Meettegniek

Kwantitatiewe gegewens, waarsonder die moderne samelewing nie kan klaarkom nie, word in getalwaardes uitgedruk wat aan groothede soos tyd, lengte, massa, ensovoorts toegeken word, en dikwels met behulp van 'n soort instrument verkry word.

In die toekenning van getalwaardes is dit nodig om van eenhede soos die meter (lengte), die sekonde (tyd), die volt (elektriese spanning) en talle ander gebruik te maak, en dit dan numeries af te tel sodat die grootheid deur 'n getal eenhede voorgestel kan word. Elektriese meting, dit wil sê die meet van elektriese stroom, spanning of weerstand, neem 'n besondere plek in die meettegniek in, aangesien elektriese seine (golwe, pulse) redelik maklik opgewek, versterk, omgesit en weergegee kan word.

Inleiding

Die handeling waarby kwantitatiewe gegewens, gewoonlik met behulp van meetinstrumente, versamel word, word meting genoem. Die resultaat van meting is gewoonlik ʼn getal wat die verhouding tussen die gemete grootheid en die eenheid vir die grootheid aangee, en 'n lengte van 3,6 m beteken dus dat die gemete afstand 3,6 keer so groot is as die eenheid vir lengte, die meter (m). Die fundamentele fisiese groothede en hul eenhede (volgens die internasionale stelsel vir eenhede, die SI-stelsel) is die volgende:

- lengte (meter, m);

- massa (kilogram, kg),

- tyd (sekonde, s),

- elektriese stroom (ampère, A),

- temperatuur (kelvin, K),

-ligintensiteit (kandela, cd), en dit word gekomplementeer deur talle ander eenhede, waaronder die vir druk (pascal), magnetiese veldsterkte (tesla), inhoud (liter), ensovoorts.

Meting omvat nie-elektriese of elektriese meting en nie-elektriese meting word met behulp van ʼn liniaal (lengte), 'n balans of skaal (massa), kwiktermometer (temperatuur), teodoliet (hoeke) en talle ander instrumente uitgevoer.

Elektriese meting behels die omsetting van groothede (waaronder bogenoemde) in elektriese groothede, wat met behulp van stroom-, spannings- of weerstandsmeters gemeet kan word. ʼn Voordeel van elektriese meting is dat byvoorbeeld stroom oor groot afstande gelei en op 'n eenvoudige, dog akkurate manier gemeet kan word, sodat die meetinstrument ver van die meetplek verwyder kan wees. Meetinstrumente word oor die algemeen in digitale of analoë instrumente ingedeel.

'n Digitale instrument kan as 'n teller beskou word, aangesien groothede in stappies daarmee gemeet word soos by die kilometerteller van ʼn motor, terwyl 'n analoë instrument as 'n nabootser beskou kan word, omdat groothede deurlopend gemeet word, soos by die snelheidsmeter van 'n motor. Die bruikbaarheid van 'n meetinstrument word deur onder meer die volgende faktore bepaal:

- Die meetbestek van die instrument. Dit is die gebied tussen die kleinste en grootste waarde waarin die meter kan meet.

- Die reaksietyd. Die meetresultaat (R) behoort 'n eenduidige funksie van die gemete grootheid (S) te wees (R = F(S)), 'n Vinnige of sprongsgewyse verandering sal byvoorbeeld nie presies deur die instrument gevolg kan word nie, en die tyd wat nodig is om aan te pas, word die reaksietyd genoem.

- Die noukeurigheid van die instrument. Een van die faktore wat noukeurigheid kan beïnvloed, is onder meer die meetbestek van die instrument. 'n Klein foutjie sal byvoorbeeld nie 'n beduidende uitwerking op 'n meter met 'n groot meetbestek hê nie, terwyl dit wel ʼn groot invloed op 'n meter met ʼn klein meetbestek sal hê.

'n Getroue herhaalbaarheid van meting is ook belangrik, en die akkuraatheid waarmee dieselfde meting herhaal kan word, is 'n aanduiding van die noukeurigheid van die meter. Verder kom die definisievermoë van die instrument ter sprake, dit wil se die kleinste afwyking in grootheid waarop die instrument sal reageer.

Die afleeseenheid

Die menslike oog is in byna alle gevalle die uiteindelike meetinstrument en behoort as sodanig tot die meetstelsel. Daarom word skaalindelings, liggies en syfer vertone so ingerig dat dit die maksimum inligting met een oogopslag kan verskaf.

Afleeseenhede kan digitaal of analoog wees, en 'n tipiese digitale eenheid is die syfervertoon van ʼn elektroniese kwartspolshorlosie, terwyl 'n voorbeeld van 'n analoë eenheid die bekende draaispoelmeter (galvanometer) met sy wysernaald is. By analoë afleeseenhede word lengte in die meeste gevalle as eindgrootheid gebruik (die afstand wat 'n meternaald langs 'n skaal beweeg, lengte van 'n kwikdraad) en 'n skaalverdeling kan tot 0,01% noukeurig afgelees word.

By digitale eenhede word syfers as grootheid gebruik, en kan dit byvoorbeeld, afgesien van die syfervertoon, op 'n pons- of magneetband gebruik word, in welke geval dit direk vir rekenaargebruik gereed is. Een van die belangrikste ontwikkelings by meetinstrumente is digitaal-na-analoog - (D/A-) en analoog-na-digitaal- (A/D-) omsetting. 'n A/D-omsetter verskaf ʼn aantal pulse, eweredig aan 'n sekere grootheid, wat met behulp van ʼn teller getel kan word wanneer die betrokke grootheid gemeet word, terwyl 'n D/A-omsetter die omgekeerde doen.

Nulstel

Die noukeurigheid van ʼn meetmetode kan verbeter word deur nie alleen die grootheid nie, maar die verskil tussen die grootheid en 'n verwysingsgrootheid te meet. By nulmeting (nulstel) word die'instrument so ingestel dat die verwysingswaarde as nul op die instrument aangetoon word, en die meting word dan relatief tot daardie waarde gedoen.

Meting en instrumente

Nie-elektriese meting

Nie-elektriese meting omvat metings van uiteenlopende aard, waarin die basisgroothede temperatuur, tyd, lengte, massa en ligintensiteit ʼn belangrike rol speel, omdat die meeste ander eenhede 'n afleiding van een van bogenoemde basisgroothede is.

Lengtemeting

Lengtemeting speel 'n besondere rol in die meettegniek omdat feitlik alle ander metings (selfs ook elektriese metings) tot ʼn lengtemeting (of hoek meting) herlei word. Die eenvoudigste lengtemeting is die met 'n liniaal, waarby ʼn noukeurigheid van ongeveer 1 mm bereik kan word.

Met 'n skuifmaat met nonius kan tot 0,05 mm, en met 'n skroefmikrometer tot 0,01 mm akkuraat gemeet word. 'n Baie akkurate instrument is die meetpasser, waarmee tot 0,001 mm noukeurig gemeet kan word. Kleiner afmetings word met behulp van 'n optiese vergroter soos ʼn mikroskoop gedoen, waarby die vergrote beeld op 'n normale skaal gemeet en 'n omrekening gedoen word. Vir die noukeurigste meting word 'n interferometer (of spektrometer) gebruik, waarmee die gemete lengte met die golflengte van 'n sekere straling vergelyk word.

Ander groothede, soos die grootte van 'n hoek of die snelheid van 'n voertuig, kan dikwels direk uit lengtemeting afgelei word. Die grootte van 'n hoek kan byvoorbeeld van 'n geboe liniaal (gradeboog) afgelees word, terwyl die snelheid van 'n voertuig uit die afstand afgelê (vergeleke met die tyd waarin dit gedoen is), afgelei kan word.

Oppervlakteberekening val ook onder lengtemeting, hoewel dit nie direk nie, maar wel met behulp van 'n formule gedoen kan word (vir ʼn vierkant 1 X b, vir 'n sirkel π r²). 'n Belangrike lengtemeting, veral by druk- en vloeimeters, is deformasiemeting, waarby 'n krag op 'n voorwerp uitgeoefen en die vervorming daarvan dan gemeet word. 'n Voorbeeld hiervan is 'n veer wat uitgerek word, sodat die stand van 'n wysernaald ooreenkom met die ewewigsposisie tussen ʼn aandrywende krag en die terugdrywende krag van die veer. By manometers word die deformasie van 'n membraan op 'n wysernaald oorgedra, waarvan byvoorbeeld druk afgelees kan word.

Massameting

Die massa van ʼn voorwerp word meestal ten opsigte van die aantrekkingskrag van die aarde gemeet, en as gewig G uitgedruk waar G = m.g (m= massa, g = gravitasieversnelling). Hierdie krag G lei tot 'n verplasing, wat as lengte gemeet kan word, byvoorbeeld met 'n veerbalans (trekskaal). Die meting is egter nie so akkuraat soos die balans (weegskaal) waarby die massa van 'n voorwerp met ʼn bekende massa vergelyk word nie.

Temperatuurmeting

Daar is verskillende fisiese wette waarop temperatuurmeting gebaseer word, en een van die bekende wette is die van Boyle-Gay-Lussac, waarvolgens die gasdruk eweredig aan die temperatuur is. Die temperatuurmeting word dan in der waarheid drukmeting.

Daar is ook die stralingswet, waarvolgens straling eweredig aan die temperatuur is en die meting dan as 'n stralingsintensiteitsmeting gedoen word. Bekende temperatuurmeters is onder meer vloeistoftermometers, bimetaalmeters, termokoppels en dampdruktermometers. Die kalorimetrie is verwant aan temperatuurmeting, aangesien dit op die meting van begin- en eindtemperature van stowwe berus. Die kalorimetrie word byvoorbeeld gebruik vir die bepaling van soortlike warmte, warmtegeleiding, asook energiemeting. Energie of arbeid kan in warmte omgesit word wat dan met behulp van die kalorimeter gemeet kan word.

Tydmeting

Tydmeting berus gewoonlik op die telling van periodieke verskynsels, en daarom is dit maklik om 'n tydhouer (horlosie) as digitale instrument (teller) in te rig. Periodieke verskynsels wat as tydbasis gebruik kan word, is die volgende:

- trillings van atome en molekules (atoomhorlosie);

- elektromagnetiese trillings in ossillators (kwartshorlosie);

- geluidstrillings;

- meganiese trillings (pendelum);

- beweging van hemelliggame.

Die sandloper is een van die min tydmeetinstrumente wat op ʼn deurlopende proses berus.

Optiese meting

Hiertoe behoort onder meer die ligintensiteitsmeting, die bepaling van die brekingsindeks (vir hoekmeting) en die bepaling van golflengte (lengtemeting). Golflengtemeting, gekombineer met ligintensiteitsmeting, vorm byvoorbeeld die basis vir spektroskopie, waarin die samestelling van lig ondersoek word.

Ligintensiteitsmeting berus op absolute of relatiewe meting. By absolute ligintensiteitsmeting word 'n stralingstandaard (byvoorbeeld die straling afkomstig uit ʼn wolframdraad, wat noukeurig tot ʼn sekere temperatuur verhit word) gebruik om 'n stralingsmeter te yk (kalibreer), waarna die verlangde straling dan gemeet word. By relatiewe ligmeting word die straling van 'n onbekende ligbron met die van 'n bekende bron vergelyk, deur albei byvoorbeeld met 'n fotosel te meet.

Elektriese meting

Elektriese meting berus op die meet van elektriese stroom, spanning of weerstand. By sommige elektriese verskynsels kan stroom of spanning direk gemeet word (byvoorbeeld foto-elektriese sel), terwyl daar in ander gevalle van 'n uitwendige stroom- of spanningsbron gebruik gemaak word om weerstands-, induksie- of kapasiteitswaardes uit stroom- of spanningsmetings af te lei. Die basiese elektriese meetinstrumente is onder meer:

- die draaispoelmeter;

- die weekystermeter;

- die elektrodinamiese meter;

- die ossilloskoop.

Die meter wat die meeste gebruik word, is die draaispoelmeter (galvanometer), waarby ʼn elektriese stroom deur 'n spoeletjie, wat in 'n sterk magneetveld (van ʼn permanente magneet) geleë is, vloei. Draaispoelmeters meet slegs gelykstroom, maar kan aangepas word om wisselstroom te meet.

By die weekystermeter en die elektrodinamiese meter word ʼn magneetveld deur die gemete stroom opgewek. By 'n lae stroomsterkte is die magneetveld swak, en die meter is dus nie baie gevoelig nie. By die ossilloskoop word slegs elektriese spanning gemeet. ʼn Bundel elektrone (elektronstraal) wat op 'n fluoresserende skerm gerig is, beweeg tussen 'n stel plate deur, waarop die gemete spanning aangelê word. Die uitwyking van die straal is eweredig aan die opgelegde spanning.

Die ossilloskoop is veral vir die meet van vinnig veranderende spannings geskik. Elektriese seine (spanningsveranderinge, stroom, golwe, pulse) kan versterk word as dit te klein is om regstreeks te meet. 'n Meetversterker, gewoonlik 'n gelykstroomversterker, versterk die sein gewoonlik sodanig dat dit met ʼn gewone draaispoelmeter gemeet kan word. 'n Belangrike aspek ten opsigte van elektriese meetinstrumente is die ingangsweerstand van die instrument; wat so hoog as moontlik moet wees, waardeur voorkom word dat dit die meting beïnvloed.

As die weerstand van die instrument laag is, sal te veel van die gemete elektriese stroom daardeur vloei, in plaas van deur die res van die kring, en 'n verkeerde indruk van die stroomvloei sal verkry word. Hoewel 'n ingangsweerstand van 20 000 tot 40 000 ohm (Ω) voldoende is vir normale meting (draaispoelmeter), word 'n ingangsweerstand van 10⁶ ohm vir instrumente verkies, en is daar FET -voltmeters (veldeffektransistorvoltmeters) en ossilloskope wat ingangsweerstande van 10⁷ ohm het.

Elektriese seine kan maklik verwerk word, en so is daar byvoorbeeld opnemers (registrasieapparaat) wat die seine registreer en dit versterk sodat 'n pen, wat ʼn kurwe op papier trek, daarmee in werking gestel kan word. Verder kan die seine gedigitaliseer word, dit wil sê in pulse omgesit en met 'n teller getel word. Die seine kan ook ingespan word om bewerkings (matematies) soos integrasie (deur die laai van ʼn kapasitor) of differensiasie (deur die ontlaai van ʼn kapasitor) te doen.

Die multimeter

Die universele of multimeter word die meeste in die praktyk gebruik, en is so ingerig dat gelykstroom – en spanning sowel as wisselstroom- en spanning, asook weerstand daarmee gemeet kan word. Dit bevat gewoonlik 'n draaispoelmeter wat met behulp van inskakelbare weerstande gebruik word om 'n wye reeks gelykspannings en -strome te meet.

Verder bevat die meter 'n gelykrigter waarmee wisselstroom gelyk gerig word, voordat dit gemeet kan word (ʼn draaispoelmeter kan net gelykstroom meet). Die meter is van 'n aantal opeenvolgende skale voorsien (1 V, 2,5 V, 10 V, 25 V en 250 V), waarmee ʼn wye reeks metings gedoen kan word, en die meter dus nie tot enkele groothede beperk is nie. Die multimeter het ook 'n oorbelastingsmeganisme (dikwels net ʼn sekering) waarmee dit teen ongehoorde hoe spannings en strome beskerm word.

Brugkringe

Meetbrûe word vir die meet van weerstand, induktansie en kapasitansie gebruik. Die meting berus op die vergelyking van spannings tussen twee punte in ʼn brug ('n stroomkring bestaande uit serie- en parallelgeskakelde komponente) met behulp van ʼn meter tussen daardie twee punte.

Die brug is gewoonlik so ingerig dat 'n komponent met 'n onbekende waarde 'n sekere afwyking van die meternaald veroorsaak, terwyl die verstelling van 'n komponent met ʼn bekende waarde die afwyking kanselleer. Die waarde van die onbekende komponent kan dan uit die mate van verstelling van die bekende komponent afgelei word.

Vir die meet van weerstand word gelykstroom gebruik, maar vir die meet van induktansie en kapasitansie is wisselstroom nodig. By laasgenoemde word oorfone dikwels in die plek van 'n meter gebruik, en die verstelling met die bekende komponent gedoen totdat geen geluid meer in die oorfone hoorbaar is nie.

Omsetters

Omsetting kan een van die volgende behels:

- meganies/meganiese omsetting

- meganies/elektriese omsetting

- elektries/meganiese omsetting

- elektries/elektriese omsetting

'n Voorbeeld van meganies/meganiese omsetting is die verplasing van kwik as gevolg van druk in 'n manometer, waarby die gemete druk (van 'n gas of vloeistof) op 'n kwikkolom uitgeoefen en die afstand van die verplasing gemeet of van 'n skaal afgemeet word.

Meganies/elektriese omsetting word byvoorbeeld met 'n mikrofoon gedoen, waarby geluidstrillings ooreenstemmende elektriese trillings in die mikrofoon laat ontstaan. Elektries/meganiese omsetting word met behulp van 'n luidspreker gedoen, waarby die elektriese trillings, wat van die klankversterker afkomstig is, in geluidstrillings omgesit word. Elektries/elektriese omsetting omvat byvoorbeeld gelykrigting, waarby wisselstroom in gelykstroom omgesit word.

Bronnelys

• Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409591, volume 18, bl. 100