Las necesidades de la ciencia y la tecnología incluyen una multitud de mediciones, cuyos medios y métodos se desarrollan y mejoran constantemente. El papel más importante en esta área pertenece a las mediciones de cantidades eléctricas, que se utilizan ampliamente en diversas industrias.
El concepto de medidas
La medida de cualquier cantidad física se realiza comparándola con alguna cantidad del mismo tipo de fenómenos, tomados como unidad de medida. El resultado obtenido por comparación se presenta numéricamente en las unidades apropiadas.
Esta operación se lleva a cabo con la ayuda de instrumentos de medición especiales, dispositivos técnicos que interactúan con el objeto, cuyos parámetros deben medirse. En este caso, se utilizan ciertos métodos, técnicas mediante las cuales el valor medido se compara con la unidad de medida.
Hay varios signos que sirven de base para clasificar las medidas de magnitudes eléctricas por tipo:
- Cantidadactos de medida. Aquí es esencial su unicidad o multiplicidad.
- Grado de precisión. Hay medidas técnicas, de control y verificación, las más precisas, así como medidas iguales y desiguales.
- La naturaleza del cambio en el valor medido a lo largo del tiempo. Según este criterio, las mediciones son estáticas y dinámicas. A través de medidas dinámicas se obtienen valores instantáneos de cantidades que cambian con el tiempo, y medidas estáticas - algunos valores constantes.
- Representación del resultado. Las medidas de cantidades eléctricas se pueden expresar en forma relativa o absoluta.
- La forma de obtener el resultado deseado. De acuerdo con esta característica, las mediciones se dividen en directas (en las que el resultado se obtiene directamente) e indirectas, en las que se miden directamente las cantidades asociadas al valor deseado por alguna dependencia funcional. En este último caso, la cantidad física requerida se calcula a partir de los resultados obtenidos. Por lo tanto, medir la corriente con un amperímetro es un ejemplo de una medición directa y la potencia es indirecta.
Medidas
Los dispositivos destinados a la medición deben tener características normalizadas, y además conservar durante cierto tiempo o reproducir la unidad del valor para el que están destinados.
Los medios para medir cantidades eléctricas se dividen en varias categorías dependiendo del propósito:
- Medidas. Estas herramientas sirven para reproducir el valor de algunos dadostamaño - como, por ejemplo, una resistencia que reproduce cierta resistencia con un error conocido.
- Transductores de medición que forman una señal en una forma conveniente para el almacenamiento, la conversión y la transmisión. Información de este tipo no está disponible para la percepción directa.
- Dispositivos de medición eléctrica. Estas herramientas están diseñadas para presentar información en una forma accesible para el observador. Pueden ser portátiles o estacionarios, analógicos o digitales, de grabación o señalización.
- Las instalaciones de medición eléctrica son complejos de las herramientas anteriores y dispositivos adicionales, concentrados en un solo lugar. Las unidades permiten mediciones más complejas (por ejemplo, características magnéticas o resistividad), sirven como dispositivos de verificación o referencia.
- Los sistemas de medición eléctrica también son una combinación de varios medios. Sin embargo, a diferencia de las instalaciones, los dispositivos para medir magnitudes eléctricas y otros medios en el sistema están dispersos. Con la ayuda de los sistemas, puede medir varias cantidades, almacenar, procesar y transmitir señales de información de medición.
Si es necesario resolver un problema de medición complejo específico, se forman complejos de medición y cálculo que combinan una serie de dispositivos y equipos informáticos electrónicos.
Características de los instrumentos de medida
Los dispositivos de equipos de medición tienen ciertas propiedades que son importantespara realizar sus funciones directas. Estos incluyen:
- Características metrológicas, como la sensibilidad y su umbral, rango de medición de una cantidad eléctrica, error de instrumento, valor de división, velocidad, etc.
- Características dinámicas, como amplitud (dependencia de la amplitud de la señal de salida del dispositivo con respecto a la amplitud en la entrada) o fase (dependencia del cambio de fase con la frecuencia de la señal).
- Características de rendimiento que reflejan hasta qué punto el instrumento cumple los requisitos de funcionamiento en determinadas condiciones. Estos incluyen propiedades tales como la fiabilidad de las indicaciones, la fiabilidad (operabilidad, durabilidad y funcionamiento sin fallos del dispositivo), mantenibilidad, seguridad eléctrica, economía.
El conjunto de características del equipo está establecido por los documentos normativos y técnicos pertinentes para cada tipo de dispositivo.
Métodos aplicados
La medición de magnitudes eléctricas se realiza por varios métodos, que también pueden clasificarse según los siguientes criterios:
- Tipo de fenómenos físicos en base a los cuales se realiza la medición (fenómenos eléctricos o magnéticos).
- La naturaleza de la interacción de la herramienta de medición con el objeto. Dependiendo de ello, se distinguen los métodos de contacto y sin contacto para medir cantidades eléctricas.
- Modo de medición. Según él, las medidas son dinámicas y estáticas.
- Método de medición. Desarrollados como métodos de estimación directa cuando la cantidad buscadadeterminado directamente por el dispositivo (por ejemplo, un amperímetro), y métodos más precisos (cero, diferencial, oposición, sustitución), en los que se detecta por comparación con un valor conocido. Los compensadores y los puentes eléctricos de medida de corriente continua y alterna sirven como dispositivos de comparación.
Instrumentos eléctricos de medida: tipos y características
La medición de magnitudes eléctricas básicas requiere una amplia variedad de instrumentos. Según el principio físico que subyace a su trabajo, todos se dividen en los siguientes grupos:
- Los dispositivos electromecánicos deben tener una parte móvil en su diseño. Este gran grupo de instrumentos de medición incluye dispositivos electrodinámicos, ferrodinámicos, magnetoeléctricos, electromagnéticos, electrostáticos, de inducción. Por ejemplo, el principio magnetoeléctrico, que se usa mucho, puede usarse como base para dispositivos tales como voltímetros, amperímetros, ohmímetros, galvanómetros. Los contadores de electricidad, frecuencímetros, etc. se basan en el principio de inducción.
- Los dispositivos electrónicos se distinguen por la presencia de bloques adicionales: convertidores de cantidades físicas, amplificadores, convertidores, etc. Como regla general, en dispositivos de este tipo, el valor medido se convierte en voltaje, y un voltímetro sirve como su base estructural. Los instrumentos de medición electrónicos se utilizan como medidores de frecuencia, capacitancia, resistencia, inductancia, osciloscopios.
- TermoeléctricaLos dispositivos combinan en su diseño un dispositivo de medición de tipo magnetoeléctrico y un convertidor térmico formado por un termopar y un calentador a través del cual fluye la corriente medida. Los instrumentos de este tipo se utilizan principalmente para medir corrientes de alta frecuencia.
- Electroquímica. El principio de su funcionamiento se basa en los procesos que ocurren en los electrodos o en el medio en estudio en el espacio entre electrodos. Los instrumentos de este tipo se utilizan para medir la conductividad eléctrica, la cantidad de electricidad y algunas cantidades no eléctricas.
Según las características funcionales, se distinguen los siguientes tipos de instrumentos para medir magnitudes eléctricas:
- Indicación (señalización): estos son dispositivos que solo permiten la lectura directa de información de medición, como vatímetros o amperímetros.
- Grabación: dispositivos que permiten la posibilidad de registrar lecturas, por ejemplo, osciloscopios electrónicos.
Según el tipo de señal, los dispositivos se dividen en analógicos y digitales. Si el dispositivo genera una señal que es una función continua del valor medido, es analógico, por ejemplo, un voltímetro, cuyas lecturas se dan mediante una escala con una flecha. En el caso de que se genere automáticamente una señal en el dispositivo en forma de un flujo de valores discretos que ingresa a la pantalla en forma numérica, se habla de un instrumento de medición digital.
Los instrumentos digitales tienen algunas desventajas en comparación con los analógicos: menor fiabilidad,necesidad de fuente de alimentación, mayor costo. Sin embargo, también se distinguen por ventajas significativas que generalmente hacen que el uso de dispositivos digitales sea más preferible: facilidad de uso, alta precisión e inmunidad al ruido, posibilidad de universalización, combinación con una computadora y transmisión remota de señales sin pérdida de precisión.
Inexactitudes y exactitud de los instrumentos
La característica más importante de un instrumento de medición eléctrico es la clase de precisión. La medición de magnitudes eléctricas, como cualquier otra, no puede realizarse sin tener en cuenta los errores del dispositivo técnico, así como factores adicionales (coeficientes) que afectan la precisión de la medición. Los valores límite de los errores dados permitidos para este tipo de dispositivo se denominan normalizados y se expresan en porcentaje. Determinan la clase de precisión de un dispositivo en particular.
Las clases estándar utilizadas para marcar las escalas de los dispositivos de medición son las siguientes: 4, 0; 2, 5; quince; diez; 0,5; 0,2; 0,1; 0.05 De acuerdo con ellos, se establece una división según el propósito: los dispositivos pertenecientes a las clases de 0.05 a 0.2 son ejemplares, las clases 0.5 y 1.0 tienen dispositivos de laboratorio y, finalmente, los dispositivos de las clases 1, 5–4, 0 son técnicos..
Al elegir un dispositivo de medición, es necesario que corresponda a la clase del problema que se está resolviendo, mientras que el límite superior de medición debe estar lo más cerca posible del valor numérico del valor deseado. Es decir, cuanto mayor sea la desviación de la aguja del instrumento, menor será el error relativo de la medida. Si solo hay disponibles instrumentos de clase baja, se debe seleccionar el que tenga el rango operativo más pequeño. Usando estos métodos, las mediciones de cantidades eléctricas pueden llevarse a cabo con bastante precisión. En este caso, también debe tener en cuenta el tipo de escala del dispositivo (uniforme o desigual, como escalas de óhmetro).
Magnitudes eléctricas básicas y sus unidades
La mayoría de las veces, las mediciones eléctricas están asociadas con el siguiente conjunto de cantidades:
- Intensidad de corriente (o simplemente corriente) I. Este valor indica la cantidad de carga eléctrica que pasa a través de la sección del conductor en 1 segundo. La medición de la magnitud de la corriente eléctrica se realiza en amperios (A) utilizando amperímetros, avómetros (probadores, los llamados "tseshek"), multímetros digitales, transformadores de instrumentos.
- Cantidad de electricidad (cargo) q. Este valor determina hasta qué punto un cuerpo físico en particular puede ser fuente de un campo electromagnético. La carga eléctrica se mide en culombios (C). 1 C (amperio-segundo)=1 A ∙ 1 s. Los instrumentos de medición son electrómetros o medidores de carga electrónicos (coulombímetros).
- Tensión U. Expresa la diferencia de potencial (energía de carga) que existe entre dos puntos distintos del campo eléctrico. Para una cantidad eléctrica dada, la unidad de medida es el voltio (V). Si para mover una carga de 1 culombio de un punto a otro, el campo realiza un trabajo de 1 julio (es decir, se gasta la energía correspondiente), entoncesla diferencia de potencial - voltaje - entre estos puntos es de 1 voltio: 1 V \u003d 1 J / 1 C. La medida de la tensión eléctrica se realiza mediante voltímetros, multímetros digitales o analógicos (testers).
- Resistencia R. Caracteriza la capacidad de un conductor para impedir el paso de corriente eléctrica a través de él. La unidad de resistencia es el ohm. 1 ohm es la resistencia de un conductor con una tensión de 1 voltio en los extremos a una corriente de 1 amperio: 1 ohm=1 V / 1 A. La resistencia es directamente proporcional a la sección y longitud del conductor. Para medirlo se utilizan ohmímetros, avómetros y multímetros.
- La conductividad eléctrica (conductividad) G es el recíproco de la resistencia. Medido en siemens (cm): 1 cm=1 ohmio-1.
- La capacidad C es una medida de la capacidad de un conductor para almacenar carga, también una de las cantidades eléctricas básicas. Su unidad de medida es el faradio (F). Para un capacitor, este valor se define como la capacitancia mutua de las placas y es igual a la relación entre la carga acumulada y la diferencia de potencial en las placas. La capacitancia de un capacitor plano aumenta con el aumento del área de las placas y con la disminución de la distancia entre ellas. Si, con una carga de 1 colgante, se crea un voltaje de 1 voltio en las placas, entonces la capacitancia de dicho capacitor será igual a 1 faradio: 1 F \u003d 1 C / 1 V. La medición se lleva a cabo usando instrumentos especiales - medidores de capacitancia o multímetros digitales.
- Potencia P es un valor que refleja la velocidad con la que se realiza la transferencia (conversión) de energía eléctrica. Como unidad de sistema de potencia adoptadavatio (W; 1 W=1J/s). Este valor también se puede expresar en términos del producto de la tensión y la intensidad de la corriente: 1 W=1 V ∙ 1 A. Para circuitos de CA, potencia activa (consumida) Pa, reactiva P ra (no participa en el funcionamiento de la corriente) y plena potencia P. Al medir, se utilizan las siguientes unidades para ellos: watt, var (significa “voltio-amperio reactivo”) y, en consecuencia, voltioamperio V ∙ BUT. Sus dimensiones son las mismas y sirven para distinguir entre las cantidades indicadas. Instrumentos para medir la potencia: vatímetros analógicos o digitales. Las mediciones indirectas (por ejemplo, usando un amperímetro) no siempre son aplicables. Para determinar una cantidad tan importante como el factor de potencia (expresado en términos de ángulo de cambio de fase), se utilizan dispositivos llamados medidores de fase.
- Frecuencia f. Esta es una característica de una corriente alterna, que muestra el número de ciclos de cambio en su magnitud y dirección (en el caso general) durante un período de 1 segundo. La unidad de frecuencia es el segundo recíproco, o hercio (Hz): 1 Hz=1 s-1. Este valor se mide por medio de una extensa clase de instrumentos llamados medidores de frecuencia.
Cantidades magnéticas
El magnetismo está estrechamente relacionado con la electricidad, ya que ambos son manifestaciones de un único proceso físico fundamental: el electromagnetismo. Por lo tanto, una conexión igualmente estrecha es característica de los métodos y medios para medir cantidades eléctricas y magnéticas. Pero también hay matices. Por regla general, al determinar este último, prácticamentese realiza una medición eléctrica. El valor magnético se obtiene indirectamente de la relación funcional que lo conecta con el eléctrico.
Los valores de referencia en esta área de medición son la inducción magnética, la intensidad de campo y el flujo magnético. Se pueden convertir utilizando la bobina de medición del dispositivo en EMF, que se mide, después de lo cual se calculan los valores requeridos.
- El flujo magnético se mide con instrumentos como webermeters (fotovoltaicos, magnetoeléctricos, electrónicos analógicos y digitales) y galvanómetros balísticos de alta sensibilidad.
- La inducción y la intensidad del campo magnético se miden con teslámetros equipados con varios tipos de transductores.
La medición de cantidades eléctricas y magnéticas, que están directamente relacionadas, permite resolver muchos problemas científicos y técnicos, por ejemplo, el estudio del núcleo atómico y el campo magnético del Sol, la Tierra y los planetas, el estudio de la propiedades magnéticas de diversos materiales, control de calidad y otros.
Cantidades no eléctricas
La conveniencia de los métodos eléctricos hace posible extenderlos con éxito a mediciones de varias cantidades físicas de naturaleza no eléctrica, como temperatura, dimensiones (lineales y angulares), deformación y muchas otras, así como para investigar los procesos químicos y la composición de las sustancias.
Los instrumentos para la medición eléctrica de cantidades no eléctricas suelen ser un complejo de un sensor, un convertidor en cualquier parámetro del circuito (voltaje,resistencia) y dispositivo de medición eléctrica. Hay muchos tipos de transductores, gracias a los cuales puede medir una variedad de cantidades. Estos son solo algunos ejemplos:
- Sensores reostáticos. En dichos transductores, cuando se expone el valor medido (por ejemplo, cuando cambia el nivel del líquido o su volumen), el control deslizante del reóstato se mueve, cambiando así la resistencia.
- Termistores. La resistencia del sensor en dispositivos de este tipo cambia bajo la influencia de la temperatura. Se utiliza para medir el caudal de gas, la temperatura y determinar la composición de las mezclas de gases.
- Las resistencias a la deformación permiten medir la deformación del cable.
- Fotosensores que convierten un cambio en la iluminación, la temperatura o el movimiento en una fotocorriente que luego se mide.
- Transductores capacitivos usados como sensores para química del aire, desplazamiento, humedad, presión.
- Los transductores piezoeléctricos funcionan según el principio de la aparición de CEM en algunos materiales cristalinos cuando se les aplica mecánicamente.
- Los sensores inductivos se basan en la conversión de cantidades como la velocidad o la aceleración en una fem inducida.
Desarrollo de instrumentos y métodos de medición eléctrica
Una amplia variedad de medios para medir cantidades eléctricas se debe a muchos fenómenos diferentes en los que estos parámetros juegan un papel importante. Los procesos y fenómenos eléctricos tienen una gama extremadamente amplia de usos entodas las industrias: es imposible indicar un área de actividad humana de este tipo donde no encontrarían aplicación. Esto determina la gama cada vez mayor de problemas de mediciones eléctricas de cantidades físicas. La variedad y mejora de los medios y métodos para resolver estos problemas crece constantemente. Desarrolla de manera particularmente rápida y exitosa una dirección de la tecnología de medición como la medición de cantidades no eléctricas por métodos eléctricos.
La tecnología de medición eléctrica moderna se está desarrollando en la dirección de aumentar la precisión, la inmunidad al ruido y la velocidad, así como también aumentar la automatización del proceso de medición y el procesamiento de sus resultados. Los instrumentos de medición han pasado de los dispositivos electromecánicos más simples a los dispositivos electrónicos y digitales, y más allá a los últimos sistemas de medición e informática que utilizan tecnología de microprocesadores. Al mismo tiempo, el aumento del papel del componente de software de los dispositivos de medición es, obviamente, la principal tendencia de desarrollo.
