Les besoins de la science et de la technologie comprennent une multitude de mesures dont les moyens et les méthodes sont constamment développés et améliorés. Le rôle le plus important dans ce domaine appartient aux mesures de grandeurs électriques, qui sont largement utilisées dans diverses industries.
Le concept de mesures
La mesure de toute grandeur physique est faite en la comparant à une grandeur du même type de phénomènes, prise comme unité de mesure. Le résultat obtenu par comparaison est présenté numériquement dans les unités appropriées.
Cette opération est effectuée à l'aide d'instruments de mesure spéciaux - des dispositifs techniques qui interagissent avec l'objet, dont certains paramètres doivent être mesurés. Dans ce cas, certaines méthodes sont utilisées - des techniques par lesquelles la valeur mesurée est comparée à l'unité de mesure.
Plusieurs signes servent de base pour classer les mesures de grandeurs électriques par type:
- Quantitéactes de mesure. Ici, leur ponctualité ou leur multiplicité est essentielle.
- Degré de précision. Il existe des mesures techniques, de contrôle et de vérification, les mesures les plus précises, ainsi que des mesures égales et inégales.
- La nature de la variation de la valeur mesurée dans le temps. Selon ce critère, les mesures sont statiques et dynamiques. Grâce à des mesures dynamiques, des valeurs instantanées de quantités qui changent dans le temps sont obtenues, et des mesures statiques - certaines valeurs constantes.
- Représentation du résultat. Les mesures de grandeurs électriques peuvent être exprimées sous forme relative ou absolue.
- La façon d'obtenir le résultat souhaité. Selon cette caractéristique, les mesures sont divisées en directes (dans lesquelles le résultat est obtenu directement) et indirectes, dans lesquelles les quantités associées à la valeur souhaitée par une dépendance fonctionnelle sont directement mesurées. Dans ce dernier cas, la grandeur physique requise est calculée à partir des résultats obtenus. Ainsi, mesurer le courant avec un ampèremètre est un exemple de mesure directe, et la puissance est une mesure indirecte.
Mesures
Les appareils destinés à la mesure doivent avoir des caractéristiques normalisées, et également conserver pendant un certain temps ou reproduire l'unité de la valeur à laquelle ils sont destinés.
Les moyens de mesure des grandeurs électriques sont divisés en plusieurs catégories selon leur destination:
- Mesures. Ces outils servent à reproduire la valeur de certainstaille - comme, par exemple, une résistance qui reproduit une certaine résistance avec une erreur connue.
- Transducteurs de mesure qui forment un signal sous une forme pratique pour le stockage, la conversion, la transmission. Les informations de ce type ne sont pas disponibles pour la perception directe.
- Appareils de mesure électriques. Ces outils sont conçus pour présenter les informations sous une forme accessible à l'observateur. Ils peuvent être portables ou fixes, analogiques ou numériques, enregistreurs ou de signalisation.
- Les installations de mesure électrique sont des complexes des outils ci-dessus et des dispositifs supplémentaires, concentrés en un seul endroit. Les unités permettent des mesures plus complexes (par exemple, caractéristiques magnétiques ou résistivité), servent de dispositifs de vérification ou de référence.
- Les systèmes de mesure électriques sont également une combinaison de divers moyens. Cependant, contrairement aux installations, les dispositifs de mesure des grandeurs électriques et autres moyens du système sont dispersés. À l'aide de systèmes, vous pouvez mesurer plusieurs quantités, stocker, traiter et transmettre des signaux d'information de mesure.
S'il est nécessaire de résoudre un problème de mesure complexe spécifique, des complexes de mesure et de calcul sont formés qui combinent un certain nombre d'appareils et d'équipements informatiques électroniques.
Caractéristiques des instruments de mesure
Les équipements de mesure ont certaines propriétés qui sont importantespour exercer leurs fonctions directes. Ceux-ci incluent:
- Caractéristiques métrologiques, telles que la sensibilité et son seuil, la plage de mesure d'une grandeur électrique, l'erreur de l'instrument, la valeur de division, la vitesse, etc.
- Caractéristiques dynamiques, telles que l'amplitude (dépendance de l'amplitude du signal de sortie de l'appareil sur l'amplitude à l'entrée) ou la phase (dépendance du déphasage sur la fréquence du signal).
- Caractéristiques de performance qui reflètent la mesure dans laquelle l'instrument répond aux exigences de fonctionnement dans certaines conditions. Celles-ci incluent des propriétés telles que la fiabilité des indications, la fiabilité (opérabilité, durabilité et fonctionnement sans défaillance de l'appareil), la maintenabilité, la sécurité électrique, l'économie.
L'ensemble des caractéristiques de l'équipement est établi par les documents réglementaires et techniques pertinents pour chaque type d'appareil.
Méthodes appliquées
La mesure des grandeurs électriques est effectuée par différentes méthodes, qui peuvent également être classées selon les critères suivants:
- Type de phénomènes physiques sur la base desquels la mesure est effectuée (phénomènes électriques ou magnétiques).
- La nature de l'interaction de l'outil de mesure avec l'objet. En fonction de cela, on distingue les méthodes avec et sans contact pour mesurer les grandeurs électriques.
- Mode de mesure. Selon lui, les mesures sont dynamiques et statiques.
- Méthode de mesure. Développées comme méthodes d'estimation directe lorsque la quantité recherchéedirectement déterminé par l'appareil (par exemple, un ampèremètre), et des méthodes plus précises (zéro, différentiel, opposition, substitution), dans lesquelles il est détecté par comparaison avec une valeur connue. Les compensateurs et les ponts électriques de mesure du courant continu et alternatif servent d'appareils de comparaison.
Instruments de mesure électriques: types et caractéristiques
La mesure des grandeurs électriques de base nécessite une grande variété d'instruments. Selon le principe physique qui sous-tend leur travail, ils sont tous répartis dans les groupes suivants:
- Les appareils électromécaniques doivent avoir une partie mobile dans leur conception. Ce grand groupe d'instruments de mesure comprend des appareils électrodynamiques, ferrodynamiques, magnétoélectriques, électromagnétiques, électrostatiques, à induction. Par exemple, le principe magnétoélectrique, très largement utilisé, peut servir de base à des appareils tels que voltmètres, ampèremètres, ohmmètres, galvanomètres. Les compteurs d'électricité, les fréquencemètres, etc. sont basés sur le principe de l'induction.
- Les appareils électroniques se distinguent par la présence de blocs supplémentaires: convertisseurs de grandeurs physiques, amplificateurs, convertisseurs, etc. En règle générale, dans les appareils de ce type, la valeur mesurée est convertie en tension et un voltmètre sert de leur base structurelle. Les instruments de mesure électroniques sont utilisés comme fréquencemètres, capacitance, résistance, inductancemètres, oscilloscopes.
- Thermoélectriqueles dispositifs associent dans leur conception un dispositif de mesure de type magnétoélectrique et un convertisseur thermique formé d'un thermocouple et d'un réchauffeur parcourus par le courant mesuré. Les instruments de ce type sont principalement utilisés pour mesurer les courants haute fréquence.
- Électrochimique. Le principe de leur fonctionnement repose sur les processus qui se produisent sur les électrodes ou dans le milieu étudié dans l'espace interélectrodes. Les instruments de ce type sont utilisés pour mesurer la conductivité électrique, la quantité d'électricité et certaines grandeurs non électriques.
Selon les caractéristiques fonctionnelles, on distingue les types d'instruments suivants pour mesurer les grandeurs électriques:
- Indicateur (signalisation) - ce sont des appareils qui permettent uniquement la lecture directe des informations de mesure, comme les wattmètres ou les ampèremètres.
- Enregistrement - appareils qui permettent d'enregistrer des lectures, par exemple, des oscilloscopes électroniques.
Selon le type de signal, les appareils sont divisés en analogique et numérique. Si l'appareil génère un signal qui est une fonction continue de la valeur mesurée, il s'agit d'un signal analogique, par exemple un voltmètre dont les lectures sont données à l'aide d'une échelle avec une flèche. Dans le cas où un signal est automatiquement généré dans l'appareil sous la forme d'un flux de valeurs discrètes qui entre dans l'affichage sous forme numérique, on parle d'un instrument de mesure numérique.
Les instruments numériques présentent certains inconvénients par rapport aux analogiques: moins de fiabilité,besoin d'alimentation, coût plus élevé. Cependant, ils se distinguent également par des avantages significatifs qui rendent généralement préférable l'utilisation d'appareils numériques: facilité d'utilisation, haute précision et immunité au bruit, possibilité d'universalisation, combinaison avec un ordinateur et transmission à distance du signal sans perte de précision.
Inexactitudes et précision des instruments
La caractéristique la plus importante d'un instrument de mesure électrique est la classe de précision. La mesure des grandeurs électriques, comme toute autre, ne peut être effectuée sans tenir compte des erreurs de l'appareil technique, ainsi que des facteurs supplémentaires (coefficients) qui affectent la précision de la mesure. Les valeurs limites des erreurs données autorisées pour ce type d'appareil sont dites normalisées et sont exprimées en pourcentage. Ils déterminent la classe de précision d'un appareil particulier.
Les classes standard utilisées pour marquer les échelles des appareils de mesure sont les suivantes: 4, 0; 2, 5; quinze; Dix; 0,5; 0,2; 0,1; 0.05 Conformément à eux, une division en fonction de l'objectif est établie: les appareils appartenant aux classes de 0,05 à 0,2 sont exemplaires, les classes 0,5 et 1,0 ont des appareils de laboratoire et, enfin, les appareils des classes 1, 5–4, 0 sont techniques.
Lors du choix d'un appareil de mesure, il est nécessaire qu'il corresponde à la classe du problème à résoudre, tandis que la limite supérieure de mesure doit être aussi proche que possible de la valeur numérique de la valeur souhaitée. Autrement dit, plus la déviation du pointeur de l'instrument peut être élevée, plus l'erreur relative de la mesure sera petite. Si seuls des instruments de classe inférieure sont disponibles, celui avec la plage de fonctionnement la plus petite doit être sélectionné. Grâce à ces méthodes, les mesures de grandeurs électriques peuvent être effectuées de manière assez précise. Dans ce cas, vous devez également tenir compte du type d'échelle de l'appareil (uniforme ou inégale, comme les échelles d'ohmmètre).
Grandeurs électriques de base et leurs unités
Le plus souvent, les mesures électriques sont associées à l'ensemble de grandeurs suivant:
- Intensité du courant (ou simplement courant) I. Cette valeur indique la quantité de charge électrique traversant la section du conducteur en 1 seconde. La mesure de l'amplitude du courant électrique est effectuée en ampères (A) à l'aide d'ampèremètres, d'avomètres (testeurs, appelés "tseshek"), de multimètres numériques, de transformateurs d'instrument.
- Quantité d'électricité (charge) q. Cette valeur détermine dans quelle mesure un corps physique particulier peut être une source de champ électromagnétique. La charge électrique est mesurée en coulombs (C). 1 C (ampère-seconde)=1 A ∙ 1 s. Les instruments de mesure sont des électromètres ou des compteurs de charge électroniques (compteurs de coulomb).
- Voltage U. Exprime la différence de potentiel (énergie de charge) qui existe entre deux points différents du champ électrique. Pour une grandeur électrique donnée, l'unité de mesure est le volt (V). Si pour déplacer une charge de 1 coulomb d'un point à un autre, le champ fait un travail de 1 joule (c'est-à-dire que l'énergie correspondante est dépensée), alorsla différence de potentiel - tension - entre ces points est de 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. La mesure de la tension électrique s'effectue à l'aide de voltmètres, de multimètres numériques ou analogiques (testeurs).
- Résistance R. Caractérise la capacité d'un conducteur à empêcher le passage du courant électrique à travers lui. L'unité de résistance est l'ohm. 1 ohm est la résistance d'un conducteur avec une tension de 1 volt aux extrémités à un courant de 1 ampère: 1 ohm=1 V / 1 A. La résistance est directement proportionnelle à la section et à la longueur du conducteur. Des ohmmètres, des avomètres, des multimètres sont utilisés pour le mesurer.
- Conduction électrique (conductivité) G est l'inverse de la résistance. Mesuré en siemens (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Capacity C est une mesure de la capacité d'un conducteur à stocker la charge, également l'une des quantités électriques de base. Son unité de mesure est le farad (F). Pour un condensateur, cette valeur est définie comme la capacité mutuelle des plaques et est égale au rapport de la charge accumulée à la différence de potentiel sur les plaques. La capacité d'un condensateur plat augmente avec une augmentation de la surface des plaques et avec une diminution de la distance entre elles. Si, avec une charge de 1 pendentif, une tension de 1 volt est créée sur les plaques, la capacité d'un tel condensateur sera alors égale à 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. La mesure est effectuée à l'aide instruments spéciaux - capacimètres ou multimètres numériques.
- Power P est une valeur qui reflète la vitesse à laquelle s'effectue le transfert (conversion) de l'énergie électrique. En tant qu'unité de système de puissance adoptéewatt (W; 1 W=1 J/s). Cette valeur peut également être exprimée en termes de produit de la tension et de l'intensité du courant: 1 W=1 V ∙ 1 A. Pour les circuits AC, puissance active (consommée) Pa, réactive P ra (ne participe pas au fonctionnement du courant) et pleine puissance P. Lors de la mesure, les unités suivantes sont utilisées pour eux: watt, var (signifie "volt-ampère réactif") et, par conséquent, volt-ampère V ∙ BUT. Leurs dimensions sont les mêmes et elles servent à distinguer les quantités indiquées. Instruments de mesure de puissance - wattmètres analogiques ou numériques. Les mesures indirectes (par exemple, à l'aide d'un ampèremètre) ne sont pas toujours applicables. Pour déterminer une quantité aussi importante que le facteur de puissance (exprimé en termes d'angle de déphasage), des dispositifs appelés phasemètres sont utilisés.
- Fréquence f. Il s'agit d'une caractéristique d'un courant alternatif, montrant le nombre de cycles de changement de son amplitude et de sa direction (dans le cas général) sur une période de 1 seconde. L'unité de fréquence est la seconde réciproque, ou hertz (Hz): 1 Hz=1 s-1. Cette valeur est mesurée au moyen d'une vaste classe d'instruments appelés fréquencemètres.
Grandeurs magnétiques
Le magnétisme est étroitement lié à l'électricité, puisque les deux sont des manifestations d'un seul processus physique fondamental: l'électromagnétisme. Par conséquent, une connexion également étroite est caractéristique des méthodes et des moyens de mesure des grandeurs électriques et magnétiques. Mais il y a aussi des nuances. En règle générale, lors de la détermination de ce dernier, pratiquementune mesure électrique est effectuée. La valeur magnétique est obtenue indirectement à partir de la relation fonctionnelle qui la relie à la valeur électrique.
Les valeurs de référence dans cette zone de mesure sont l'induction magnétique, l'intensité du champ et le flux magnétique. Ils peuvent être convertis à l'aide de la bobine de mesure de l'appareil en EMF, qui est mesuré, après quoi les valeurs requises sont calculées.
- Le flux magnétique est mesuré à l'aide d'instruments tels que des webermètres (photovoltaïque, magnétoélectrique, électronique analogique et numérique) et des galvanomètres balistiques très sensibles.
- L'induction et l'intensité du champ magnétique sont mesurées à l'aide de teslamètres équipés de différents types de transducteurs.
La mesure des grandeurs électriques et magnétiques, qui sont directement liées, permet de résoudre de nombreux problèmes scientifiques et techniques, par exemple, l'étude du noyau atomique et du champ magnétique du Soleil, de la Terre et des planètes, l'étude de la propriétés magnétiques de divers matériaux, contrôle qualité et autres.
Grandeurs non électriques
La commodité des méthodes électriques permet de les étendre avec succès aux mesures de diverses grandeurs physiques de nature non électrique, telles que la température, les dimensions (linéaires et angulaires), la déformation, et bien d'autres, ainsi que pour étudier les processus chimiques et la composition des substances.
Les instruments de mesure électrique de grandeurs non électriques sont généralement un complexe de capteur - un convertisseur en n'importe quel paramètre de circuit (tension,résistance) et appareil de mesure électrique. Il existe de nombreux types de transducteurs, grâce auxquels vous pouvez mesurer une variété de grandeurs. Voici quelques exemples:
- Capteurs rhéostatiques. Dans de tels transducteurs, lorsque la valeur mesurée est exposée (par exemple, lorsque le niveau de liquide ou son volume change), le curseur du rhéostat se déplace, modifiant ainsi la résistance.
- Thermistances. La résistance du capteur dans les appareils de ce type change sous l'influence de la température. Utilisé pour mesurer le débit de gaz, la température, pour déterminer la composition des mélanges gazeux.
- Les résistances de déformation permettent des mesures de déformation de fil.
- Photocapteurs qui convertissent un changement d'éclairage, de température ou de mouvement en un photocourant puis mesuré.
- Transducteurs capacitifs utilisés comme capteurs pour la chimie de l'air, le déplacement, l'humidité, la pression.
- Les transducteurs piézoélectriques fonctionnent sur le principe de l'apparition d'EMF dans certains matériaux cristallins lorsqu'ils leur sont appliqués mécaniquement.
- Les capteurs inductifs sont basés sur la conversion de grandeurs telles que la vitesse ou l'accélération en une force électromotrice induite.
Développement d'instruments et de méthodes de mesure électriques
Une grande variété de moyens de mesure des grandeurs électriques est due à de nombreux phénomènes différents dans lesquels ces paramètres jouent un rôle important. Les processus et phénomènes électriques ont une gamme extrêmement large d'utilisations danstoutes les industries - il est impossible d'indiquer un tel domaine d'activité humaine où elles ne trouveraient pas d'application. Cela détermine la gamme toujours croissante des problèmes de mesures électriques de grandeurs physiques. La variété et l'amélioration des moyens et des méthodes pour résoudre ces problèmes ne cessent de croître. Développe particulièrement rapidement et avec succès une direction de la technologie de mesure telle que la mesure de grandeurs non électriques par des méthodes électriques.
La technologie de mesure électrique moderne se développe dans le sens d'une précision, d'une immunité au bruit et d'une vitesse croissantes, ainsi que d'une automatisation croissante du processus de mesure et du traitement de ses résultats. Les instruments de mesure sont passés des appareils électromécaniques les plus simples aux appareils électroniques et numériques, en passant par les derniers systèmes de mesure et de calcul utilisant la technologie des microprocesseurs. Dans le même temps, l'augmentation du rôle du composant logiciel des appareils de mesure est, bien évidemment, la principale tendance de développement.
