اهميت ، تعريف و روشهاي اندازه گيري الكتريكي

اهميت اندازه گيري الكتريكي :
اهميت اندازه گيري الكتريكي بيشتر به خاطر اين است كه:
اولاً كميات الكتريكي مي‌توان بسادگي از يك نقطه به نقطه‌اي ديگر منتقل نمود.
ثانياً اين كميات را مي‌توان به وسيله دستگاه‌هاي ساده‌اي تقويت نمود: در نتيجه چنانچه مقدار كميت مورد سنجش كم باشد با تقويت نمودن قادر خواهيم بود آن كميت را بسنجيم.
ثالثاً : دستگاه‌هاي اندازه گيري الكتريكي از نظر حجم و وزن كوچك و بسادگي قابل محل است

/
تراسند يوسر :
معمولاً براي اندازه گيري كميات غير الكتريكي بايد ابتدا اين نوع كميات را به سيگنالهاي الكتريكي (جريان، ولتاژ) تبديل نمود تا بتوان مقدار اين نوع كميات غير الكتريكي را به وسيلة دستگاه‌هاي اندازه گيري الكتريكي اندازه گيري نمود. چنين دستگاه‌هايي كه كميت غير الكتريكي (مانند مكانيكي، شيميايي، حرارتي، نوري، به سيگنالهاي الكتريكي تبديل مي‌نمايند ترانسد يوسر ناميده مي‌شوند كه به معني مبدل است. به عنوان مثال ترموكوپل
تعريف اندازه گيري :
عبارتست از مقايسة آن كميت با يك كميت هم جنس كه به عنوان واحد انتخاب شده است. نتيجه اندازه گيري با يك عدد كه نشاندهنده نسبت كميت مجهول به واحد كميت مورد اندازه گيري است نشان داده شده است. به عبارت ديگر اندازه گيري يعني : مقايسه كمي يك استاندارد مشخص (شاخص) تعريف شده با يك اندازه نامعلوم.

– طبقه بندي دستگاههاي اندازه گيري
دستگاه‌هاي اندازه گيري را مي‌توان به صورتهاي مختلف طبقه بندي نمود.
۱٫ از نظر اصول كار دستگاه : به عنوان مثال، دستگاه‌هاي اندازه گيري مي‌تواند آنالوگ باشد يا ديجيتال (عقربه سرعت نما آنالوگ است و كيلومتر شمار ديجيتال).
۲٫ از نظر روش اندازه گيري : به عنوان مثال، دستگاه ممكن است مستقيماً كميت مورد سنجش را اندازه گيري نمايد و يا اين كه اندازه گيري روش غير مستقيم انجام شود.
۳٫ از نظر كلاس دقت دستگاه : كه به طور كلي به سه دسته تقسيم مي‌شوند.
الف ) دستگاه‌هاي بسياردقيق كه در آزمايشگاه‌هاي تحقيقاتي به كار مي‌روند.
ب ) دستگاه‌هايي كه در صنعت به كار مي‌روند.
ج ) دستگاه‌هاي خيلي معمولي.
روشهاي اندازه گيري الكتريكي
الف) روش مستقيم : در اين روش، كميت مورد سنجش مستقيماً موجب انحراف عقربه دستگاه اندازه گيري مورد نظر شده و در نتيجه مقدار كميت مجهول مستقيماً خوانده مي‌شود. اندازه گيري جريان توسط آمپرمتر و ولتاژ توسط ولت مترو.
ب ) روش غير مستقيم : در اين روش كميت مجهول مستقيماً اندازه گيري نود سازند اندازه گيري توان با استفاده از خواندن مقادير ولتاژ و جريان و ضرب اين در كميت در هم (البته چنانچه كميات، dc باشند)
هر يك ازروشهاي فوق ممكن است به دو صورت به كارگيري شوند.
الف) روش انحرافي : در اين روش، كميت مجهول باعث انحراف عقربه دستگاه مي‌شوند.
ب ) روش مقايسه‌اي : در اين روش كميت مجهول با كميات هم جنس معلومي مقايسه شده و توسط روابط معيني كه بين كميت مجهول و كميات معلوم وجود دارد. مقدار مورد نظر محاسبه مي‌شود. مانند پلهاي اندازه گيري (پل و تسئون)

خطاي اندازه گيري :
معمولاً هيچ اندازه گيري را نمي‌توان بدون خطا انجام داد و به طور كلي مقداري كه دستگاه اندازه گيري نشان مي‌دهد با مقدار واقعي كميت يكسان نيست به همين دليل تعاريف مختلفي براي خطاهاي اندازه گيري موجود است :
۱) خطاي مطلق : خطاي مطلق عبادتست از اختلاف بين مقدار اندازه گيري شد. (A) و مقدار واقعي كميت (W) و اين خطا با F نمايش داده مي‌شود. F=A-W
اين خطا ممكن است مثبت يا منفي باشد.

خطاي نسبي
واضح است كه تعريف خطاي مطلق، تعريف كاملي نبود. و نياز به تعاريف دقيقتر‌ي از خطا خواهيم داشت چنانچه در اندازه گيري ۲۰۰ ولت ۱۰ ولت خطا داشته باشيم و در اندازه گيري ۵۰ ولت نيز ۱۰ ولت خطا داشته باشيم. با آن كه خطاي مطلق اين اندازه گيري يكسان است (۱۰ ولت) اما واضح است كه اندازه گيري اول به مراتب از اندازه گيري دوم دقيقتر است به همين دليل از خطاي نسبي استفاده مي‌كنيم. خطاي نسبي عبارت است از نسبت خطاي مطلق به مقدار واقعي كميت مجهول كه به صورت درصد بيان مي‌شود كه با حروف نمايش داده مي‌شود.

در مورد مثال قبلي :

واضح است كه اندازه گيري اول به مراتب از اندازه گيري دوم دقيقتر است.
مثال : اگر ولتاژ مقداري ۳۸۰ باشد و ولت متر ۳۸۵ ولت را نشان دهد و حساب كنيد خطاي مطلق و درصد خطاي نسبي را
A = 385 W=380
F = A – W => F = 385 – ۳۸۰ = ۵V

تقسيم بندي خطاها
اندازه گيري با صحت كامل ممكن نيست ولي پي بردن به مقدار واقعي و چگونگي وارد شد خطاهاي مختلف در اندازه گيري مهم است خطاها منابع گوناگوني دارند ولي معمولا به اين صورت طبقه بندي مي‌شوند.
۱) خطاي شخص ۲- خطاهاي سيستمي ۳) خطاهاي تصادفي
۱) خطاهاي شخصي : اين طبقه عمدتاً شامل خطاهاي انساني مانند خطا در خواندن وسايل اندازه گيري ثبت و محاسبه كه مسئوليت تمام اين خطاها به عهده آزمايشگر است.
ب ) خطاي دستگاه : عواملي كه باعث اين نوع خطا مي‌شوند عبارتند از تأثير دماي محيط بر دستگاه قرار گرفتن دستگاه در محيط مغناطيسي و رعايت نكردن شرايط نصب و قرار گرفتن دستگاه و …
۲) خطاي تصادفي : ديده شده است كه نتايج تجربي از يك خوانده به خوانده ديگر، قسمت پس از در نظر گرفتن همه خطاهاي سيستمي تغيير مي‌كنند. اين خطاها ناشي از عوامل جزئي و متعددي هستند كه ازيك آزمايش به آزمايش ديگر تغيير مي‌كند و مطمئناً تصادفي‌اند.
چند تعريف :
۱٫ دقت اندازه گيري : عبارت است از درجه نزديكي مقدار خوانده شده از دستگاه به مقدار واقعي كميت
۲٫ صحت اندازه گيري : عبارت است از درجه تطبيق نتايج اندازه گيري مكرر يك كميت

مورد اندازه گيري
۳٫ حساسيت : عبارت است كه نسبت پاسخ دستگاه تغييرات سيگنال ورودي يا كميت مورد اندازه گيري يا به عبارت ديگر مقدار انحراف عقربه به ازاي يك واحد از كميت مورد اندازه گيري را حساسيت دستگاه مي‌گويند.
۴٫ كلاس : كلاس يك دستگاه اندازه گيري بيانگر دقت آن دستگاه مي‌باشد كه بادرص

د خطاي نيمي رابطه مستقيم دارد كه هر چقدر مقدار آن كمتر باشد دستگاه دقيقتر است.
– چگونگي خواندن دستگاه‌هاي اندازه گيري آنالوگ ضريب خواندن عقربه روي صفحة مدرج.
معمولا دستگاه‌هاي اندازه گيري داري وسنج‌هاي مختلفي مي‌باشند ولي روي صفحه مدرج آن داراي يك يا دو نوع درجه بندي باشد. بدين منظور براي خواندن مقدار اندازه گيري شده عددي را كه عقربه نشان مي‌دهد را در ضريب ثابت دستگاه كه از رابطه زير به دست مي‌آيد ضرب مي‌كنيم.

يك ولت متر روي سنج ۵۰۰V قرار گرفته اگر ماكزيمم عدد روي صفحة مدرج ۵۰V باشد و عقربه روي عدد ۲۵ ايستاده باشد. مقدار ولتاژ اندازه گيري شده توسط ولت مقدار حساب كنيد.
۵۰V = ماكزيمم عدد روي صفحه
۲۵= عددي كه عقربه نشان مي‌دهد
V250= 25×۱۰= عددي كه عقربه نشان مي‌دهد ×C : مقدار واقعي
آشنايي با انواع دستگاه‌هاي اندازه گيري آنالوگ
۱: دستگاه‌هاي با قاب گردان و آهنرباي
اين دستگاه‌ها از نظر كثرت استعمال، بعد از كنتورهاي برق در درجه اول اهميت قرار دارند و تقريبا بيشتر از كليه دستگاه‌هاي اندازه گيري ساخته شده‌اند. گالوانومترهاي دي آرسونوال بر همين اساس ساخته مي‌شوند. اين دستگاه‌ها فقط مي‌توانند كميات مستقيم را مستقيماً بسنجند و براي سنجش كميات متناوب بايد ابتدا كميات متناوب را يكسو و سپس به دستگاه وصل كرد. علامت مشخصه اين دستگاه طبق شكل است.
اين دستگاه از يك آهنرباي ؟ ساكن و يك قاب گردان تشكيل شده‌اند. با عبور جريان مورد سنجش يا كسري از اين جريان از قاب مسير آن نيرويي وارد شده و باعث انحراف عقربه دستگاه مي‌شود. دستگاه‌هاي با قاب گردان و آهنرباي دائم از دقيق ترين انواع دستگاه‌هاي اندازه گيري هستند.
دستگاه با آهنرباي گردان :
اين دستگاه تشكيل شده است از يك سيم پيچ ساكن، يك آهنرباي دائم ساكن و يك سوزن مغناطيس و آهنرباي گردان و هر روش كار آن به اين صورت است كه ابتلا سوزن مغناطيسي در جهت حوزه آهنرباي دائم قرار مي‌گيرد. جرياني كه بايد سنجيده شود از بوبين (سيم پيچ) عبور داده مي‌شود. در اثر عبور جريان از بوبين، سوزن مغناطيس منحرف شده در نتيجه ، عقربه روي خط كش مدرج صفحه دستگاه حركت مي‌كند و اين انحراف فقط در مقدار جريان بستگي دارد.
اين دستگاه‌ها داراي دقت بسيار كمي هستند و عملا امروزه ساختماني شوند. از اين دستگاه‌ها براي معمولا براي كنترل جريان شارژ باطريها استفاده مي‌شود.

دستگاه‌هاي با آهن نر م گردان
از نظر اصولي اين دستگاه‌ها به دو دسته جذبي و دفعي تقسيم مي‌شوند. كه بر اساس جاذبه و دافعه كار مي‌كنند.
ساختمان آن‌ها از يك سيم پيچ ساكن و يك آهن نرم گردان كه مي‌تواند به داخل سيم پيچ ساكن جذب شود. تشكيل مي‌شود. با اعمال جريان به سيم پيچ دستگاه اين سيم پيچ به يك آهنرباي مصنوعي تبديل شده و آهن نرم را به داخل خود جذب مي‌كند.
دستگاه‌هاي الكتروديناميكي : اين دستگاه‌ها از دو سيم پيچ كه يكي ثابت و ديگري آزاد است را تشكيل شده است. اين دستگاه شبيه دستگاه با قاب گردان و آهنرباي دائم است. با اين تفاوت كه در اينجا ميلان مغناطيسي توسط خود جريان مورد سنجش به وجود مي‌آيد. با تغييرات مختصر در ساختمان داخلي اين نوع دستگاه مي‌توان از آن براي سنجش جريان ولتاژ و ضريب توان حقيقي و توان غير حقيقي باراكتيو استفاده نمود. در هيچ پيچ ممكن است با هم سري يا با هم موازي شوند.
دستگاه‌هاي القايي (اندوكسيوني)
اين دستگاه‌ها بر مبناي پديده القا عمل مي‌كنند و ساختمان آلفا در شكل سادة خود از دو يا چند سيم پيچ ثابت و يك ديسك فلزي آزاد كه مي‌تواند در داخل ميدان مغناطيسي سيم پيچها حركت نمايد، تشكيل مي‌شود. اين دستگاه فقط در جريان ac كاربرد دارد. در اثر عبور جريان متناوب از سيم پيچها، شارهاي متناولي به وجود مي‌آيد. كه ديسك فلزي را قطع نموده و در آن جريان‌هايي القايي (فوكو) بوجود مي‌آيد از اثر متقابل جريانهاي فوكو و شارهاي مغناطيسي گشتاور محرك در اين دستگاه‌ها ه وجود مي‌آيد. با تغييرات محتصري در ساختمان داخلي اين دستگاه‌ها مي‌توان از آنها براي سنجش انرژي حقيقي و انرژي غير حقيقي استفاده نمود كه اين صورت كنتور ناميده مي‌شود.
دستگاه‌هاي الكترواستاتيكي :
چنانچه مي‌دانيد اگر بين دو الكترود فلزي اختلاف پتانسيلي وجود داشته باشد به حد طبق قانون كولمب نيرويي بين دو الكترود به وجود مي‌آيد و جهت نيرو است كه باعث افزايش طرفيت الكتريكي خازن تشكيل شده از دو الكترود مي‌شود. به عبارت ديگر وجود بارها غير همنام روي دو الكترود موجب جذب آنها مي‌شود. اين اساس كار دستگاه‌هاي الكترو استاتيكي است. اين دستگاه‌ها فقط به عنوان ولت سنج قابل استفاده هستند در اين دستگاه‌ها براي سنجش ولتاژهاي زياد در حد كيلو ولت به كار مي‌روند با اعمال ولتاژ به ترمينالها الكترود آزاد به داخل الكترودهاي ثابت كشيده مي‌شود يا صفحه آزاد چرخيده به سمت صفحه ساكن كشيده مي‌شود و عقربه منجرف مي‌شود.
اين دستگاه‌ها در مدارات جريان مستقيم و متناوب كاربرد دارند.
دستگاههاي حرارتي :
اين دستگاه‌ها بر اساس حرارت كار نموده و معمولاً به سه دسته تقسيم مي‌شوند : ۱- دستگاه‌هاي با سيم پيچ حرارتي ۲- دستگاه‌هاي ترموكوپلي ۳- دستگاه‌هاي برمتالي
دستگاه با سيم حرارتي
اين دستگاه از يك سيم حرارتي تشكيل شده است كه جريان مورد سنجش از ان عبور نموده با ايجاد حرارت، آن را منبسط كرده گشتاور محرك دستگاه را به وجود مي‌آورد.
اين دستگاه داراي معايب زير است.
۱- زمان اندازه گيري طولاني است.
۲- براي اندازه گيري مكرر بايد صبر كرد تا درجه حرارت به درجه حرارت محيط برسد.
۳- در اثر تغيير درجه حرارت محيط، تنظيم صفحه دستگاه به هم مي‌خورد.
۴- مصرف داخلي اين دستگاه نسبتاً زياد است.
دستگاه ترموكوبلي :
اين دستگاه از يك مبدل حرارتي به الكتريكي و يك دستگاه باقاب گردان و آهنرباي دائم ت

شكيل مي‌شود.
مبدل حرارتي از يك سيم حرارتي، كه جريان مورد سنجش از آن عبور مي‌نمايد، در يك ترموكوبل كه حرارت ايجاد شده را به اختلاف پتانسيل تبديل مي‌كند. تشكيل مي‌شود به طور كلي ترموكوبل عبارت است از دو فلز غير هم جنس كه در يك نقطه به هم متصل يا جوش شده‌اند. چنانچه نقطه اتصال ترموكوبل را گرم كنيم اختلاف پتانسيل تبديل مي‌كند. تشكيل مي‌شود به طور كلي ترموكوبل عبارت است از دو فلز غير هم جنس كه در يك نقطه به هم متصل يا جوش شده‌اند. چنانچه نقطه اتصال ترموكوبل را گرم كنيم اختلاف پتانسيل در درسر آزاد ترموكوبل ايجاد مي‌شود كه اولاً متناسب با جنس فلز به كار رفته و ثانياً متناسب با درجه حرارت نقطه اتصال است با اعمال اين ولتاژ به يك ميلي آمپرسنج، جرياني از ميلي آمپرسنج عبور نموده و باعث انحراف عقربه آن مي‌شود.
دستگاه برمتال :
ساختمان اين دستگاه از يك برمتال، كه به صورت حلزوني درآمده و يك سر آن به بدنه دستگاه و سر ديگر آن به محور دستگاه وصل مي‌شود تشكيل شده است.
اين دستگاه از يك برمتال اصلي، يك برمتال خنثصي كننده اثر درجه حرارت محيط و يك صفحه عايقي تشكيل شده است. جريان مورد سنجش از برمتال اصلي عبور مي‌كند. و با عبور جريان از برمتال حلزوني باعث گرم شدن برمتال شده و موجب پيش آن مي‌شود.
برمتال خنثي كننده در خلاف جهت برمتال اصلي نصب مي‌شود. طوري كه اثر درجه حرارت محيط بر روي برمتال اصلي در جهت عكس بر برمتال خنثي كننده وارد مي‌شود. صفحه عايقي، مانع انتقال حرارت حاصل از جريان در برمتال اصلي به برمتال خنثي كننده است.
مشخصات دستگاه‌هاي اندازه گيري
سنجش صحيح و درست بستگي زياد به نوع دستگاهي دارد كه براي سنجش انتخاب مي‌شود از اين جهت، در روي صفحه مدرج دستگاه اندازه گيري، مشخصات كامل دستگاه درج شده است تا بتوان متناسب با كميت مورد سنجش، دستگاه‌هاي مختلف اندازه گيري و موارد استعمال دستگاه‌هاي مختلف نشان داده شده است.
انواع دستگاه‌هاي اندازه گيري از نظر كاربرد
آمپرمتر يا آمپرسنج :
دستگاهي است كه از آن براي اندازه گيري جريان استفاده مي‌شود اين دستگاه در مدار بصورت سري با مصرف كننده قرار مي‌گيرد. مقاومت داخلي آمپرمتربسيار كم است در حد صفر.
به همين دليل اگر با مصرف كننده به صورت موازي قرار مي‌گيرد باعث اتصال كوتاه شده آن و سوختن آمپرمتر مي‌شود به همين دليل در هنگام استفاده از آمپرمتر با يك دقت شود.
توسعة حدود اندازه گيري در آمپرمتر :
براي افزايش حدود اندازه گيري يك آمپر مي‌توان يك مقاومت كوچك با آن موازي ك

رد كه به اين مقاومت، مقاومت شنت مي‌گويند كه آن را با نشان مي‌دهند.
محاسبه مقاومت سنت و با يك مثال :
حدود اندازه گيري يك آمپر متد با مقاومت داخلي ۱۰ اهم، ۲۰ آمپر است مقدار مقاومت شنت مورد نياز براي محاسبة جريان ۱۰۰ آمپري را بدست آوريد.