As necessidades da ciência e da tecnologia incluem uma infinidade de medições, cujos meios e métodos estão constantemente sendo desenvolvidos e aprimorados. O papel mais importante nesta área pertence às medições de grandezas elétricas, que são amplamente utilizadas em diversas indústrias.
O conceito de medidas
A medida de qualquer quantidade física é feita comparando-a com alguma quantidade do mesmo tipo de fenômeno, tomada como unidade de medida. O resultado obtido por comparação é apresentado numericamente nas unidades apropriadas.
Esta operação é realizada com a ajuda de instrumentos de medição especiais - dispositivos técnicos que interagem com o objeto, cujos parâmetros devem ser medidos. Neste caso, certos métodos são usados - técnicas pelas quais o valor medido é comparado com a unidade de medida.
Existem vários sinais que servem de base para classificar medidas de grandezas elétricas por tipo:
- Quantidadeatos de medição. Aqui o seu one-time ou multiplicidade é essencial.
- Grau de precisão. Existem técnicas, controle e verificação, as medições mais precisas, bem como medições iguais e desiguais.
- A natureza da mudança no valor medido ao longo do tempo. De acordo com este critério, as medições são estáticas e dinâmicas. Através de medições dinâmicas, são obtidos valores instantâneos de grandezas que mudam ao longo do tempo, e medições estáticas - alguns valores constantes.
- Representação do resultado. As medições de grandezas elétricas podem ser expressas em forma relativa ou absoluta.
- A maneira de obter o resultado desejado. De acordo com esse recurso, as medidas são divididas em diretas (em que o resultado é obtido diretamente) e indiretas, em que são medidas diretamente as grandezas associadas ao valor desejado por alguma dependência funcional. Neste último caso, a quantidade física necessária é calculada a partir dos resultados obtidos. Assim, medir a corrente com um amperímetro é um exemplo de medição direta e a potência é indireta.
Medidas
Os dispositivos destinados à medição devem ter características normalizadas, e também reter por um determinado tempo ou reproduzir a unidade do valor a que se destinam.
Os meios para medir grandezas elétricas são divididos em várias categorias, dependendo da finalidade:
- Medidas. Essas ferramentas servem para reproduzir o valor de alguns dadostamanho - como, por exemplo, um resistor que reproduz uma certa resistência com um erro conhecido.
- Transdutores de medição que formam um sinal de forma conveniente para armazenamento, conversão, transmissão. Informações deste tipo não estão disponíveis para percepção direta.
- Dispositivos de medição elétricos. Essas ferramentas são projetadas para apresentar informações de forma acessível ao observador. Podem ser portáteis ou estacionários, analógicos ou digitais, gravação ou sinalização.
- Instalações de medição elétrica são complexos das ferramentas acima e dispositivos adicionais, concentrados em um só lugar. As unidades permitem medições mais complexas (por exemplo, características magnéticas ou resistividade), servem como dispositivos de verificação ou referência.
- Os sistemas de medição elétrica também são uma combinação de vários meios. No entanto, ao contrário das instalações, os dispositivos de medição de grandezas elétricas e outros meios do sistema estão dispersos. Com a ajuda de sistemas, você pode medir várias quantidades, armazenar, processar e transmitir sinais de informação de medição.
Se for necessário resolver um problema específico de medição complexo, são formados complexos de medição e computação que combinam vários dispositivos e equipamentos de computação eletrônica.
Características dos instrumentos de medição
Os equipamentos de medição possuem certas propriedades que são importantesdesempenhar suas funções diretas. Estes incluem:
- Características metrológicas, como sensibilidade e seu limiar, faixa de medição de uma grandeza elétrica, erro do instrumento, valor de divisão, velocidade, etc.
- Características dinâmicas, como amplitude (dependência da amplitude do sinal de saída do dispositivo da amplitude na entrada) ou fase (dependência do deslocamento de fase da frequência do sinal).
- Características de desempenho que refletem até que ponto o instrumento atende aos requisitos de operação sob certas condições. Isso inclui propriedades como a confiabilidade das indicações, confiabilidade (operabilidade, durabilidade e operação sem falhas do dispositivo), facilidade de manutenção, segurança elétrica, economia.
O conjunto de características do equipamento é estabelecido pelos documentos técnicos e regulamentares pertinentes a cada tipo de dispositivo.
Métodos aplicados
A medição de grandezas elétricas é realizada por vários métodos, que também podem ser classificados de acordo com os seguintes critérios:
- Tipo de fenômenos físicos com base nos quais a medição é feita (fenômenos elétricos ou magnéticos).
- A natureza da interação do instrumento de medição com o objeto. Dependendo dele, os métodos de medição de grandezas elétricas com e sem contato são diferenciados.
- Modo de medição. De acordo com ele, as medições são dinâmicas e estáticas.
- Método de medição. Desenvolvidos como métodos de estimativa direta quando a quantidade procuradadeterminado diretamente pelo dispositivo (por exemplo, um amperímetro) e métodos mais precisos (zero, diferencial, oposição, substituição), nos quais é detectado por comparação com um valor conhecido. Compensadores e pontes elétricas de medição de corrente contínua e alternada servem como dispositivos de comparação.
Instrumentos de medição elétricos: tipos e características
A medição de grandezas elétricas básicas requer uma grande variedade de instrumentos. Dependendo do princípio físico subjacente ao seu trabalho, todos eles são divididos nos seguintes grupos:
- Os dispositivos eletromecânicos devem ter uma parte móvel em seu projeto. Este grande grupo de instrumentos de medição inclui dispositivos eletrodinâmicos, ferrodinâmicos, magnetoelétricos, eletromagnéticos, eletrostáticos e de indução. Por exemplo, o princípio magnetoelétrico, que é amplamente usado, pode ser usado como base para dispositivos como voltímetros, amperímetros, ohmímetros, galvanômetros. Medidores de eletricidade, medidores de frequência, etc. são baseados no princípio de indução.
- Os dispositivos eletrônicos se distinguem pela presença de blocos adicionais: conversores de grandezas físicas, amplificadores, conversores, etc. Via de regra, em dispositivos desse tipo, o valor medido é convertido em tensão e um voltímetro serve como sua base estrutural. Instrumentos de medição eletrônicos são usados como medidores de frequência, capacitância, resistência, medidores de indutância, osciloscópios.
- Termoelétricadispositivos combinam em seu projeto um dispositivo de medição do tipo magnetoelétrico e um conversor térmico formado por um termopar e um aquecedor através do qual a corrente medida flui. Instrumentos deste tipo são usados principalmente para medir correntes de alta frequência.
- Eletroquímica. O princípio de seu funcionamento é baseado nos processos que ocorrem nos eletrodos ou no meio em estudo no espaço intereletrodo. Instrumentos deste tipo são usados para medir a condutividade elétrica, a quantidade de eletricidade e algumas grandezas não elétricas.
De acordo com as características funcionais, distinguem-se os seguintes tipos de instrumentos para medição de grandezas elétricas:
- Indicação (sinalização) - são dispositivos que permitem apenas a leitura direta das informações de medição, como wattímetros ou amperímetros.
- Gravação - dispositivos que permitem a possibilidade de gravação de leituras, por exemplo, osciloscópios eletrônicos.
De acordo com o tipo de sinal, os dispositivos são divididos em analógicos e digitais. Se o dispositivo gera um sinal que é uma função contínua do valor medido, é analógico, por exemplo, um voltímetro, cujas leituras são dadas por meio de uma escala com uma seta. No caso de um sinal ser gerado automaticamente no dispositivo na forma de um fluxo de valores discretos que entra no display em forma numérica, fala-se de um instrumento de medição digital.
Os instrumentos digitais apresentam algumas desvantagens em relação aos analógicos: menor confiabilidade,necessidade de fornecimento de energia, maior custo. No entanto, eles também se distinguem por vantagens significativas que geralmente tornam o uso de dispositivos digitais mais preferível: facilidade de uso, alta precisão e imunidade a ruídos, possibilidade de universalização, combinação com computador e transmissão remota de sinal sem perda de precisão.
Incorreções e precisão dos instrumentos
A característica mais importante de um instrumento de medição elétrico é a classe de precisão. A medição de grandezas elétricas, como qualquer outra, não pode ser realizada sem levar em consideração os erros do dispositivo técnico, bem como fatores adicionais (coeficientes) que afetam a precisão da medição. Os valores limite dos erros permitidos para esse tipo de dispositivo são chamados de normalizados e são expressos em porcentagem. Eles determinam a classe de precisão de um determinado dispositivo.
As classes padrão utilizadas para marcar as escalas dos dispositivos de medição são as seguintes: 4, 0; 2, 5; quinze; dez; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05. De acordo com eles, é estabelecida uma divisão de acordo com a finalidade: os dispositivos pertencentes às classes de 0,05 a 0,2 são exemplares, as classes 0,5 e 1,0 possuem dispositivos de laboratório e, finalmente, os dispositivos das classes 1, 5–4, 0 são técnicos.
Ao escolher um dispositivo de medição, é necessário que ele corresponda à classe do problema a ser resolvido, enquanto o limite superior de medição deve ser o mais próximo possível do valor numérico do valor desejado. Ou seja, quanto maior for o desvio do ponteiro do instrumento, menor será o erro relativo da medição. Se apenas instrumentos de classe baixa estiverem disponíveis, aquele com a menor faixa de operação deve ser selecionado. Usando esses métodos, medições de grandezas elétricas podem ser realizadas com bastante precisão. Neste caso, você também precisa levar em consideração o tipo de escala do dispositivo (uniforme ou irregular, como escalas de ohmímetro).
Quantidades elétricas básicas e suas unidades
Na maioria das vezes, as medições elétricas estão associadas ao seguinte conjunto de grandezas:
- Intensidade da corrente (ou simplesmente corrente) I. Este valor indica a quantidade de carga elétrica que passa pela seção condutora em 1 segundo. A medição da magnitude da corrente elétrica é realizada em amperes (A) usando amperímetros, avômetros (testadores, os chamados "tseshek"), multímetros digitais, transformadores de instrumentos.
- Quantidade de eletricidade (carga) q. Este valor determina até que ponto um determinado corpo físico pode ser uma fonte de um campo eletromagnético. A carga elétrica é medida em coulombs (C). 1 C (ampere-segundo)=1 A ∙ 1 s. Os instrumentos de medição são eletrômetros ou medidores de carga eletrônicos (medidores de coulomb).
- Voltage U. Expressa a diferença de potencial (energia de carga) que existe entre dois pontos diferentes do campo elétrico. Para uma dada grandeza elétrica, a unidade de medida é o volt (V). Se para mover uma carga de 1 coulomb de um ponto a outro, o campo realiza um trabalho de 1 joule (isto é, a energia correspondente é gasta), entãoa diferença de potencial - tensão - entre esses pontos é de 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. A medição da tensão elétrica é realizada por meio de voltímetros, multímetros digitais ou analógicos (testadores).
- Resistência R. Caracteriza a capacidade de um condutor impedir a passagem de corrente elétrica através dele. A unidade de resistência é ohm. 1 ohm é a resistência de um condutor com uma tensão de 1 volt nas extremidades para uma corrente de 1 ampere: 1 ohm=1 V / 1 A. A resistência é diretamente proporcional à seção transversal e comprimento do condutor. Ohmímetros, avômetros, multímetros são usados para medi-lo.
- Condutividade elétrica (condutividade) G é o inverso da resistência. Medido em siemens (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Capacidade C é uma medida da capacidade de um condutor de armazenar carga, também uma das grandezas elétricas básicas. Sua unidade de medida é o farad (F). Para um capacitor, esse valor é definido como a capacitância mútua das placas e é igual à razão entre a carga acumulada e a diferença de potencial nas placas. A capacitância de um capacitor plano aumenta com o aumento da área das placas e com a diminuição da distância entre elas. Se, com uma carga de 1 pingente, for criada uma tensão de 1 volt nas placas, a capacitância desse capacitor será igual a 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. A medição é realizada usando instrumentos especiais - medidores de capacitância ou multímetros digitais.
- Power P é um valor que reflete a velocidade com que a transferência (conversão) de energia elétrica é realizada. Como uma unidade de sistema de energia adotadawatt (W; 1 W=1J/s). Este valor também pode ser expresso em termos do produto da tensão e intensidade da corrente: 1 W=1 V ∙ 1 A. Para circuitos CA, potência ativa (consumida) Pa, reativa P ra (não participa da operação da corrente) e potência total P. Ao medir, as seguintes unidades são usadas para eles: watt, var (significa "volt-ampere reativo") e, portanto, volt-ampere V ∙ BUT. Suas dimensões são as mesmas e servem para distinguir entre as quantidades indicadas. Instrumentos para medição de potência - wattímetros analógicos ou digitais. Medições indiretas (por exemplo, usando um amperímetro) nem sempre são aplicáveis. Para determinar uma quantidade tão importante como o fator de potência (expresso em termos do ângulo de mudança de fase), são usados dispositivos chamados medidores de fase.
- Frequência f. Esta é uma característica de uma corrente alternada, mostrando o número de ciclos de mudança em sua magnitude e direção (no caso geral) durante um período de 1 segundo. A unidade de frequência é o segundo recíproco, ou hertz (Hz): 1 Hz=1 s-1. Este valor é medido por meio de uma extensa classe de instrumentos chamados frequencímetros.
Quantidades magnéticas
O magnetismo está intimamente relacionado à eletricidade, pois ambos são manifestações de um único processo físico fundamental - o eletromagnetismo. Portanto, uma conexão igualmente próxima é característica dos métodos e meios de medir grandezas elétricas e magnéticas. Mas também há nuances. Em regra, ao determinar este último, praticamenteé feita uma medição elétrica. O valor magnético é obtido indiretamente da relação funcional que o conecta com o elétrico.
Os valores de referência nesta área de medição são indução magnética, intensidade de campo e fluxo magnético. Eles podem ser convertidos usando a bobina de medição do dispositivo em EMF, que é medido, após o qual os valores necessários são calculados.
- O fluxo magnético é medido com instrumentos como webermetros (fotovoltaicos, magnetoelétricos, analógicos eletrônicos e digitais) e galvanômetros balísticos de alta sensibilidade.
- Indução e força do campo magnético são medidas usando teslâmetros equipados com vários tipos de transdutores.
A medição de grandezas elétricas e magnéticas, que estão diretamente relacionadas, permite resolver muitos problemas científicos e técnicos, por exemplo, o estudo do núcleo atômico e do campo magnético do Sol, da Terra e dos planetas, o estudo da propriedades magnéticas de diversos materiais, controle de qualidade e outros.
Quantidades não elétricas
A conveniência dos métodos elétricos permite estendê-los com sucesso para medições de várias grandezas físicas de natureza não elétrica, como temperatura, dimensões (lineares e angulares), deformação e muitas outras, bem como investigar processos químicos e composição de substâncias.
Instrumentos para medição elétrica de grandezas não elétricas são geralmente um complexo de um sensor - um conversor em qualquer parâmetro do circuito (tensão,resistência) e dispositivo de medição elétrica. Existem muitos tipos de transdutores, graças aos quais você pode medir uma variedade de grandezas. Aqui estão apenas alguns exemplos:
- Sensores reostáticos. Nesses transdutores, quando o valor medido é exposto (por exemplo, quando o nível do líquido ou seu volume muda), o controle deslizante do reostato se move, alterando a resistência.
- Termistores. A resistência do sensor em dispositivos desse tipo muda sob a influência da temperatura. Usado para medir a vazão de gás, temperatura, para determinar a composição de misturas de gases.
- As resistências de deformação permitem medições de deformação do fio.
- Fotossensores que convertem uma mudança na iluminação, temperatura ou movimento em uma fotocorrente então medida.
- Transdutores capacitivos usados como sensores para química do ar, deslocamento, umidade, pressão.
- Transdutores piezoelétricos operam segundo o princípio da ocorrência de EMF em alguns materiais cristalinos quando aplicados mecanicamente a eles.
- Sensores indutivos são baseados na conversão de grandezas como velocidade ou aceleração em uma fem induzida.
Desenvolvimento de instrumentos e métodos de medição elétrica
Uma grande variedade de meios para medir grandezas elétricas se deve a muitos fenômenos diferentes nos quais esses parâmetros desempenham um papel significativo. Processos e fenômenos elétricos têm uma gama extremamente ampla de usos emtodas as indústrias - é impossível indicar tal área de atividade humana onde eles não encontrariam aplicação. Isso determina a gama cada vez maior de problemas de medições elétricas de grandezas físicas. A variedade e o aprimoramento dos meios e métodos para resolver esses problemas estão em constante crescimento. Desenvolve de forma particularmente rápida e bem-sucedida uma direção de tecnologia de medição como a medição de grandezas não elétricas por métodos elétricos.
A moderna tecnologia de medição elétrica está se desenvolvendo no sentido de aumentar a precisão, imunidade a ruídos e velocidade, bem como aumentar a automação do processo de medição e processamento de seus resultados. Os instrumentos de medição passaram dos dispositivos eletromecânicos mais simples aos dispositivos eletrônicos e digitais, e até os mais recentes sistemas de medição e computação usando tecnologia de microprocessador. Ao mesmo tempo, o aumento do papel do componente de software dos dispositivos de medição é, obviamente, a principal tendência de desenvolvimento.
