Кафедра «Физика» Факультет________________

ГОУ ВПО «ЮРГУЭС» Группа __________________

Выполнил________________

Проверил ________________

(подпись)

Лабораторная работа № 1.

Изучение сведений об измерениях и электроизмерительной аппаратуре (Методические указания по дисциплине «Общая теория измерений», Глебов в.В.,

ЮРГУЭС, Шахты, 2004)

Цель работы: Ознакомиться с принципом действия и устройством электроизмерительных приборов, научиться определять характеристики приборов по условным обозначениям, оценивать погрешности электроизмерительных приборов, провести измерения удельного сопротивления проводника и оценить погрешности результатов измерений.

Приборы и оборудование: Набор измерительных приборов различных систем и классов точности, установка для определения удельного сопротивления проводника.

Краткая теория.

В основе действия электроизмерительного прибора лежит превращение электрической энергии в другие виды энергии, например, механическую, тепловую и т. д.

Принципиальная схема электроизмерительных приборов состоит из двух частей: электрической системы и отсчетного механизма.

Отсчетный механизм имеет шкалу и указатель (стрелка или световой "зайчик"), который служит для определения точки шкалы, соответствующей отсчету измеряемой величины.

Все электроизмерительные приборы классифицируются по следующим основным признакам:

а) по роду измеряемой величины: амперметры (А), вольтметры (В), омметры (), ваттметры (W) и др.;

б) по роду тока: приборы для цепей постоянного тока (-), приборы, применяемые в цепях переменного тока (~), приборы постоянного и переменного тока (~);

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

г) по степени точности, которая определяется классом точности прибора n = %: 8 классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Чувствительность и цена деления электроизмерительного прибора.

Чувствительностью "S" электроизмерительного прибора называется отношение линейного или углового перемещения указателя n к измеряемой величине ΔА,

вызывающей это перемещение - S = n/A .Величина, обратная чувствительности прибора, определяет его цену деления: С = А/n. Цена деления зависит от верхнего предела измерения прибора (А_max) и от числа делений на шкале (N): С = А_max / N.

Класс точности. Погрешность приборов.

Класс точности - это приведенная относительная погрешность, выраженная в процентах: _n = ∙ 100%, где А_max - предел измерений, А - абсолютная погрешность на данном пределе.

Величина абсолютной погрешности на данном пределе (А =_n ∙ A_max/100%) есть величина постоянная, и поэтому точность измерений повышается с приближением измеряемой величины (А_изм) к предельному значению, а относительная погрешность измерения А/А_изм. уменьшается. Поэтому рекомендуется подбирать предел измерений так, чтобы измеряемая величина составляла 60 - 100% от предельного значения.

Приборы магнитоэлектрической системы

Р абота приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и измеряемого тока, проходящего по обмотке подвижной катушки (рамки) прибора магнитоэлектрической системы. Катушка (1) (рис.1) из тонкой проволоки, намотанной на алюминиевый каркас, может вращаться между полюсами (2) постоянного магнита (3). При прохождении тока через рамку возникает вращающий момент M₁, под действием которого подвижная часть прибора поворачивается около оси (00₁) на угол . Вращающий момент пропорционален величине тока: М₁ = k₁∙I, где коэффициент k₁ зависит от индукции магнитного поля постоянного магнита, числа витков катушки, ее размеров. Противодействующий момент создается спиральными пружинами (4), через которые так же подводится ток к рамке, и пропорционален углу поворота рамки : M₂=k₂∙, где коэффициент k₂ характеризует упругие свойства пружины. При равновесии подвижной части прибора М₁ = М₂, т.е. k₁∙I = k₂∙, следовательно  = k^.I (1), где k =. k₁/k₂ и Рис. 1  -угол поворота стрелки (5). Уравнение 1 - уравнение шкалы. Для приборов магнитоэлектрической системы ~I, и поэтому их шкалы равномерны.

О бмотка рамки магнитоэлектрического прибора рассчитана на ток не свыше нескольких десятков миллиампер. При необходимости измерять большие токи, т. е. использовать прибор как амперметр, параллельно рамке включается малое сопротивление r_ш<< r_р - шунт (рис.2). При разветвлении большая часть тока I течет через Рис.2 шунт I_ш с сопротивлением r_ш, и небольшая доля - I_p через рамку с сопротивлением r_p. Из соотношений I_p ∙ r_p = I_ш ∙ r_ш и I_ш + I_p = I, полученных на основании правил Кирхгофа, следует: I_p = I ∙ и I_p<< I, если r_ш << r_p.

Приборы магнитоэлектрической системы применяются только для измерения в цепях постоянного тока. Достоинства приборов магнитоэлектрической системы: высокая точность, равномерная шкала, малая чувствительность к внешним магнитным полям.

Приборы электромагнитной системы.

Принцип действия приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки (1) (рис. 3), по которой протекает измеряемый ток I, и подвижного железного сердечника (2). Плоский ферромагнитный сердечник эксцентрично закреплен на оси (3) вместе с противодействующей пружиной (4) и стрелкой (5). При пропускании тока I по катушке сердечник втягивается внутрь, при этом закручивается пружина и поворачивается стрелка прибора на угол .

В тягивающий момент пропорционален квадрату силы тока: М=k₁∙I². При равновесии втягивающий момент уравновешивается моментом, создаваемым закрученной пружиной: k₁∙I²=k₂∙ =k∙I². Шкала приборов электромагнитной системы неравномерная (~I²).

С изменением направления тока меняются направление магнитного поля и полярность намагничивающегося сердечника. Поэтому приборы электромагнитной системы применяются для измерений к Рис.3 как постоянных, так и переменных токов.

Приборы электродинамической системы.

Принцип работы таких приборов основан на взаимодействии двух катушек (подвижной и неподвижной), по которым протекает ток. Подвижная катушка, находящаяся внутри неподвижной катушки, может вращаться вокруг оси, на которой закреплена стрелка отсчетного механизма. Противодействующий момент создается спиральными пружинами, закрепленными на этой оси. В зависимости от назначения прибора ( А, V или W ) катушки соединяются или параллельно, или последовательно.

М агнитное поле неподвижной катушки с индукцией В воздействует на магнитный момент подвижной катушки Р_m, возникает вращающий момент М₁ = р_m  В]. B~I₁ и р_m ~ I₂, где I₁ - ток в неподвижной катушке, I₂ - ток в подвижной катушке, следовательно М₁ ~ I₁ ∙ I₂.

При равновесии вращающий момент М₁ уравновешивается противодействующим моментом упругости пружин М₂ ∙ М₂ ~, где  - угол поворота указателя.

Рис.4

В случае электродинамического ваттметра (рис. 4) неподвижная катушка с малым сопротивлением включается в исследуемую цепь последовательно. По этой катушке течет такой же ток, как и в цепи. Подвижная катушка последовательно с добавочным сопротивлением включается, как вольтметр, т. е. параллельно нагрузке. Ток в этой катушке I₂ пропорционален падению напряжения U (I₂~U). Следовательно, М₁~ I₁∙U и ~I₁∙U, т. е. угол поворота стрелки пропорционален мощности, выделяемой в цепи.

Приборы электростатической системы. Устройство приборов этой системы основано на взаимодействии двух или нескольких электрически заряженных проводников. Под действием электрического поля подвижные проводники перемещаются, что позволяет фиксировать напряжение.

Тепловые системы. Прибор, основанный на тепловом действии тока, содержит тонкую проволоку, закрепленную на концах, через которую пропускают измеряемый ток.

При прохождении по проволоке тока она нагревается и ее удлинение используют для измерения величины тока. Такие приборы могут быть использованы и на постоянном, и на переменном токе.

Использование высокочувствительных приборов магнитоэлектрической системы в цепях переменного тока.

Приборы термоэлектрической системы основаны на применении одной или нескольких термопар, которые под влиянием тепла, выделяемого измеряемым током, создают постоянный ток в измерительном приборе магнитоэлектрической системы. Тепло, выделяемое током, не зависит от частоты (в широком диапазоне).

Детекторная система. В приборах этой системы преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью выпрямителя (полупроводникового диода) и измеряется магнитоэлектрическим прибором.

Электронные измерительные системы. Представляют собой соединение магнитоэлектрического прибора с одной или несколькими электронными лампами, обеспечивающими необходимое внутреннее сопротивление прибора. Применяются для измерения напряжения высокой частоты и малых напряжений частотой 50 Гц. Большое входное сопротивление электронных вольтметров позволяет применять их в тех случаях, когда потребление энергии от источника измеряемого напряжения может быть допущено ничтожно малым.