bepaling van elektrische grootheden, zoals spanning, stroom, weerstand, waarbij de kennis van deze grootheden op zichzelf het doel van de meting kan zijn, zoals de meting van de spanning van het elektrische net, maar het ook veelvuldig voorkomt dat een elektrische grootheid gemeten wordt, omdat deze een maat is voor een andere, niet-elektrische grootheid die men wenst te bepalen.
Zo is de elektrische weerstand van een platina weerstandsthermometer een maat voor de temperatuur van de draad en zijn omgeving; bij een luxmeter wordt een elektrische spanning gemeten met de bedoeling een verlichtingssterkte te leren kennen. Bij deze laatste metingen heeft men steeds een omzetter (transducer) nodig, die de te meten grootheid in een elektrische grootheid omzet. Tevens zie Meten. De elektrische meettechniek vertoont enige voordelen boven andere takken van de techniek en mede daarom worden niet-elektrische grootheden, wanneer men deze wil meten, dikwijls eerst ‘vertaald’ in elektrische grootheden.
1. Elektrische signalen en meetresultaten in elektrische vorm (bijv. in de vorm van frequenties) kunnen gemakkelijk getransporteerd worden, langs kabels of draadloze weg, zo nodig over grote afstanden. Dit biedt bijv. de mogelijkheid meetresultaten te verkrijgen uit onbemande kunstmatige satellieten of uit een omgeving waar een sterke radioactieve straling of een andere ongunstige situatie heerst.
2. Er is een zeer uitgebreid instrumentarium beschikbaar om elektrische grootheden te meten; zij kunnen op vele manieren geregistreerd worden, bijv. met oscilloscopen of registrerende meters die met een pen of langs fotografische weg de meetresultaten al dan niet in bewaarbare vorm optekenen of met regeldrukkers de resultaten in gedrukte cijfers afbeelden, in het bijzonder bij de digitale instrumenten. Ook kunnen resultaten in elektrische vorm worden weergegeven.
3. Elektrische meetgegevens kunnen zo nodig gemakkelijk verwerkt of bewerkt worden. Een meetresultaat dient nl. veelvuldig als basis voor een berekening of als ingang van een regelproces. Soms is een combinatie van vele meetresultaten benodigd voor een te nemen beslissing. Dit soort problemen lost men bij voorkeur langs elektronische weg op en het is duidelijk, dat een elektrisch gegeven zeer geschikt is als ingangsgrootheid voor deze bewerkingen. De elektrische meettechniek is voor de elektrotechniek van uitzonderlijk belang. Uiteraard geldt het overeenkomstige in zekere mate voor iedere techniek, doch het karakter van de elektriciteit als een medium dat zich aan vrijwel alle rechtstreekse zintuiglijke waarnemingen onttrekt, heeft de noodzaak tot de ontwikkeling van de elektrische meettechniek sterk doen gevoelen en deze zeer bevordert.
Elektrische meetinstrumenten, de voor elektrische metingen gebruikte instrumenten, te onderscheiden naar de grootheden die men ermee wil meten. De voornaamste zijn: stroom, spanning, weerstand, impedantie, zelfinductie, wederzijdse inductie, capaciteit, lading, veldsterkte, frequentie, energie, vermogen. Sommige instrumenten kunnen gemakkelijk worden aangepast voor de meting van magnetische grootheden, zoals magnetische veldsterkte, inductie, flux. Elektrische meetinstrumenten kunnen ook onderscheiden worden naar de hoofdindeling van meetmethoden: deflectie-instrumenten, en de categorieën instrumenten die gebruik maken van resp. nulmethoden (brug- en compensatiemethode), resonantiemethoden en substitutiemethoden.
Naar de wijze van presentatie kan men onderscheid maken tussen digitale en analoge meetinstrumenten. Het meten van grootheden die een functie van de tijd zijn, vergt in het algemeen een getrouwe afbeelding, die verkregen wordt door een registratie. De combinatie van deze wensen en mogelijkheden levert een zeer grote variëteit van instrumenten.
Deflectie-instrumenten.
In de grote categorie van deflectie- ofwel rechtstreeks aanwijzende instrumenten worden ze aangeduid met de fysische principes die aan hun werking ten grondslag liggen resp. de fysische verschijnselen die met het optreden van elektrische stromen en spanningen gepaard gaan: draaispoelmeters en galvanometers (lorentzkrachten: de krachten die een stroomvoerende draad in een magneetveld ondervindt); elektrodynamische meetinstrumenten (de krachten die stroomvoerende draden op elkaar uitoefenen); elektromagnetische meetinstrumenten (weekijzermeters; de krachten die een magnetisch materiaal in het veld van een elektrische spoel ondervindt) en de ferrarismeetinstrumenten; elektrostatische meetinstrumenten (de krachten die elektrisch geladen lichamen op elkaar uitoefenen); thermische meetinstrumenten (de warmteontwikkeling door een elektrische stroom) en de elektronische meetinstrumenten.
De grote verscheidenheid van principes en meetinstrumenten, soms voor meting van dezelfde grootheid, in deze categorie wordt gerechtvaardigd door de grote verscheidenheid van omstandigheden en overwegingen, die men bij de keuze en het gebruik van de meters voor ogen dient te houden. In een algemeen overzicht kan men reeds de volgende gezichtspunten memoreren.
Schalen en de relatie gelijk/wisselstroom (evt.-spanning).
Vergelijkt men de werking van een draaispoelmeter en een elektrodynamische stroommeter dan ziet men dat in beide gevallen een koppel wordt opgewekt dat een draaibare spoel doet roteren tegen de werking van een veerkrachtig element in, dat de spoel naar een nulstand drijft. Het moment T van het uitgeoefende koppel is resp.:
T1 = C1(𝜗)i
en
T2 = C2(𝜗) i 2
hetgeen betekent dat T een lineaire resp. kwadratische functie is van i. De evenredigheidsfactoren C die in deze relaties optreden, hangen af van de uitslag 𝜗, die het draaibare spoeltje aanneemt als gecombineerd resultaat van dit koppel en het tegenkoppel S𝜗 (S is de stijfheid) dat door het veerelement wordt uitgeoefend.
In de gevallen waarin C(𝜗) als een van onafhankelijke constante mag worden beschouwd, worden deze vergelijkingen
T1 = C1i = S1𝜗
en
T2 = C2i 2 = S2𝜗
𝜗 = (C1/S1)i
resp.
𝜗 = C2/S2)i 2
Zet men voor deze gevallen de uitslag van het instrument uit als functie van de elektrische stroom, dan verkrijgt men de schalen die op de instrumenten de meetresultaten zichtbaar maken.
De uitslagen zijn als functie van de te meten grootheden resp. lineair en kwadratisch, hetgeen impliceert dat bij omkering van de stroom de uitslag van lineaire instrumenten van teken verandert, van kwadratische niet. Daarom kan men lineaire instrumenten desgewenst met een dubbelzijdige schaal uitvoeren.
Indien de evenredigheidsfactoren C1(𝜗) en C2(𝜗) niet geheel onafhankelijk zijn van 𝜗, gaat het strikt lineaire resp. kwadratische karakter van de schalen verloren en moet men de schalen door ijking van de instrumenten nauwkeurig vaststellen. Bij kwadratische schalen wordt zelfs soms met opzet een zodanig functieverband C2(𝜗) gerealiseerd, dat een deel van de schaal een lineair karakter krijgt. Dit neemt echter niet weg dat in deze gevallen het lineaire resp. kwadratische karakter ten opzichte van de stroom i wel degelijk nauwkeurig blijft gelden en dit is voor het volgende van wezenlijk belang.
Wordt aan de instrumenten van lineair resp. kwadratisch karakter een wisselstroom i = î sin ωt toegevoerd dan wordt het uitgeoefende koppel
T1 = C1 î sin ωt resp. T2 = C2 î 2 sin2 ωt.
Wanneer men dit koppel middelt over één of een aantal perioden van de wisselstroom, dan vindt men een gemiddeld koppel resp.:
T1 = 0
en
T2 = C2 î 2 sin2 ωt = ½C2 î 2
Slechts bij de kwadratische instrumenten resulteert een gemiddeld koppel ongelijk nul. Vraagt men welke gelijkstroom Ix eenzelfde koppel en dus eenzelfde uitslag van het meetinstrument zou bewerkstelligen, dan zou hiervoor moeten gelden
T2 = C2I 2x = ½C2 î 2 ofwel Ix = ½î √2 en dit laatste is de uitdrukking voor de effectieve waarde van de wisselstroom Ieff.
Conclusie: een elektrische (enkelvoudige sinusvormige) wisselstroom geeft bij toevoering aan een kwadratisch meetinstrument dat met gelijkstroom is geijkt, een (gemiddelde) uitslag overeenkomend met de effectieve waarde van de wisselstroom nl. ½√2 maal de amplitude.
Als voorbeeld van een kwadratisch instrument is hier een elektrodynamische stroommeter genomen. Mutatis mutandis kan een zelfde karakter worden toegekend aan de elektrostatische instrumenten, omdat de kracht tussen twee geladen delen evenredig is met het kwadraat van het spanningsverschil, en aan thermische instrumenten, omdat de warmteontwikkeling door een elektrische stroom evenredig is met het kwadraat van de stroom.
Frequentie van de wisselstroom (-spanning).
Deze komt op twee manieren in het geding. Wil men van de wisselstromen de effectieve waarde meten, zoals hiervoor is aangegeven, dan gaat men van de volgende veronderstellingen uit.
De frequentie is zo hoog dat het instrument alleen op de gemiddelde waarde van het koppel T = î 2 sin2 ωt reageert. De term sin2 ωt levert nl. ook nog een snel wisselend koppel (frequentie 2ω), dat bijv. bij meting van grootheden die de normale netfrequentie hebben, een component van 100 Hz oplevert; daarbij wordt ervan uitgegaan dat het instrument veel te traag is om deze fluctuaties te volgen.
De tweede veronderstelling is dat de stroom werkelijk door het instrument vloeit. Bij zeer hoge frequenties kan het zijn dat hieraan niet meer voldaan is. De elektrodynamische en weekijzerinstrumenten bijv. zullen bij frequenties boven 1000...10.000 Hz door capacitieve en wervelstroomeffecten onbruikbaar worden. Door hun constructie kan de genoemde voorwaarde daarentegen bij bijv. thermische instrumenten wel vervuld zijn.
Een ander gezichtspunt ten aanzien van de frequentie is aan de orde indien men van een grootheid niet de effectieve waarde wil meten, maar het juiste verloop als functie van de tijd. Het is duidelijk dat men dan in ieder geval lineaire instrumenten moet gebruiken en dat men dan juist de eis moet stellen dat de traagheid van het instrument zo gering is dat de uitslag in een zeker frequentiegebied een onvervormde afbeelding van de ingangsgrootheid is. Voorwaarden hiertoe zijn dat de resonantiefrequentie van het instrument hoger is dan de hoogst voorkomende frequentie en dat de demping een juiste instelling heeft. Speciaal bij de galvanometers treft men instrumenten aan die voor dit doel ontwikkeld zijn (galvanometeroscilloscopen).
Gevoeligheid.
Deze wordt bepaald door de kleinste waarde van de te meten grootheid die men met de meter nog kan waarnemen. In de techniek heeft men zowel gevoelige als minder gevoelige meters nodig. Men moet zowel megavolts en kilovolts als milli- en microvolts kunnen meten en een overeenkomstige eis geldt voor stroommeters enz.
Nauwkeurigheid.
Dit is een maat voor de overeenstemming tussen de gemeten en de werkelijke waarde van de grootheid. In de elektrotechniek is het gebruikelijk nauwkeurigheidsklassen aan te geven; is bijv. de klasse 1 dan betekent dit dat de fout 1% is, hetgeen inhoudt dat de fout bij een zekere aflezing nergens groter is dan 1% van de klassegrondslag, gewoonlijk de volle schaal. Leest men dus op een draaispoelmeter van deze klasse met een volle schaaluitslag van 100 mA een aanwijzing van 30 mA, dan betekent dit dat de fout maximaal ± 1% van 100 mA dus ± 1 mA is. Bij deflectie-instrumenten is de hoogste nauwkeurigheid in de praktijk 0,1%. Voor technische doeleinden is 5% soms voldoende.
Verbruik.
Meters onttrekken voor het geven van hun aanwijzing zelf enige energie aan het meetobject. Dit verbruik kan voor de verschillende typen meters sterk uiteenlopen. Bij een elektrostatische of elektronische voltmeter kan het verwaarloosbaar klein zijn, bij robuuste uitvoeringen van draaispoelmeters daarentegen belangrijk. Het hangt af van de omstandigheden of dit bezwaarlijk is (zie Voltmeter).
Nulmethode.
In de categorie van metingen en instrumenten die volgens een nulmethode werken, treft men aan de brugmetingen en compensatoren. Het kenmerk van deze categorie is dat men met de instrumenten manipulaties moet uitvoeren waardoor een meter op een uitslag nul wordt gebracht, waarna men ergens het meetresultaat kan aflezen, evt. na een berekening. Tegenover dit nadeel ten opzichte van de deflectie-instrumenten staat als voordeel dat men een grotere nauwkeurigheid kan bereiken.
Resonantiemethode.
In de categorie van instrumenten die volgens het resonantieprincipe werken, kunnen de frequentiemeters en Q-meters vermeld worden.
Substitutiemethode.
Ten aanzien van de substitutiemethode kan vermeld worden dat deze in combinatie met de hiervoor genoemde categorieën wordt gebruikt.