Kebutuhan ilmu pengetahuan dan teknologi mencakup banyak pengukuran, yang sarana dan metodenya terus dikembangkan dan ditingkatkan. Peran terpenting dalam bidang ini adalah pengukuran besaran listrik, yang banyak digunakan di berbagai industri.
Konsep pengukuran
Pengukuran setiap besaran fisis dilakukan dengan membandingkannya dengan beberapa besaran dari jenis fenomena yang sama, yang diambil sebagai unit pengukuran. Hasil yang diperoleh dari perbandingan disajikan secara numerik dalam satuan yang sesuai.
Operasi ini dilakukan dengan bantuan alat ukur khusus - perangkat teknis yang berinteraksi dengan objek, parameter tertentu yang akan diukur. Dalam hal ini, metode tertentu digunakan - teknik di mana nilai terukur dibandingkan dengan unit pengukuran.
Ada beberapa tanda yang menjadi dasar untuk mengklasifikasikan besaran listrik berdasarkan jenisnya:
- Jumlahtindakan pengukuran. Di sini satu kali atau multiplisitas mereka sangat penting.
- Tingkat akurasi. Ada teknis, kontrol dan verifikasi, pengukuran yang paling akurat, serta pengukuran yang sama dan tidak sama.
- Sifat perubahan nilai terukur dari waktu ke waktu. Menurut kriteria ini, pengukuran bersifat statis dan dinamis. Melalui pengukuran dinamis, diperoleh nilai sesaat dari kuantitas yang berubah seiring waktu, dan pengukuran statis - beberapa nilai konstan.
- Representasi hasil. Pengukuran besaran listrik dapat dinyatakan dalam bentuk relatif atau absolut.
- Cara mendapatkan hasil yang diinginkan. Menurut fitur ini, pengukuran dibagi menjadi langsung (di mana hasilnya diperoleh secara langsung) dan tidak langsung, di mana jumlah yang terkait dengan nilai yang diinginkan oleh beberapa ketergantungan fungsional diukur secara langsung. Dalam kasus terakhir, kuantitas fisik yang diperlukan dihitung dari hasil yang diperoleh. Jadi, mengukur arus dengan amperemeter adalah contoh pengukuran langsung, dan daya adalah pengukuran tidak langsung.
Pengukuran
Perangkat yang dimaksudkan untuk pengukuran harus memiliki karakteristik yang dinormalisasi, dan juga mempertahankan untuk waktu tertentu atau mereproduksi unit nilai yang dimaksudkan.
Alat untuk mengukur besaran listrik dibagi menjadi beberapa kategori tergantung pada tujuannya:
- Tindakan. Alat-alat ini berfungsi untuk mereproduksi nilai dari beberapa yang diberikanukuran - seperti, misalnya, resistor yang mereproduksi resistansi tertentu dengan kesalahan yang diketahui.
- Mengukur transduser yang membentuk sinyal dalam bentuk yang nyaman untuk penyimpanan, konversi, transmisi. Informasi semacam ini tidak tersedia untuk persepsi langsung.
- Alat pengukur listrik. Alat-alat ini dirancang untuk menyajikan informasi dalam bentuk yang dapat diakses oleh pengamat. Mereka bisa portabel atau stasioner, analog atau digital, merekam atau memberi sinyal.
- Instalasi pengukur listrik adalah kompleks alat di atas dan perangkat tambahan, terkonsentrasi di satu tempat. Unit memungkinkan pengukuran yang lebih kompleks (misalnya, karakteristik magnetik atau resistivitas), berfungsi sebagai perangkat verifikasi atau referensi.
- Sistem pengukuran listrik juga merupakan kombinasi dari berbagai cara. Namun, tidak seperti instalasi, perangkat untuk mengukur besaran listrik dan sarana lain dalam sistem tersebar. Dengan bantuan sistem, Anda dapat mengukur beberapa besaran, menyimpan, memproses, dan mengirimkan sinyal informasi pengukuran.
Jika perlu untuk memecahkan masalah pengukuran kompleks tertentu, kompleks pengukuran dan komputasi terbentuk yang menggabungkan sejumlah perangkat dan peralatan komputasi elektronik.
Karakteristik alat ukur
Peralatan pengukur memiliki sifat tertentu yang pentinguntuk melakukan fungsi langsung mereka. Ini termasuk:
- Karakteristik metrologi, seperti sensitivitas dan ambang batasnya, rentang pengukuran besaran listrik, kesalahan instrumen, nilai pembagian, kecepatan, dll.
- Karakteristik dinamis, seperti amplitudo (ketergantungan amplitudo sinyal keluaran perangkat pada amplitudo pada input) atau fase (ketergantungan pergeseran fasa pada frekuensi sinyal).
- Karakteristik kinerja yang mencerminkan sejauh mana instrumen memenuhi persyaratan operasi dalam kondisi tertentu. Ini termasuk properti seperti keandalan indikasi, keandalan (operabilitas, daya tahan dan pengoperasian perangkat yang tidak gagal), rawatan, keamanan listrik, ekonomi.
Kumpulan karakteristik peralatan ditetapkan oleh peraturan dan dokumen teknis yang relevan untuk setiap jenis perangkat.
Metode yang diterapkan
Pengukuran besaran listrik dilakukan dengan berbagai metode, yang juga dapat diklasifikasikan menurut kriteria berikut:
- Jenis fenomena fisik yang menjadi dasar pengukuran (fenomena listrik atau magnet).
- Sifat interaksi alat ukur dengan benda. Tergantung padanya, metode kontak dan non-kontak untuk mengukur besaran listrik dibedakan.
- Mode pengukuran. Menurutnya, pengukuran bersifat dinamis dan statis.
- Metode pengukuran. Dikembangkan sebagai metode estimasi langsung ketika kuantitas dicariditentukan langsung oleh perangkat (misalnya, ammeter), dan metode yang lebih akurat (nol, diferensial, oposisi, substitusi), di mana ia dideteksi dengan membandingkan dengan nilai yang diketahui. Kompensator dan jembatan pengukur listrik arus searah dan bolak-balik berfungsi sebagai perangkat pembanding.
Alat ukur listrik: jenis dan fitur
Pengukuran besaran listrik dasar membutuhkan berbagai macam instrumen. Tergantung pada prinsip fisik yang mendasari pekerjaan mereka, mereka semua dibagi menjadi beberapa kelompok berikut:
- Perangkat elektromekanis harus memiliki bagian yang bergerak dalam desainnya. Kelompok besar alat ukur ini meliputi perangkat elektrodinamik, ferodinamik, magnetoelektrik, elektromagnetik, elektrostatik, induksi. Misalnya, prinsip magnetoelektrik, yang digunakan secara luas, dapat digunakan sebagai dasar untuk perangkat seperti voltmeter, amperemeter, ohmmeter, galvanometer. Pengukur listrik, pengukur frekuensi, dll. didasarkan pada prinsip induksi.
- Perangkat elektronik dibedakan dengan adanya blok tambahan: konverter kuantitas fisik, amplifier, konverter, dll. Sebagai aturan, pada perangkat jenis ini, nilai terukur diubah menjadi tegangan, dan voltmeter berfungsi sebagai dasar struktural mereka. Alat ukur elektronik digunakan sebagai pengukur frekuensi, kapasitansi, resistansi, meter induktansi, osiloskop.
- Termoelektrikperangkat menggabungkan dalam desainnya perangkat pengukur dari jenis magnetoelektrik dan konverter termal yang dibentuk oleh termokopel dan pemanas yang melaluinya arus terukur mengalir. Instrumen jenis ini terutama digunakan untuk mengukur arus frekuensi tinggi.
- Elektrokimia. Prinsip operasinya didasarkan pada proses yang terjadi pada elektroda atau dalam media yang dipelajari di ruang interelektroda. Alat jenis ini digunakan untuk mengukur daya hantar listrik, besaran listrik dan beberapa besaran nonlistrik.
Menurut fitur fungsional, jenis instrumen berikut untuk mengukur besaran listrik dibedakan:
- Indicating (pensinyalan) - ini adalah perangkat yang hanya memungkinkan pembacaan langsung informasi pengukuran, seperti wattmeter atau amperemeter.
- Rekaman - perangkat yang memungkinkan kemungkinan perekaman pembacaan, misalnya, osiloskop elektronik.
Menurut jenis sinyal, perangkat dibagi menjadi analog dan digital. Jika perangkat menghasilkan sinyal yang merupakan fungsi kontinu dari nilai yang diukur, itu adalah analog, misalnya voltmeter, yang pembacaannya diberikan menggunakan skala dengan panah. Jika sinyal secara otomatis dihasilkan di perangkat dalam bentuk aliran nilai diskrit yang masuk ke tampilan dalam bentuk numerik, orang berbicara tentang alat ukur digital.
Instrumen digital memiliki beberapa kelemahan dibandingkan dengan analog: kurang dapat diandalkan,kebutuhan untuk power supply, biaya yang lebih tinggi. Namun, mereka juga dibedakan oleh keunggulan signifikan yang umumnya membuat penggunaan perangkat digital lebih disukai: kemudahan penggunaan, akurasi tinggi dan kekebalan kebisingan, kemungkinan universalisasi, kombinasi dengan komputer dan transmisi sinyal jarak jauh tanpa kehilangan akurasi.
Ketidakakuratan dan keakuratan instrumen
Karakteristik terpenting dari alat ukur listrik adalah kelas akurasi. Pengukuran besaran listrik, seperti yang lainnya, tidak dapat dilakukan tanpa memperhitungkan kesalahan perangkat teknis, serta faktor tambahan (koefisien) yang mempengaruhi akurasi pengukuran. Nilai batas kesalahan yang diberikan yang diizinkan untuk jenis perangkat ini disebut dinormalisasi dan dinyatakan sebagai persentase. Mereka menentukan kelas akurasi perangkat tertentu.
Kelas standar yang digunakan untuk menandai timbangan alat ukur adalah sebagai berikut: 4, 0; 2, 5; limabelas; sepuluh; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05 Sesuai dengan mereka, pembagian berdasarkan tujuan dibuat: perangkat yang termasuk kelas 0,05 hingga 0,2 adalah teladan, kelas 0,5 dan 1,0 memiliki perangkat laboratorium, dan, akhirnya, perangkat kelas 1, 5–4, 0 bersifat teknis.
Saat memilih alat pengukur, harus sesuai dengan kelas masalah yang sedang dipecahkan, sedangkan batas pengukuran atas harus sedekat mungkin dengan nilai numerik dari nilai yang diinginkan. Artinya, semakin besar penyimpangan penunjuk instrumen yang dapat dicapai, semakin kecil kesalahan relatif pengukuran. Jika hanya instrumen kelas rendah yang tersedia, instrumen dengan jangkauan operasi terkecil harus dipilih. Dengan menggunakan metode ini, pengukuran besaran listrik dapat dilakukan dengan cukup akurat. Dalam hal ini, Anda juga perlu mempertimbangkan jenis skala perangkat (seragam atau tidak rata, seperti skala ohmmeter).
Besaran Listrik Dasar dan Satuannya
Paling sering, pengukuran listrik dikaitkan dengan himpunan besaran berikut:
- Kuat arus (atau arus sederhana) I. Nilai ini menunjukkan jumlah muatan listrik yang melewati bagian penghantar dalam 1 detik. Pengukuran besarnya arus listrik dilakukan dalam ampere (A) menggunakan amperemeter, avometer (penguji, yang disebut "tseshek"), multimeter digital, transformator instrumen.
- Jumlah listrik (pengisian) q. Nilai ini menentukan sejauh mana tubuh fisik tertentu dapat menjadi sumber medan elektromagnetik. Muatan listrik diukur dalam coulomb (C). 1 C (ampere-sekon)=1 A 1 s. Instrumen untuk pengukuran adalah elektrometer atau meter muatan elektronik (coulomb meter).
- Tegangan U. Menyatakan perbedaan potensial (energi muatan) yang ada antara dua titik medan listrik yang berbeda. Untuk besaran listrik tertentu, satuan pengukurannya adalah volt (V). Jika untuk memindahkan muatan sebesar 1 coulomb dari satu titik ke titik lain, medan melakukan kerja 1 joule (yaitu, energi yang sesuai dikeluarkan), makaperbedaan potensial - tegangan - antara titik-titik ini adalah 1 volt: 1 V \u003d 1 J / 1 C. Pengukuran tegangan listrik dilakukan dengan menggunakan voltmeter, multimeter digital atau analog (penguji).
- Resistance R. Mencirikan kemampuan konduktor untuk mencegah lewatnya arus listrik melaluinya. Satuan hambatan adalah ohm. 1 ohm adalah hambatan suatu penghantar yang ujung-ujungnya bertegangan 1 volt terhadap arus 1 ampere: 1 ohm=1 V / 1 A. Hambatan berbanding lurus dengan luas penampang dan panjang penghantar. Ohmmeter, avometer, multimeter digunakan untuk mengukurnya.
- Konduktivitas listrik (konduktivitas) G adalah kebalikan dari resistansi. Diukur dalam siemens (cm): 1 cm=1 ohm-1.
- Kapasitas C adalah ukuran kemampuan konduktor untuk menyimpan muatan, juga salah satu besaran listrik dasar. Satuan ukurannya adalah farad (F). Untuk kapasitor, nilai ini didefinisikan sebagai kapasitansi timbal balik dari pelat dan sama dengan rasio akumulasi muatan dengan perbedaan potensial pada pelat. Kapasitansi kapasitor datar meningkat dengan peningkatan luas pelat dan dengan penurunan jarak di antara mereka. Jika, dengan muatan 1 liontin, tegangan 1 volt dibuat pada pelat, maka kapasitansi kapasitor tersebut akan sama dengan 1 farad: 1 F \u003d 1 C / 1 V. Pengukuran dilakukan menggunakan instrumen khusus - meter kapasitansi atau multimeter digital.
- Daya P adalah nilai yang mencerminkan kecepatan transfer (konversi) energi listrik dilakukan. Sebagai unit sistem daya yang diadopsiwatt (W; 1 W=1J/s). Nilai ini juga dapat dinyatakan dalam produk tegangan dan kuat arus: 1 W=1 V 1 A. Untuk rangkaian AC, daya aktif (dikonsumsi) Pa, reaktif P ra (tidak mengambil bagian dalam operasi arus) dan daya penuh P. Saat mengukur, unit berikut digunakan untuknya: watt, var (singkatan dari "volt-ampere reaktif") dan, karenanya, volt-ampere V TAPI. Dimensinya sama, dan berfungsi untuk membedakan antara besaran yang ditunjukkan. Instrumen untuk mengukur daya - wattmeter analog atau digital. Pengukuran tidak langsung (misalnya, menggunakan ammeter) tidak selalu dapat diterapkan. Untuk menentukan besaran penting seperti faktor daya (dinyatakan dalam sudut pergeseran fasa), perangkat yang disebut pengukur fasa digunakan.
- Frekuensi f. Ini adalah karakteristik arus bolak-balik, yang menunjukkan jumlah siklus perubahan besar dan arahnya (dalam kasus umum) selama periode 1 detik. Satuan frekuensi adalah detik timbal balik, atau hertz (Hz): 1 Hz=1 s-1. Nilai ini diukur dengan alat kelas ekstensif yang disebut pengukur frekuensi.
Kuantitas magnetik
Magnetisme terkait erat dengan listrik, karena keduanya merupakan manifestasi dari satu proses fisik mendasar - elektromagnetisme. Oleh karena itu, hubungan yang sama eratnya adalah karakteristik metode dan sarana untuk mengukur besaran listrik dan magnet. Tapi ada juga nuansa. Sebagai aturan, ketika menentukan yang terakhir, secara praktisdilakukan pengukuran listrik. Nilai magnet diperoleh secara tidak langsung dari hubungan fungsional yang menghubungkannya dengan listrik.
Nilai referensi dalam bidang pengukuran ini adalah induksi magnet, kuat medan, dan fluks magnet. Mereka dapat dikonversi menggunakan koil pengukur perangkat menjadi EMF, yang diukur, setelah itu nilai yang diperlukan dihitung.
- Fluks magnet diukur menggunakan instrumen seperti webermeter (fotovoltaik, magnetoelektrik, elektronik analog dan digital) dan galvanometer balistik yang sangat sensitif.
- Kekuatan induksi dan medan magnet diukur menggunakan teslameter yang dilengkapi dengan berbagai jenis transduser.
Pengukuran besaran listrik dan magnet, yang berhubungan langsung, memungkinkan pemecahan banyak masalah ilmiah dan teknis, misalnya, studi tentang inti atom dan medan magnet Matahari, Bumi, dan planet-planet, studi tentang sifat magnetik dari berbagai bahan, kontrol kualitas, dan lain-lain.
Kuantitas non-listrik
Kenyamanan metode listrik memungkinkan untuk berhasil memperluasnya ke pengukuran berbagai kuantitas fisik yang bersifat non-listrik, seperti suhu, dimensi (linier dan sudut), deformasi, dan banyak lainnya, serta untuk menyelidiki proses kimia dan komposisi zat.
Instrumen untuk pengukuran listrik besaran non-listrik biasanya merupakan kompleks sensor - konverter ke parameter sirkuit apa pun (tegangan,hambatan) dan alat pengukur listrik. Ada banyak jenis transduser, berkat itu Anda dapat mengukur berbagai kuantitas. Berikut adalah beberapa contoh:
- Sensor reostatik. Dalam transduser seperti itu, saat nilai terukur diekspos (misalnya, saat level cairan atau volumenya berubah), penggeser rheostat bergerak, sehingga mengubah resistansi.
- Termistor. Resistansi sensor pada perangkat jenis ini berubah di bawah pengaruh suhu. Digunakan untuk mengukur laju aliran gas, temperatur, untuk menentukan komposisi campuran gas.
- Resistensi regangan memungkinkan pengukuran regangan kawat.
- Fotosensor yang mengubah perubahan iluminasi, suhu, atau gerakan menjadi arus foto kemudian diukur.
- Transduser kapasitif digunakan sebagai sensor untuk kimia udara, perpindahan, kelembaban, tekanan.
- Transduser piezoelektrik beroperasi berdasarkan prinsip terjadinya EMF di beberapa bahan kristal ketika diterapkan secara mekanis padanya.
- Sensor induktif didasarkan pada konversi besaran seperti kecepatan atau percepatan menjadi ggl induksi.
Pengembangan alat dan metode pengukuran listrik
Berbagai cara untuk mengukur besaran listrik disebabkan oleh banyak fenomena berbeda di mana parameter ini memainkan peran penting. Proses dan fenomena kelistrikan memiliki cakupan kegunaan yang sangat luas dalamsemua industri - tidak mungkin untuk menunjukkan area aktivitas manusia seperti itu di mana mereka tidak akan menemukan aplikasi. Ini menentukan rentang masalah pengukuran listrik besaran fisika yang terus berkembang. Keragaman dan peningkatan sarana dan metode untuk memecahkan masalah ini terus berkembang. Terutama dengan cepat dan berhasil mengembangkan arah teknologi pengukuran seperti pengukuran besaran non-listrik dengan metode listrik.
Teknologi pengukuran listrik modern berkembang ke arah peningkatan akurasi, kekebalan kebisingan dan kecepatan, serta peningkatan otomatisasi proses pengukuran dan pemrosesan hasilnya. Instrumen pengukuran telah beralih dari perangkat elektromekanis yang paling sederhana ke perangkat elektronik dan digital, dan selanjutnya ke sistem pengukuran dan komputasi terbaru menggunakan teknologi mikroprosesor. Pada saat yang sama, peningkatan peran komponen perangkat lunak alat pengukur, jelas merupakan tren perkembangan utama.
