي قيمة تعكس السرعة التي يتم بها نقل (تحويل) الطاقة الكهربائية. كوحدة نظام السلطة المعتمدةواط (واط ، 1 واط=1J / ثانية). يمكن أيضًا التعبير عن هذه القيمة من حيث ناتج الجهد وقوة التيار: 1 W=1 V ∙ 1 A. بالنسبة لدارات التيار المتردد ، الطاقة النشطة (المستهلكة) Pa، التفاعلية Pra(لا تشارك في تشغيل التيار) والقدرة الكاملة P. عند القياس ، يتم استخدام الوحدات التالية لها: واط ، فار (يرمز إلى "فولت أمبير تفاعلي") وبالتالي ، فولت أمبير V ∙ A. أبعادها هي نفسها ، وتعمل على التمييز بين الكميات المشار إليها. أدوات قياس القدرة - مقاييس الوات التناظرية أو الرقمية. القياسات غير المباشرة (على سبيل المثال ، استخدام مقياس التيار) لا تنطبق دائمًا. لتحديد كمية مهمة مثل عامل القدرة (معبراً عنه بزاوية إزاحة الطور) ، يتم استخدام أجهزة تسمى مقاييس الطور.
- التردد و. هذه خاصية للتيار المتناوب ، حيث تبين عدد دورات التغيير في حجمه واتجاهه (في الحالة العامة) على مدى فترة ثانية واحدة. وحدة التردد هي الثانية المقلوبة ، أو هيرتز (هرتز): 1 هرتز=1 ثانية-1. يتم قياس هذه القيمة عن طريق فئة واسعة من الأجهزة تسمى عدادات التردد.
الكميات المغناطيسية
ترتبط المغناطيسية ارتباطًا وثيقًا بالكهرباء ، لأن كلاهما مظهر من مظاهر عملية فيزيائية أساسية واحدة - الكهرومغناطيسية. لذلك ، فإن الاتصال الوثيق أيضًا هو سمة من سمات طرق ووسائل قياس الكميات الكهربائية والمغناطيسية. ولكن هناك أيضًا فروق دقيقة. كقاعدة عامة ، عند تحديد هذا الأخير ، عمليايتم إجراء قياس كهربائي. يتم الحصول على القيمة المغناطيسية بشكل غير مباشر من العلاقة الوظيفية التي تربطها بالقيمة الكهربائية.
القيم المرجعية في منطقة القياس هذه هي الحث المغناطيسي وقوة المجال والتدفق المغناطيسي. يمكن تحويلها باستخدام ملف القياس للجهاز إلى EMF ، والتي يتم قياسها ، وبعد ذلك يتم حساب القيم المطلوبة.
- يتم قياس التدفق المغناطيسي باستخدام أدوات مثل مقاييس Webermeters (الكهروضوئية والمغناطيسية والتناظرية الإلكترونية والرقمية) ومقاييس الجلفانومتر الباليستية شديدة الحساسية.
- يتم قياس الحث وقوة المجال المغناطيسي باستخدام مقياس teslameters المجهز بأنواع مختلفة من محولات الطاقة.
قياس الكميات الكهربائية والمغناطيسية المرتبطة بشكل مباشر ، يسمح بحل العديد من المشاكل العلمية والتقنية ، على سبيل المثال ، دراسة النواة الذرية والمجال المغناطيسي للشمس والأرض والكواكب ، ودراسة الخواص المغناطيسية للمواد المختلفة وضبط الجودة وغيرها.
كميات غير كهربائية
راحة الأساليب الكهربائية تجعل من الممكن توسيعها بنجاح إلى قياسات كميات فيزيائية مختلفة ذات طبيعة غير كهربائية ، مثل درجة الحرارة ، والأبعاد (الخطية والزاوية) ، والتشوه ، وغيرها الكثير ، وكذلك للتحقيق في العمليات الكيميائية وتكوين المواد.
عادة ما تكون أدوات القياس الكهربائي للكميات غير الكهربائية معقدة من المستشعر - محول إلى أي معلمة دارة (الجهد ،المقاومة) وجهاز القياس الكهربائي. هناك أنواع عديدة من محولات الطاقة ، والتي بفضلها يمكنك قياس كميات متنوعة. فيما يلي بعض الأمثلة فقط:
- مستشعرات ريوستاتيكية. في مثل هذه المحولات ، عندما تتعرض القيمة المقاسة (على سبيل المثال ، عندما يتغير مستوى السائل أو حجمه) ، يتحرك شريط التمرير المتغير ، وبالتالي يتغير المقاومة.
- ثرمستورات. تتغير مقاومة المستشعر في الأجهزة من هذا النوع تحت تأثير درجة الحرارة. تستخدم لقياس معدل تدفق الغاز ، ودرجة الحرارة ، لتحديد تكوين مخاليط الغاز.
- مقاومة الانفعال تسمح بقياسات إجهاد السلك.
- مستشعرات ضوئية تقوم بتحويل التغيير في الإضاءة أو درجة الحرارة أو الحركة إلى تيار ضوئي ثم قياسه.
- محولات طاقة سعوية تستخدم كمستشعرات لكيمياء الهواء ، والإزاحة ، والرطوبة ، والضغط.
- تعمل محولات الطاقة الكهرضغطية على مبدأ حدوث EMF في بعض المواد البلورية عند تطبيقها ميكانيكيًا.
- تعتمد المستشعرات الاستقرائية على تحويل كميات مثل السرعة أو التسارع إلى emf مستحث.
تطوير أدوات وطرق القياس الكهربائي
ترجع مجموعة متنوعة من وسائل قياس الكميات الكهربائية إلى العديد من الظواهر المختلفة التي تلعب فيها هذه المعلمات دورًا مهمًا. العمليات والظواهر الكهربائية لها مجموعة واسعة للغاية من الاستخدامات فيجميع الصناعات - من المستحيل الإشارة إلى مثل هذه المنطقة من النشاط البشري حيث لن يجدوا التطبيق. يحدد هذا النطاق المتزايد باستمرار لمشاكل القياسات الكهربائية للكميات الفيزيائية. إن تنوع وتحسين وسائل وطرق حل هذه المشاكل آخذ في الازدياد باستمرار. يطور بشكل سريع وناجح مثل هذا الاتجاه لتقنية القياس مثل قياس الكميات غير الكهربائية بالطرق الكهربائية.
تتطور تقنية القياس الكهربائي الحديثة في اتجاه زيادة الدقة ومناعة الضوضاء والسرعة ، بالإضافة إلى زيادة أتمتة عملية القياس ومعالجة نتائجها. انتقلت أدوات القياس من أبسط الأجهزة الكهروميكانيكية إلى الأجهزة الإلكترونية والرقمية ، ثم إلى أحدث أنظمة القياس والحساب باستخدام تقنية المعالجات الدقيقة. في الوقت نفسه ، من الواضح أن الزيادة في دور مكون البرامج في أجهزة القياس هي اتجاه التطوير الرئيسي.
