387

Министерство образования Российской Федерации Омский государственный университет

Изучение электроизмерительных приборов

Лабораторный практикум (для студентов физического факультета)

Специальность 010400 «Физика»

УДК 621. 317 И39

Рекомендован к изданию учебно-методическим советом ОмГУ. Протокол № 1 от 28 апреля 2004 г.

И39 Изучение электроизмерительных приборов: Лабора-

торный практикум (для студентов физического факультета) / Сост.: Г.М. Серопян, И.С. Позыгун, Е.А. Филатов. – Омск:

Омск. гос. ун-т, 2004. – 20 с.

Материал соответствует Государственному образовательному стандарту по специальности 010400 «Физика».

Может быть использован студентами других специальностей.

УДК 621. 317

© Омский госуниверситет, 2004

Цель работы: ознакомиться с принципом действия и устрой- ством электроизмерительных приборов; научиться определять ха- рактеристики приборов по условным обозначениям, оценивать по- грешности электроизмерительных приборов.

Приборы и оборудование: набор измерительных приборов раз- личных систем и классов точности.

В основе действия электроизмерительного прибора лежит пре- вращение электрической энергии в другие виды энергии, например, механическую, тепловую и т. д. Принципиальная схема электроиз- мерительных приборов состоит из двух частей: электрической сис- темы и отсчетного механизма.

Отсчетный механизм имеет шкалу и указатель (стрелка или световой «зайчик»), который служит для определения точки шкалы, соответствующей отсчету измеряемой величины. В измерительной практике часто встречаются косвенные измерения, в основу которых положены законы, устанавливающие связь между различными физи- ческими величинами. Например, зная сопротивление участка цепи и измерив вольтметром падение напряжения на нем, можно найти ве- личину тока по закону Ома. Измерение может быть абсолютным (с помощью прибора непосредственной оценки) и сравнительным (из- мерение мостовой схемой).

Все электроизмерительные приборы классифицируются по сле- дующим основным признакам (табл. 1 и 2):

–по роду измеряемой величины;

–по роду тока;

–по принципу действия измерительной системы;

–по степени точности.

Таблица 1

Значок

Тип системы электроизмерительного прибора системы на шкале

прибора

С механической противодейст-

вующей силой

Окончание табл. 1

Таблица 2

Чувствительностью «S» электроизмерительного прибора на-

зывается 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

(Аmax) и от числа делений на шкале (N): С = Аmax / N.

Класс точности – это приведенная относительная погрешность,

где Аmax – предел измерений; А – абсолютная погрешность на дан- ном пределе.

Приборы магнитоэлектрической системы

Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и измеряе- мого тока, проходящего по обмотке подвижной катушки (рамки) прибора магнитоэлектрической системы. Катушка (1) (см. рис. 1) из тонкой проволоки, намотанной на алюминиевый каркас, может вра- щаться между полюсами (2) постоянного магнита (3). При прохож- дении тока через рамку возникает вращающий момент M1, под дей- ствием которого подвижная часть прибора поворачивается на угол ϕ. Противодействующий момент M2 создается спиральными пружина- ми (4), через которые также подводится ток к рамке, и пропорциона- лен углу поворота рамки ϕ, при равновесии подвижной части при- бора М1 = М2. Тогда ϕ – угол поворота стрелки (5). Для приборов магнитоэлектрической системы ϕ ~ I.

Рис. 1

Обмотка рамки магнитоэлектрического прибора рассчитана на ток не свыше нескольких десятков миллиампер. Для измерения боль- ших токов, т. е. использования прибора как амперметра, параллельно рамке включается малое сопротивление rш<< rр – шунт (рис. 2). При измерениях амперметр включается в цепь последовательно. Для уменьшения потерь мощности в амперметре его сопротивление долж- но быть мало по сравнению с сопротивлением цепи.

Рис. 2

В многопредельных амперметрах имеется набор шунтов, кото-

рые можно переключать в зависимости от величины измеряемого тока.

Включая последовательно с рамкой большое добавочное со- противление (rg>>rp), можно использовать прибор как вольтметр. Вольтметр включается параллельно участку цепи, на котором изме- ряется падение напряжения U. Для расширения пределов измерения вольтметром применяется набор добавочных сопротивлений, кото- рые включаются последовательно с прибором. Чтобы включение

вольтметра существенно не искажало распределение потенциала в цепи, необходимо, чтобы сопротивление вольтметра было намного больше сопротивления участка цепи.

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 взаимо- действии магнитного поля неподвижной катушки, по которой проте- кает измеряемый ток I, и подвижного железного сердечника. При пропускании тока I по катушке сердечник втягивается внутрь, при

этом закручивается пружина и поворачивается стрелка прибора на угол ϕ. Шкала приборов электромагнитной системы неравномерная (ϕ ~ I2). С изменением направления тока меняются направление маг- нитного поля и полярность намагничивающегося сердечника. По- этому приборы электромагнитной системы применяются для изме- рений 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 катуш- ки, может вращаться вокруг оси, на которой закреплена стрелка от- счетного механизма. Противодействующий момент создается спи- ральными пружинами, закрепленными на этой оси. В зависимости от назначения прибора катушки соединяются или параллельно, или по- следовательно. При равновесии вращающий момент уравновешива- ется противодействующим моментом упругости пружин, который пропорционален углу поворота указателя ϕ.

Приборы электростатической системы

Устройство приборов этой системы основано на взаимодейст- вии двух или нескольких электрически заряженных проводников. Под действием электрического поля подвижные проводники пере- мещаются, что позволяет фиксировать напряжение.

Приборы тепловой системы

Прибор, основанный на тепловом действии тока, содержит тонкую проволоку, закрепленную на концах, через которую пропус- кают измеряемый ток.

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

Условные обозначения на электрических схемах различных радио-электроэлементов цепи

В табл. 3 приведены условные обозначения на электрических схемах различных радио-электроэлементов цепи и их назначение.

Таблица 3

Описание некоторых электроприборов, используемых в лабораторных работах по общему курсу физики

1.Источники питания постоянного тока: батареи аккумулятор-

ные одиночные или наборные; регулируемые источники питания постоянного тока с сетевым подключением.

2.Источники питания переменного тока: ЛАТР – лабораторный автотрансформатор регулируемый; различные устройства, вы- дающие переменный сигнал (понижающие трансформаторы, зву- ковые генераторы синусоидального, прямоугольного или пилооб- разного сигналов и т.д.).

3.Магазин и батарея сопротивления: магазин сопротивлений (R)

– это стандартное устройство, представляющее собой набор со- противлений, соединенных последовательно и сгруппированных в декады. Эти устройства позволяют устанавливать любую вели- чину сопротивления от долей ома до нескольких мегаом. Эти уст- ройства прецессионные, т.е. имеют высокий класс точности. Ба- тарея сопротивлений – это устройство, состоящее из стандартных промышленных сопротивлений, имеющих более грубый шаг ре- гулировки и большую погрешность, нежели магазин сопротивле- ний.

4.Магазин и батарея емкости (С) устроены аналогично магазину и батарее сопротивлений, только в них используются наборы

прецессионных или стандартных промышленных конденсаторов (емкостей).

5.Переменные сопротивления (R): к переменным сопротивлениям относятся реостаты (для регулировки силы тока) и потенциомет- ры (для регулировки напряжения). Реостаты включаются в цепь последовательно, а потенциометры – параллельно. В принципе это одно и то же устройство, называющееся по-разному в зависи- мости от функций.

6.Электроизмерительные приборы. К ним в первую очередь от-

носятся вольтметры, амперметры, гальванометры, частотомеры,

ваттметры, различные измерительные мосты сопротивлений, ем- костей и индуктивностей и т.д. Вольтметры измеряют разность потенциалов (напряжение) и включаются в цепь только парал- лельно источнику питания или сопротивлению нагрузки. Ампер- метры измеряют силу тока в цепи и включаются только последо- вательно в место разрыва цепи, ибо амперметры они. Гальвано- метры показывают направление тока в цепи, ибо имеют ноль в

центре шкалы и по своим внутренним характеристикам являются амперметрами. Идеальный вольтметр должен иметь бесконечно большое внутреннее сопротивление, а идеальный амперметр – бесконечно малое внутреннее сопротивление, что значительно снизит величину погрешности измерения и тока. Подобным ха- рактеристикам в большей степени соответствуют цифровые при- боры, нежели стрелочные (аналоговые). Ваттметр содержит в се- бе характеристики вольтметра и амперметра. Его включают в цепь одновременно и параллельно, и последовательно. Принцип его действия основан на явлении сдвига фаз между током и на- пряжением. Ваттметр измеряет значение мощности электрическо- го тока в цепях и устройствах.

7.Осциллографы. Наряду с остальными электроизмерительными

приборами осциллографы относятся к основному лабораторному оборудованию для любого типа лаборатории. Некоторые основ- ные типы осциллографов: 1) электронный; 2) графический (само- писцы медицинские и лабораторные); 3) запоминающие. Любой осциллограф прежде всего предназначен для визуализации сигна- ла, а также для наблюдения изменения формы сигнала в ходе экс- перимента. При помощи осциллографа можно осуществлять и ряд иных функций, например, измерять величину постоянного и пе- ременного напряжения (осциллографы имеют достаточно высо- кое входное сопротивление – до одного мегаома и выше), изме- рять период и частоту электрических колебаний, исследовать сдвиг фаз и т.д. Существуют методики для измерения осцилло- графом силы тока и сопротивления. Что касается измерения вели- чины переменного напряжения, то осциллограф прежде всего из-

меряет величину амплитудного значения напряжения, в то время как любой вольтметр показывает действующее (эффективное) значение переменного напряжения.

8.Нестандартная оснастка лабораторных работ. К ней можно отнести самодельные или фабричные устройства, смонтирован- ные на лабораторных панелях, стендах, подставках и т.д., часто изготавливаемых учебно-вспомогательным персоналом лаборато- рий. К нестандартной оснастке относятся конденсаторы, сопро- тивления, диоды, транзисторы, термисторы, катушки индуктив- ности, трансформаторы и др., если они целенаправленно изуча- ются в конкретной лабораторной работе.

9.Генераторы низкой частоты (ГНЧ) предназначены для получе- ния переменных сигналов в диапазоне низких частот – от 1 до 104 герц. ГНЧ генерируют переменные сигналы синусоидальной, прямоугольной и пилообразной форм. Изменение частоты произ-

водится вращением шкалы реохорда частот, а также ступенчатым регулированием множителя частоты.

10.Термопара. Достаточно распространенным устройством для из- мерения температуры во многих лабораторных курсах общей фи- зики является термопара. Она представляет собой два соединен- ных разнородных металлических проводника. Если из двух этих

разнородных металлов составить цепь и в местах соединения поддерживать различные температуры, то в цепи возникнет элек- тродвижущая сила, называемая «термо ЭДС», которую можно зафиксировать при помощи гальванометра или вольтметра. Если

иметь предварительно построенный градуировочный график для определенного вида термопары, то в соответствии с показаниями вольтметра, подсоединенного к термопаре, можно определить

точное значение температуры в особо труднодоступных местах лабораторных учебных и научных установок.

Рекомендации и правила по работе

сэлектрическими цепями

1.Перед получением допуска к проведению лабораторной работы необходимо тщательно разобраться в особенностях работы с дан- ной электрической схемой, ее элементами, устройствами и при- борами.

2.После получения допуска к лабораторной работе у преподавателя или у учебного мастера необходимо собрать электрическую цепь по схеме, указанной в лабораторном практикуме. Обычно элек- трическая цепь собирается последовательно, начиная с источника питания. Любая электрическая цепь или устройство имеет какое- либо питание: постоянное или переменное, а следовательно, со- ответствующий источник питания. Начиная с одного из полюсов источника питания, соберите электрическую цепь последователь- но, завершив сборку на другом полюсе источника питания. Затем подключите в электрическую цепь все устройства и приборы, имеющие параллельное включение (например, вольтметр).

3.После сборки электрической цепи необходимо, чтобы преподава- тель или учебный мастер проверили правильность ее сбора. Толь-

ко после этого допускается включение приборов и устройств в сеть.

4.После проведения всех экспериментов необходимо установить все регуляторы и переключатели в минимальной положение и выключить сетевое питание электрической схемы. Разбирать схе- му также следует с источника питания, так как в некоторых ис-

точниках питания постоянного тока на выходных клеммах может оставаться остаточный заряд электролитического конденсатора внутренней схемы источника.

Контрольные вопросы

1.Что такое чувствительность, цена деления электроизмерительно- го прибора?

2.Как определить погрешность прибора по его классу точности?

3.Объясните принцип действия прибора магнитоэлектрической (электромагнитной, электродинамической…) системы.

Литература

1.Практикум по общей физике / Под ред. В.Ф. Ноздрева. М.: Про-

свещение, 1971. С. 311.

2.Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по электричеству. М.: Высшая школа, 1971. С. 311.

Технический редактор М.В. Быкова

Редактор Л.Ф. Платоненко

Подписано в печать 21.05.04. Формат бумаги 60х84 1/16. Печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 200 экз. Заказ 313.

Издательско-полиграфический отдел ОмГУ 644077, г. Омск-77, пр. Мира, 55а, госуниверситет