Лабораторные работы

Физика жана аны окутуунун технология кафедрасы

Лабораторная работа №1

Тема: Изучение электроизмерительных

приборов

Лабораторная работа №1 Изучение электроизмерительных приборов

Цель работы: Знакомиться со всеми электрическими приборами. Приборы принадлежности: набор электроизмерительных приборов, провода, шунты, добавочные сопротивления.

Основные электроизмерительные приборы.

Все электроизмерительные приборы классифицируются по следующим

основным признакам:

а) роду измеряемой величины: амперметры, вольтметры, омметры, счетчики, ваттметры и.др.;

б) по роду тока приборы: постоянного тока, переменного тока и приборы постоянного и переменного тока.

в) по принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, тепловые, электростатические и др.;

г) по степени точности: 0,1; 0,3; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 классов;

Приборы класса точности 0,1 0,2 0,5 применяются для точных лабораторных измерений и называются прецизионными. На шкалу прибора наносятся символ, указывающий принцип действия прибора, род тока- постоянный (-) или переменный (~) установки вертикально (^↑) горизонтально (→), пробивное напряжение изоляции (↑→) 2к класс

точности.

Обозначение систем электроизмерительных приборов показано на рис. 1

Система	условн.
Магнитоэлектрический
Электромагнитная
Электродинамическая
Тепловая	Y

Рис.1

Электроизмерительные прибор состоят из подвижной частей. При измерениях вращающей момент подвижной части уравновешивается противодействующим моментом пружины или какого-либо другого устройства. При таком равновесии указатель прибора фиксирует определенный угол поворота.

Устанавливая однозначную зависимость между углом поворота указателя прибора и численным значением измеряемой величины, можно построить шкалу, по которой и производится отсчет измеряемой величины. Трение в опорах деталей и другие причины влияют на показание прибора, т.е. вносят погрешность Поправки к показанию прибора могу; быть заранее определены путем соответствующем проверки данного прибора.

Величина, численно равная отношению приращения угла поворота подвижной части прибора к приращению измеряемой величины называется чувствительностью прибора. Чем больше приращение угла отклонения при одном и том же приращений измеряемой величины тем меньше величины можно измерять прибором и тем выше его чувствительность. Если, например, приращение угла вызвано приращение чувствительность:

1

Величина C = —называется ценой деления прибора:

S₁

150

определяет значение электрической величины, взвывающей отклонение на одно деление, например, имеет прибор, который может измерять напряжение от 0 до 250 в (рис.2.).

Шкала этого прибора разделена на 50 делений (мелких) чувствительность этого прибора:

= =0.2 (1)

Цена деления:

(2)

Отметим некоторые особенности конструкции деталей приборов. Шкала прибора служит для производства отсчета измеряемой величины.

Цифры возле делений обозначают либо число делений от нуля шкалы (обычно в приборах 0,2; 0,5 класса точности), либо не посредственно значение измеряемой величины ( остальные классы точности. В первом случае для получения значения измеряемой величины в практических единицах нужно определить цену одного деления шкалы прибора (иногда называемую постоянной прибора и умножить ее на число отсчитанных делений.

При отсчете луч зрения должен быть перпендикулярен шкале, иначе возможна погрешность от параллакса, шкалы позволяют избежать параллакса. При отсчете по зеркальной шкале где наблюдателя должен быть расположен так, чтобы конец стрелки покрывал свое изображение в зеркале. В зависимости от конструкции приборы предназначаются дня работа в определенном положении. На шкале прибора обычно ставится знак, указывающий на вертикальное или горизонтальное положение. В целях сокращения промежутка времени, необходимого для успокоения подвижной части прибора (после включения), имеются специальные тормозящие устройства (демпферы).

Приборы магнитоэлектрической системы

Принцип действия приборов в магнитоэлектрической системы основан на взаимодействий магнитного поля постоянного магнита с током, протекающим по обмотке легкой подвижной катушки (рамки).

На рис.З, показана схема устройства приборов этой системы. Не подвижной подковообразный магнит. А имеет выполненные из мягкого железа полюса Д которые охватывают сплошной железных сердечник. С между сердечником и полюсами магнита имеется кольцевой зазор. На одной оси с сердечником находится подвижная легкая прямоугольная рамка имеющая обмотка из тонкого изолированного провода. Эта рамка может свободно вращается в воздушном зазоре между сердечником и полюсами магнита. Рамка представляет собой основную часть подвижной системы, которая включает и указатель- стрелку S . Подвижная система

Рис.З

с основным механическим приспособлением состоит из спиральных пружин, выполненных из немагнитного материала которые и служат для провода тока к концам. Обмотки на рамке и для оказания вращению рамки. В результате взаимодействия магнитного поля магнита с током, протекающим по рамке, возникает вращающий момент, под действием. Противодействующий момент создается пружинами, через которые также подводится ток к обмотке.

Теоретически нетрудно установил, зависимость угла поворота подвижной части 2 от величины тока протекающего по обмотке рамки прибора:

L=kJ

где к- коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции прибора.

На этой зависимости видно, что магнитоэлектрические приборы имеют равномерные шкалы.

Область применения магнитоэлектрических приборов весьма обширна. Они применяются в качестве амперметров и вольтметров постоянного тока как при технических измерениях. Из всех электроизмерительных приборов непосредственным отсчетом он дают наибольшую точность измерения и являются наиболее экономичными в смысле, потребления энергии. Лучшие конструкции этих приборов имеют класс точности 0,2. При непосредственном включении миллиамперметры магнитоэлектрической системы позволяют измерять токи от 1 мА до 100 А. с применением, шунта до нескольких тысяч ампер. Вольтметры этой системы при непосредственном включении дают возможность измерять напряжение от 0,1 до 600 В, а с дополнительным сопротивлением- до 10,000 В и более.

Для переменного тока магнитоэлектрические приборы не применимы, так как подвижная часть вследствие инерции не успевает отклоняться.

Приборы электромагнитной системы

Принцип работы приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии: магнитного поля тока, протекающего по обмотке неподвижной катушки, с подвижным железным сердечником, помещенным в этом магнитном поде.

Электромагнитной прибор состоит из прямоугольной катушки а с узкой щелью (просветом). Сердечник в изготовлен из мягкого железа и укреплен эксцентрично на оси. С осью сердечника скреплены стрелки S, поршень воздушного успокоителя и спиральная пружина, создающая противодействующий момент.

Ток, протекающий по катушке, обращает внутри нее магнитное поле, под действие которого железный сердечник, поворачиваясь вокруг ос и, втягивается в щель катушки

При увеличении тока возрастает индукция в щели катушки и увеличивается намагничивание железного сердечника.

Элементарная теория позволяет установить, что между углом отклонения стрелки и величиной тока должна быть квадратичная зависимость: где - некоторый коэффициент величина тока. Следовательно, шкала таких приборов неравномерная.

Приборы электромагнитной системы применяются в основном для измерения переменного тока, хотя могут примениться и для измерения постоянного тока. Они просты по конструкции и недороги. Электромагнитные амперметры и вольтметры получили широкое применение как щитовые приборы для переменного тока. Пределы измерения у амперметра метров от 6 мА до 200 А, у вольтметров от ЗВ до 600В.

Точность приборов этой системы зависит от внешнего магнитного поля, частота измеряемого переменного тока и др.

Специальные конструктивные устройства позволяют влияние многих факторов на точность приборов этой системы по сравнению с приборами других систем не высокая.

Приборы электрической системы

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии токов. Протекающих по двум рамкам (катушкам) из которых одна подвижная. Не подвижная катушка 1 состоит из двух разделенных небольшим зазором одинаковых частей, обмотки которых соединены между собой последовательно. В этом зазоре расположена ось. О подвижной части прибора с которой скреплены подвижная катушка , стрелка 3, поршень воздушного успокоителя и две пружины, не показанные на схеме, назначение которых создавать противодействующий момент и подводить ток в подвижную катушку.

Вращающий момент М обусловленный взаимодействием магнитных потоков, определяется уравнением.

М± — к,]₁,]₂]з

где- величина тока, протекающего по неподвижной рамке, -тоже по подвижной,- коэффициент, зависящий от конструктивных данных прибора и взаимного расположения рамок. Под действием М, подвижная рамка повернется на угол создаваемый пружиной противодействующий момент.

М2 — к₂L

Из условия равенства моментов М получаем, что

L=K,J₁∙J2

где к =

Из формулы видно, что шкала будет неравномерна.

В зависимости от назначения прибора рамки соединяют или параллельно. Или последовательно. Электродинамические приборы применяют дня измерения постоянного и переменного токов( амперметры, вольтметры и ваттметры). Пригодность этих приборов для переменного тока обусловлена тем, что при одновременном изменении направления тока в обеих рамках направление вращения подвижной части остается неизмененным. Точность и чувствительность электродинамических приборов для переменного тока, очень высокие. На показания этих приборов больше влияния оказывают внешние магнитные поля, причем переменные магнитные поля почти нее влиять на приборы, измеряющий постоянный ток, а постоянные поля не влияют на приборы, измеряющие переменный ток. С помощью так называемых астатических устройств можно уменьшить влияние внешних полей.

Приборы других систем.

1. Тепловая система- принцип действия основан на изменений длины проводника при его нагревании. Эти приборы могут измерять в постоянный и переменный токи.

2. Индукционная система- принцип действия основан на взаимодействии токов, индуктируемых в подвижной части прибора, с магнитным потоком не подвижного магнита.

3. Вибрационная система основана из резонанса при совпадении частот собственных колебаний подвижной части прибора с частотой переменного тока. Приборы этой системы - применяются дня измерения частоты тока.

Амперметры, вольтметры и гальванометры

Амперметрами называют- приборы, служащие для измерения силы тока, при измерениях амперметры включают в цепь последовательно, т.е. так, что весь измеряемый ток проходит через амперметр (рис.4). Поэтому амперметры должны иметь малое сопротивление, чтобы включение их не изменяло заметно величины

тока в цепи.

Для измерения сильных, токов, кроме амперметров, применяют вольтметры. Вольтметр применяются для измерения количества электричества q, протекающего в цепи за определенный промежуток времени

t. Вычисляя за единицу времени, определяют силу тока: J =

Слабые токи измеряются обычно магнитоэлектрическими амперметрами, которые имеют конструктивные улучшения и благодаря этому приобретают высокую чувствительность. Такие приборы называются миллиамперметрами (токи до 10^-3А).

Для того чтобы включение вольтметра не изменяло знаменно режима цели, сопротивление вольтметра должно быть очень велико по сравнению с сопротивлением участка цепи М. Погрешность при измерениях напряжения тем меньше, чем больше сопротивление вольтметра.

Для расширения пределов измерений амперметров и вольтметров применяются шунты и добавочные сопротивления, а в случае измерения весьма малых токов, напряжений и количества электричества (соответственно меньше 10 ампера, вольта и кулона).

По принципу действия устройству гальванометры бывают магнитоэлектрические с подвижной катушкой, магнитоэлектрические с подвижным магнитом, струенные, термогальванометры, электродинамометры и электрометры .

r_III

I_III

I_A

По роду измеряемого тока гальванометры разделяются на магнитоэлектрические и вибрационные (резонансы). Первые применяются для измерения тока и напряжения в целях постоянного тока. А вторые, употребляются преимущественно в качестве указателей отсутствия тока при измерениях в целях переменного тока по так называемому нулевому методу. Гальванометры с подвижной рамкой (катушкой) по своему устройству приборов магнитоэлектрической системы.

Рис.5

Вспомогательные электрические приборы Шунты Шунтом называется сопротивление (г_ш включаемое в цепь параллельно) (рис.5) амперметру (или миллиамперметру), вследствие чего в амперметр ответвляется только часть измеряемого тока.

Например, если необходимо измерить амперметром А ток, в п раз больший максимально, возможного для данного прибора, то надо включить сопротивление г_ш, удовлетворяющее следующему равенству: где nJ/J_A(величина тока в цепи). Ja -величина тока, идущая через амперметр r_ш -сопротивление амперметра.

Следовательно, чтобы измерить амперметром в п раз больший ток, необходимо взять сопротивление шунта в (п-1) раз меньше сопротивления амперметра шунты обычно изготовляются из магнита имеющего большое удельное сопротивление и малым термический коэффициент сопротивления, вследствие чего сопротивление шунта практически не зависит от нагревания его током и от изменений температуры окружающей среды.

Добавочное сопротивление

Для расширения пределов измерений вольтметром применяется так называемое добавочное сопротивление, которое включается последовательно с вольтметром (рис.6). Если, например, необходимо измерить вольтметром в раз большее напряжение, то необходимо

измерить вольтметру добавочное сопротивление.

г₀ = r_v(n - 1)

Где r_v -сопротивление вольтметра:

r_v

V

Рис.6

r_o

V- полное подводимое напряжение, V_v- напряжение падающее на вольтметр, г- общее сопротивление (r = r_v +r₀). Таким образом, чтобы измерить вольтметром в раз большее напряжение, необходимо взять добавочное сопротивление раз больше сопротивления вольтметра.

Оценка погрешностей электрических измерений. Абсолютная погрешность измерений. Производимых электроизмерительными приборами, оценивается исходя из класса точности приборов. Обозначение приборов в зависимости от системы, конструкции, качества материалов, точности градуировки и других факторов, но и указывает, что погрешность показаний прибора соответствующего класса в любом месте шкалы не должна превышать 0,2%,0,5%, 1%.

Если обозначен через А¹ максимально возможное показание прибора А через п номер класса прибора, то получим абсолютную погрешность прибора:

Д1=± 0.015 *5А = ±0.075А

Например, вольтметр 0,2 класса (=0,002), шкала которого рассчитана на 5 , имеет абсолютную погрешность.

В амперметр класса 1,5 рассчитанный на максимальное показание 5 А, имеет абсолютную погрешность.

Так, как абсолютная погрешность считается одинаковой по всей шкале данного электроизмерительного

прибора.

То относительная погрешность будет тем

больше, чем меньше измеряемой величина. Если например при помощи- указанного амперметра измерить ток около 4 , то относительная погрешность будет составлять 1,9%, а при измерении силы тока около 1 - 7,5%.

При точных измерениях следует пользоваться такими приборами чтобы предполагаемое значение измеряемой величины составляло 70-80% от максимального (номинального) значения. Потому применяют приборы имеющие несколько пределов измерений; при работе с такими приборами его включает в цепь на тот предел измерений, который достаточно близок к предполагаемому значению измеряемой величины.

Рассмотрим вычисление погрешностей на следующем примере. Определить погрешность измерения внутреннего. Сопротивления элемента, электродвижущая сила которого Е, напряжение на полюсах и величина тока. Для измерения применены вольтметра класса 0,5 (1м⁼ 2,5) и амперметр класса 1,0(V_N = 1,5В). Результаты измерений следующие:

Е = 2В, V = 1,3 I = 1,2А . абсолютные погрешности измерений:

∆Е = ∆V = ±0,005∙2,5В = ±0,0125В

∆Ш = ±0,01∙1,5 = ±0,015BA

Вычисление внутреннего сопротивления производим по форму е:

Z=E- VII (5)

Максимальная относительная погрешность может быть определена общеизвестным методом. Логарифмируя выражение (5):

Inr = ln(E — V)ln

находим относительную погрешность:

I

Эта погрешность, выраженная в процентах, составляет:

С помощью формулы (5) находим внутреннее сопротивление и абсолютную погрешность:

∆r = ±0,05∙0,058 = ±0,0290м = 0,030м Следовательно, внутреннее сопротивление:

к = (0,58 ± 0,03)0м

Измерения и обработка результатов измерения.

1. Знакомятся со всеми приборами, находящимися на лабораторном столе, и делают описание каждого прибора (название, система, класс точности и т.п.).

2. По формуле (7)вычисляют чувствительность и цену деления каждого прибора. Для многопредельных приборов определяют по формуле (3) переводные коэффициенты для всех диапазонов.

3. Находят класс точности приборов и по формуле (4) определяют абсолютную погрешность прибора.

4 Собирают схему, которая имеется на лабораторном столе, и находят абсолютную и относительную погрешности величин и значения величин, указанных на схеме.

Контрольные вопросы

1.Что такое амперметр?

1. Для измерения токов кроме амперметра, какой прибор применяется?

2. Какая разница амперметра от вольтметра?

3. Что называют гальванометрами?

4. Вспомогательные электрические приборы?

5. Реостаты, потенциометры и магазины сопротивлений?

6. Многопредельные приборы?

Литература

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М. 1982

2. Жеребцов И.П. Основы электроники. М. 1985

3. Овечкин Ю.А. Полупроводниковые приборы МЛ979