Messung elektrischer Größen: Einheiten und Mittelwerte, Messverfahren

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 05:21

Der Bedarf von Wissenschaft und Technik umfasst eine Vielzahl von Messungen, deren Mittel und Methoden ständig weiterentwickelt und verbessert werden. Die wichtigste Rolle in diesem Bereich spielt die Messung elektrischer Größen, die in verschiedenen Branchen weit verbreitet sind.

Das Konzept der Messungen

Die Messung einer beliebigen physikalischen Größe erfolgt durch Vergleich mit einer Größe derselben Art von Phänomen, die als Maßeinheit verwendet wird. Das Vergleichsergebnis wird numerisch in den entsprechenden Einheiten dargestellt.

Dieser Vorgang wird mit Hilfe spezieller Messinstrumente durchgeführt - technische Geräte, die mit dem Objekt interagieren, dessen bestimmte Parameter gemessen werden sollen. In diesem Fall werden bestimmte Methoden verwendet - Techniken, bei denen der gemessene Wert mit der Maßeinheit verglichen wird.

Es gibt mehrere Zeichen, die als Grundlage für die Klassifizierung von Messungen elektrischer Größen nach Typ dienen:

MengeAkte der Messung. Hier ist ihre Einmaligkeit oder Vielfältigkeit wesentlich.
Genauigkeitsgrad. Es gibt technische, Kontroll- und Überprüfungsmessungen, die genauesten Messungen sowie gleiche und ungleiche Messungen.
Die Art der Änderung des gemessenen Werts im Laufe der Zeit. Gemäß diesem Kriterium sind Messungen statisch und dynamisch. Durch dynamische Messungen werden Momentanwerte von Größen erh alten, die sich im Laufe der Zeit ändern, und statische Messungen - einige konstante Werte.
Darstellung des Ergebnisses. Messungen elektrischer Größen können in relativer oder absoluter Form ausgedrückt werden.
Der Weg zum gewünschten Ergebnis. Gemäß diesem Merkmal werden Messungen in direkte (bei denen das Ergebnis direkt erh alten wird) und indirekte Messungen unterteilt, bei denen die Größen, die durch eine gewisse funktionale Abhängigkeit mit dem gewünschten Wert verbunden sind, direkt gemessen werden. Im letzteren Fall wird die benötigte physikalische Größe aus den erh altenen Ergebnissen berechnet. Das Messen von Strom mit einem Amperemeter ist also ein Beispiel für eine direkte Messung, und die Leistung ist eine indirekte.

Messungen

Zur Messung vorgesehene Geräte müssen normierte Eigenschaften haben und auch die Einheit des Wertes, für den sie bestimmt sind, für eine gewisse Zeit beibeh alten oder wiedergeben.

Mittel zur Messung elektrischer Größen werden je nach Verwendungszweck in mehrere Kategorien eingeteilt:

Maßnahmen. Diese Werkzeuge dienen dazu, den Wert von etwas Gegebenem zu reproduzierenGröße - wie zum Beispiel ein Widerstand, der einen bestimmten Widerstand mit bekanntem Fehler wiedergibt.
Messumformer, die ein Signal in einer für Speicherung, Umwandlung und Übertragung geeigneten Form bilden. Informationen dieser Art stehen der direkten Wahrnehmung nicht zur Verfügung.
Elektrische Messgeräte. Diese Tools sollen Informationen in einer für den Betrachter zugänglichen Form darstellen. Sie können tragbar oder stationär, analog oder digital, aufzeichnend oder signalisierend sein.
Elektrische Messanlagen sind an einem Ort konzentrierte Komplexe der oben genannten Werkzeuge und Zusatzgeräte. Die Geräte ermöglichen komplexere Messungen (z. B. magnetische Eigenschaften oder Widerstand), dienen als Überprüfungs- oder Referenzgeräte.
Elektrische Messsysteme sind auch eine Kombination verschiedener Mittel. Im Gegensatz zu Installationen sind jedoch Geräte zum Messen elektrischer Größen und andere Mittel im System verteilt. Mit Hilfe von Systemen können Sie mehrere Größen messen, Messinformationen speichern, verarbeiten und übertragen.

Wenn es notwendig ist, ein bestimmtes komplexes Messproblem zu lösen, werden Mess- und Rechenkomplexe gebildet, die eine Reihe von Geräten und elektronischen Rechengeräten kombinieren.

Eigenschaften von Messgeräten

Messgeräte haben bestimmte Eigenschaften, die wichtig sindum ihre direkten Aufgaben zu erfüllen. Dazu gehören:

Messtechnische Eigenschaften wie Empfindlichkeit und deren Schwellenwert, Messbereich einer elektrischen Größe, Instrumentenfehler, Teilungswert, Geschwindigkeit usw.
Dynamische Eigenschaften wie Amplitude (Abhängigkeit der Amplitude des Ausgangssignals des Gerätes von der Amplitude am Eingang) oder Phase (Abhängigkeit der Phasenverschiebung von der Frequenz des Signals).
Leistungsmerkmale, die das Ausmaß widerspiegeln, in dem das Instrument die Betriebsanforderungen unter bestimmten Bedingungen erfüllt. Dazu gehören Eigenschaften wie Zuverlässigkeit der Anzeigen, Zuverlässigkeit (Funktionsfähigkeit, H altbarkeit und störungsfreier Betrieb des Geräts), Wartbarkeit, elektrische Sicherheit, Wirtschaftlichkeit.

Der Satz von Gerätemerkmalen wird durch die relevanten behördlichen und technischen Dokumente für jeden Gerätetyp festgelegt.

Angewandte Methoden

Die Messung elektrischer Größen erfolgt nach verschiedenen Methoden, die sich auch nach folgenden Kriterien klassifizieren lassen:

Art der physikalischen Phänomene, auf deren Grundlage die Messung durchgeführt wird (elektrische oder magnetische Phänomene).
Die Art der Interaktion des Messwerkzeugs mit dem Objekt. Abhängig davon werden berührende und berührungslose Verfahren zur Messung elektrischer Größen unterschieden.
Messmodus. Demnach sind Messungen dynamisch und statisch.
Messverfahren. Entwickelt als Methoden der direkten Schätzung, wenn die Menge gesucht wirddirekt durch das Gerät bestimmt (z. B. ein Amperemeter) und genauere Methoden (Null, Differential, Opposition, Substitution), bei denen es durch Vergleich mit einem bekannten Wert erfasst wird. Als Vergleichsgeräte dienen Kompensatoren und elektrische Messbrücken für Gleich- und Wechselstrom.

Elektrische Messgeräte: Typen und Merkmale

Die Messung grundlegender elektrischer Größen erfordert eine Vielzahl von Instrumenten. Je nach physikalischem Prinzip, das ihrer Arbeit zugrunde liegt, werden sie alle in folgende Gruppen eingeteilt:

Elektromechanische Geräte müssen einen beweglichen Teil in ihrem Design haben. Diese große Gruppe von Messgeräten umfasst elektrodynamische, ferrodynamische, magnetoelektrische, elektromagnetische, elektrostatische und induktive Geräte. Beispielsweise kann das weit verbreitete magnetoelektrische Prinzip als Grundlage für Geräte wie Voltmeter, Amperemeter, Ohmmeter, Galvanometer verwendet werden. Stromzähler, Frequenzzähler usw. basieren auf dem Induktionsprinzip.
Elektronische Geräte zeichnen sich durch das Vorhandensein zusätzlicher Blöcke aus: Konverter physikalischer Größen, Verstärker, Konverter usw. In der Regel wird bei Geräten dieses Typs der Messwert in Spannung umgewandelt, und ein Voltmeter dient als ihre strukturelle Grundlage. Elektronische Messgeräte werden als Frequenzmesser, Kapazitäts-, Widerstands-, Induktivitätsmesser, Oszilloskope verwendet.
ThermoelektrischGeräte kombinieren in ihrem Design ein Messgerät eines magnetoelektrischen Typs und einen thermischen Wandler, der aus einem Thermoelement und einer Heizung besteht, durch die der gemessene Strom fließt. Geräte dieser Art werden hauptsächlich zur Messung hochfrequenter Ströme verwendet.
Elektrochemisch. Das Funktionsprinzip basiert auf den Prozessen, die an den Elektroden oder im untersuchten Medium im Zwischenelektrodenraum ablaufen. Instrumente dieser Art werden verwendet, um die elektrische Leitfähigkeit, die Elektrizitätsmenge und einige nichtelektrische Größen zu messen.

Nach Funktionsmerkmalen werden folgende Gerätetypen zur Messung elektrischer Größen unterschieden:

Anzeigen (Signalisieren) - dies sind Geräte, die nur das direkte Ablesen von Messinformationen ermöglichen, wie z. B. Wattmeter oder Amperemeter.
Aufzeichnung - Geräte, mit denen Messwerte aufgezeichnet werden können, z. B. elektronische Oszilloskope.

Entsprechend der Art des Signals werden Geräte in analoge und digitale unterteilt. Wenn das Gerät ein Signal erzeugt, das eine kontinuierliche Funktion des Messwerts ist, handelt es sich um ein analoges Signal, beispielsweise um ein Voltmeter, dessen Messwerte auf einer Skala mit einem Pfeil angezeigt werden. Für den Fall, dass im Gerät automatisch ein Signal in Form eines Stroms diskreter Werte erzeugt wird, der in numerischer Form in das Display eingeht, spricht man von einem digitalen Messgerät.

Digitale Instrumente haben gegenüber analogen einige Nachteile: geringere Zuverlässigkeit,Stromversorgung erforderlich, höhere Kosten. Sie zeichnen sich aber auch durch wesentliche Vorteile aus, die den Einsatz digitaler Geräte generell vorzuziehen machen: Benutzerfreundlichkeit, hohe Genauigkeit und Störfestigkeit, Universalisierbarkeit, Kombination mit einem Computer und Fernsignalübertragung ohne Genauigkeitsverlust.

Ungenauigkeiten und Genauigkeit der Instrumente

Die wichtigste Eigenschaft eines elektrischen Messgerätes ist die Genauigkeitsklasse. Die Messung elektrischer Größen kann wie jede andere nicht ohne Berücksichtigung der Fehler des technischen Geräts sowie zusätzlicher Faktoren (Koeffizienten), die die Messgenauigkeit beeinflussen, durchgeführt werden. Die Grenzwerte der für diesen Gerätetyp zulässigen gegebenen Fehler werden als normalisiert bezeichnet und in Prozent ausgedrückt. Sie bestimmen die Genauigkeitsklasse eines bestimmten Geräts.

Standardklassen zur Markierung der Skalen von Messgeräten sind wie folgt: 4, 0; 2, 5; fünfzehn; zehn; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05 Danach wird eine Einteilung nach Verwendungszweck vorgenommen: Geräte der Klassen 0,05 bis 0,2 sind beispielhaft, die Klassen 0,5 und 1,0 haben Laborgeräte und schließlich sind Geräte der Klassen 1, 5–4, 0 technisch.

Bei der Auswahl eines Messgerätes ist darauf zu achten, dass es der Klasse des zu lösenden Problems entspricht, wobei die obere Messgrenze möglichst nahe am Zahlenwert des gewünschten Wertes liegen sollte. Das heißt, je größer die Abweichung des Instrumentenzeigers erreicht werden kann, desto kleiner wird der relative Fehler der Messung sein. Wenn nur Geräte der unteren Klasse verfügbar sind, sollte das mit dem kleinsten Arbeitsbereich ausgewählt werden. Mit diesen Verfahren können Messungen elektrischer Größen ziemlich genau durchgeführt werden. In diesem Fall müssen Sie auch die Skalenart des Geräts berücksichtigen (gleichmäßig oder ungleichmäßig, z. B. Ohmmeter-Skalen).

Elektrische Grundgrößen und ihre Einheiten

Am häufigsten werden elektrische Messungen mit den folgenden Größen in Verbindung gebracht:

Stromstärke (oder einfach Stromstärke) I. Dieser Wert gibt an, wie viel elektrische Ladung in 1 Sekunde durch den Leiterabschnitt fließt. Die Messung der Größe des elektrischen Stroms erfolgt in Ampere (A) mit Amperemetern, Avometern (Testern, dem sogenannten "Tseshek"), Digitalmultimetern und Messwandlern.
Strommenge (Ladung) q. Dieser Wert bestimmt, inwieweit ein bestimmter physischer Körper Quelle eines elektromagnetischen Feldes sein kann. Elektrische Ladung wird in Coulomb (C) gemessen. 1 C (Amperesekunde)=1 A ∙ 1 s. Messinstrumente sind Elektrometer oder elektronische Ladungsmesser (Coulombmeter).
Spannung U. Gibt die Potentialdifferenz (Ladungsenergie) an, die zwischen zwei verschiedenen Punkten des elektrischen Feldes besteht. Die Maßeinheit für eine bestimmte elektrische Größe ist Volt (V). Wenn, um eine Ladung von 1 Coulomb von einem Punkt zum anderen zu bewegen, das Feld eine Arbeit von 1 Joule verrichtet (d. h. die entsprechende Energie verbraucht wird), danndie Potentialdifferenz - Spannung - zwischen diesen Punkten beträgt 1 Volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Die Messung der elektrischen Spannung erfolgt mit Voltmetern, digitalen oder analogen (Testern) Multimetern.
Widerstand R. Charakterisiert die Fähigkeit eines Leiters, den Durchgang von elektrischem Strom durch ihn zu verhindern. Die Widerstandseinheit ist Ohm. 1 Ohm ist der Widerstand eines Leiters mit einer Spannung von 1 Volt an den Enden bei einem Strom von 1 Ampere: 1 Ohm=1 V / 1 A. Der Widerstand ist direkt proportional zu Querschnitt und Länge des Leiters. Zur Messung werden Ohmmeter, Avometer, Multimeter verwendet.
Elektrische Leitfähigkeit (Leitfähigkeit) G ist der Kehrwert des Widerstands. Gemessen in Siemens (cm): 1 cm=1 Ohm^-1.
Kapazität C ist ein Maß für die Fähigkeit eines Leiters, Ladung zu speichern, ebenfalls eine der grundlegenden elektrischen Größen. Seine Maßeinheit ist das Farad (F). Bei einem Kondensator ist dieser Wert als gegenseitige Kapazität der Platten definiert und entspricht dem Verhältnis der angesammelten Ladung zur Potentialdifferenz auf den Platten. Die Kapazität eines flachen Kondensators nimmt mit zunehmender Plattenfläche und mit abnehmendem Abstand zwischen ihnen zu. Wenn bei einer Ladung von 1 Anhänger eine Spannung von 1 Volt an den Platten erzeugt wird, beträgt die Kapazität eines solchen Kondensators 1 Farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Die Messung wird durchgeführt mit spezielle Instrumente - Kapazitätsmesser oder digitale Multimeter.
Power P ist ein Wert, der die Geschwindigkeit widerspiegelt, mit der die Übertragung (Umwandlung) elektrischer Energie erfolgt. Als Systemeinheit der Macht angenommenWatt (W; 1 W=1 J/s). Dieser Wert kann auch als Produkt aus Spannung und Stromstärke ausgedrückt werden: 1 W=1 V ∙ 1 A. Bei Wechselstromkreisen Wirkleistung (aufgenommene) P_a, Blindleistung P _ra (beteiligt sich nicht am Betrieb des Stroms) und volle Leistung P. Bei der Messung werden dafür folgende Einheiten verwendet: Watt, Var (steht für „Volt-Ampere-Reaktion“) und dementsprechend Volt-Ampere V ∙ ABER. Ihre Abmessungen sind gleich und dienen der Unterscheidung der angegebenen Mengen. Instrumente zur Leistungsmessung - analoge oder digitale Wattmeter. Indirekte Messungen (z. B. mit einem Amperemeter) sind nicht immer anwendbar. Um eine so wichtige Größe wie den Leistungsfaktor (ausgedrückt als Phasenverschiebungswinkel) zu bestimmen, werden sogenannte Phasenmesser verwendet.
Frequenz f. Dies ist ein Merkmal eines Wechselstroms, der die Anzahl der Änderungszyklen in seiner Größe und Richtung (im allgemeinen Fall) über einen Zeitraum von 1 Sekunde angibt. Die Einheit der Frequenz ist die reziproke Sekunde oder Hertz (Hz): 1 Hz=1 s^-1. Dieser Wert wird mit Hilfe einer umfangreichen Klasse von Instrumenten gemessen, die als Frequenzmesser bezeichnet werden.

Magnetische Größen

Magnetismus ist eng mit Elektrizität verbunden, da beide Manifestationen eines einzigen grundlegenden physikalischen Prozesses sind - Elektromagnetismus. Daher ist eine ebenso enge Verbindung charakteristisch für Methoden und Mittel zur Messung elektrischer und magnetischer Größen. Aber es gibt auch Nuancen. In der Regel bei der Bestimmung letzterer praktischEs wird eine elektrische Messung durchgeführt. Der magnetische Wert ergibt sich indirekt aus dem funktionalen Zusammenhang, der ihn mit dem elektrischen verbindet.

Die Bezugsgrößen in diesem Messbereich sind magnetische Induktion, Feldstärke und magnetischer Fluss. Sie können mit der Messspule des Geräts in EMF umgewandelt werden, die gemessen wird, wonach die erforderlichen Werte berechnet werden.

Magnetfluss wird mit Instrumenten wie Webermetern (photovoltaisch, magnetoelektrisch, analog elektronisch und digital) und hochempfindlichen ballistischen Galvanometern gemessen.
Induktion und magnetische Feldstärke werden mit Teslametern gemessen, die mit verschiedenen Arten von Wandlern ausgestattet sind.

Die Messung elektrischer und magnetischer Größen, die in direktem Zusammenhang stehen, ermöglicht die Lösung vieler wissenschaftlicher und technischer Probleme, zum Beispiel die Untersuchung des Atomkerns und des Magnetfelds von Sonne, Erde und Planeten, die Untersuchung der magnetische Eigenschaften verschiedener Materialien, Qualitätskontrolle und andere.

Nichtelektrische Größen

Die Bequemlichkeit elektrischer Methoden ermöglicht es, sie erfolgreich auf Messungen verschiedener physikalischer Größen nichtelektrischer Natur wie Temperatur, Abmessungen (linear und winklig), Verformung und viele andere zu erweitern chemische Prozesse und die Zusammensetzung von Stoffen zu untersuchen.

Instrumente zur elektrischen Messung nichtelektrischer Größen sind normalerweise ein Komplex aus einem Sensor - einem Konverter in einen beliebigen Sch altungsparameter (Spannung,Widerstand) und elektrisches Messgerät. Es gibt viele Arten von Wandlern, mit denen Sie eine Vielzahl von Größen messen können. Hier nur ein paar Beispiele:

Rheostatische Sensoren. Bei solchen Wandlern bewegt sich der Rheostat-Schieber, wenn der Messwert ausgesetzt ist (z. B. wenn sich der Flüssigkeitsstand oder sein Volumen ändert), und ändert dadurch den Widerstand.
Thermistoren. Der Widerstand des Sensors bei Geräten dieser Art ändert sich unter Temperatureinfluss. Wird verwendet, um die Gasdurchflussrate und Temperatur zu messen und die Zusammensetzung von Gasgemischen zu bestimmen.
Dehnungswiderstände ermöglichen Messungen der Drahtdehnung.
Photosensoren, die eine Änderung der Beleuchtung, Temperatur oder Bewegung in einen Photostrom umwandeln und dann messen.
Kapazitive Wandler, die als Sensoren für Luftchemie, Verschiebung, Feuchtigkeit und Druck verwendet werden.
Piezoelektrische Wandler arbeiten nach dem Prinzip des Auftretens von EMF in einigen kristallinen Materialien, wenn sie mechanisch auf sie aufgebracht werden.
Induktive Sensoren basieren auf der Umwandlung von Größen wie Geschwindigkeit oder Beschleunigung in eine induzierte EMK.

Entwicklung elektrischer Messgeräte und -methoden

Eine Vielzahl von Mitteln zur Messung elektrischer Größen ist auf viele verschiedene Phänomene zurückzuführen, bei denen diese Parameter eine bedeutende Rolle spielen. Elektrische Prozesse und Phänomene haben ein äußerst breites Anwendungsspektrum inalle Branchen - es ist unmöglich, einen solchen Bereich menschlicher Aktivität anzugeben, in dem sie keine Anwendung finden würden. Dies bestimmt das immer größer werdende Problemfeld der elektrischen Messung physikalischer Größen. Die Vielf alt und Verbesserung von Mitteln und Methoden zur Lösung dieser Probleme nimmt ständig zu. Besonders schnell und erfolgreich entwickelt sich eine Richtung der Messtechnik wie die Messung nichtelektrischer Größen mit elektrischen Methoden.

Moderne elektrische Messtechnik entwickelt sich in Richtung steigender Genauigkeit, Störfestigkeit und Geschwindigkeit sowie zunehmender Automatisierung des Messvorgangs und der Aufbereitung seiner Ergebnisse. Messinstrumente haben sich von den einfachsten elektromechanischen Geräten zu elektronischen und digitalen Geräten und weiter zu den neuesten Mess- und Computersystemen entwickelt, die Mikroprozessortechnologie verwenden. Gleichzeitig ist die Zunahme der Rolle der Softwarekomponente von Messgeräten offensichtlich der Hauptentwicklungstrend.