377

снимается с гнезд 5. Частота устанавливается так же, как и при синусоидальном, а амплитуда не регулируется.

2. Порядок работы с блоком АВ.

Включите кнопку "Сеть" 17. Кнопками управления 11 и 15 выберите требуемые пределы измерения амперметра и вольтметра. При измерении постоянных токов и напряжений кнопка 13 должна быть отжата, а при измерении переменных - нажата.

При измерении сигналов отрицательной полярности индицируется знак " ─". При возникновении перегрузки в измерительном блоке гаснут все

индикаторы кроме первого и зажигается знак "1". При этом необходимо переключить прибор на более высокий предел измерения.

3. Порядок работы с ЗГ.

Включите кнопку "Сеть" 23, при этом загорятся индикаторы номера диапазона 1 и значения генерируемой частоты на индикаторе частотомера 25. Нажав и удерживая кнопку 3 можно переключить работу генератора в требуемый частотный диапазон. Регулятором 26 плавно устанавливается требуемая частота, а регулятором 24 - требуемая амплитуда. Прибор обеспечивает синусоидальное напряжение в диапазоне 20 Гц 35 кГц, разбитом на 8 поддиапазонов:

УКАЗАНИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ.

При выполнении лабораторных работ короткими соединительными проводниками собирается электрическая схема на стенде, содержащем объекты исследования. Длинные проводники служат для соединения элементов стенда с блоками комплекса. При этом кнопки "Сеть" всех блоков должны быть в положении "выключено". После сборки электрической схемы и ее проверки включаются те блоки, которые используются в данной работе. Если в работе используется блок АВ, то он

должен быть включен первым.

По окончании работы отключите все приборы с помощью кнопок "Сеть". Разберите электрическую схему.

11

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Цель работы:

1.Изучить устройство модульного учебного комплекса МУК-ЭМ1.

2.Изучить основные электроизмерительные приборы, освоить методику измерения с помощью этих приборов.

3.Снять вольтамперную характеристику участка электрической цепи и проверить справедливость закона Ома для этого участка.

Основные теоретические сведения.

В основе действия электроизмерительного прибора лежит превращение электрической энергии в другие виды энергии, например, механическую, тепловую и т. д. Электроизмерительные приборы используются для измерения параметров электрических цепей.

Электрическая цепь – это совокупность устройств, предназначенных для получения, распределения и потребления электрической энергии. Каждая электрическая цепь обязательно включает в себя следующие устройства:

1.Источник тока. Основная роль источника тока – преобразование энергии любого вида в электрическую энергию. К источникам тока относятся: гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы, термоэлементы, фотоэлементы. В цепи может работать одновременно несколько источников тока.

2.Потребители тока. Назначение потребителей тока – прямо противоположное назначению источников тока: преобразование электрической энергии в энергию любого другого вида. К потребителям тока относятся электрические лампы, электронагревательные приборы, электрические двигатели.

3.Соединительные проводники. Элементы электрической цепи должны быть соединены вместе так, чтобы через каждый из них мог протекать электрический ток. Для этой цели используются металлические провода, кабели, шины.

Однако на практике требуется управлять электрическими цепями и контролировать их параметры. Поэтому дополнительно к перечисленным выше устройствам добавляются еще две категории:

4.Коммутационные устройства. С их помощью производится управление электрическими цепями: включение, отключение, изменение режимов работы, защита электрических цепей от перегрузок. К коммутационным устройствам относятся выключатели, рубильники, предохранители, переключатели, реостаты, магнитные пускатели и др.

12

5.Электроизмерительные приборы. К ним относятся амперметры,

вольтметры, ваттметры, фазометры, счетчики электрической энергии и многие другие.

Для того, чтобы электрическая цепь могла нормально работать, должны выполняться следующие условия:

1.В цепи должны существовать свободные электрические заряды. Разделение электрических зарядов производится в источниках тока.

2.Цепь должна быть замкнутой. На всем пути протекания тока не должно быть никаких разрывов.

Основными параметрами электрической цепи являются:

1. Сила тока (I) – это заряд dq, переносимый через поперечное сечение проводника за единицу времени dt.

Сила тока является одной из основных физических величин системы СИ. Единицей силы тока служит 1 ампер (А). В случае если сила тока в цепи не изменяется с течением времени, такой ток называется постоянным, и формула (1) принимает вид:

совершаемой силами электрического поля по перемещению по цепи некоторого заряда, к величине этого заряда

где U – напряжение, А – работа сил электрического поля, q – электрический заряд. В системе СИ единицей напряжения является Вольт (В).

3. Электрическое сопротивление (R) – величина,

характеризующая способность проводника препятствовать прохождению по нему электрического тока. Электрическое сопротивление зависит от материала, из которого сделан проводник и от его геометрических размеров и формы.

Для однородного линейного проводника сопротивление R прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади его поперечного сечения S.

13

где ρ – коэффициент пропорциональности, характеризующий материал проводника и называемый удельным электрическим сопротивлением.

Между перечисленными физическими параметрами электрической цепи существует однозначная связь, выражаемая законом Ома для участка цепи: сила тока в участке цепи пропорциональна напряжению на концах

этого участка и обратно пропорциональна его электрическому сопротивлению:

Проверить справедливость закона Ома для исследуемого участка цепи можно путем снятия вольтамперной характеристики этого участка.

Вольтамперная характеристика участка цепи – это зависимость силы

можно определить электрическое сопротивление исследуемого участка цепи по углу наклона прямой к оси напряжений (рис. 1):

Классификация электроизмерительных приборов.

Все электроизмерительные приборы классифицируются по следующим основным признакам:

1.По конструкции – аналоговые и цифровые.

2.По роду измеряемой величины – амперметры, вольтметры,

14

омметры, ваттметры и другие.

3. По роду тока – приборы для цепей постоянного тока ( –, = ), приборы, применяемые в цепях переменного тока ( ~, ≈ ), приборы

постоянного и переменного тока ( );

4.По принципу работы измерительного механизма –

магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, электродинамические, тепловые и др.

5.По степени точности, которая определяется классом точности

Электроизмерительные приборы – амперметр и вольтметр.

Амперметр (А) служит для измерения силы тока в электрической цепи и включается в цепь последовательно. Вольтметр (V) предназначен для измерения напряжения на участке цепи и включается в цепь параллельно исследуемому участку цепи.

Отличие в способах включения амперметров и вольтметров в цепь требует различий в сопротивлениях этих приборов. Включение измерительного прибора в цепь всегда приводит к некоторому перераспределению токов и напряжений в исследуемой цепи. Чтобы максимально уменьшить эти перераспределения, необходимо, чтобы амперметр обладал как

можно меньшим сопротивлением, а вольтметр – как можно большим по сравнению с сопротивлением исследуемого участка цепи. Принципиальной разницы в устройстве этих приборов нет. Один и тот же прибор - гальванометр - может применяться в качестве амперметра или вольтметра в зависимости от того, как отградуирована его шкала. Различие в сопротивлении приборов достигается обычно не путем изменения конструкции гальванометров, а путем подбора к ним дополнительных сопротивлений, называемых шунтами.

Основные характеристики электроизмерительных приборов.

1. Система - магнитоэлектрическая, электромагнитная, электростатическая, электродинамическая, тепловая и др.

15

Магнитоэлектрическая система. Приборы этой системы предназначены для измерения силы и напряжения постоянного тока. С различными преобразователями приборы магнитоэлектрической системы применяются и для других измерений. Ввиду простоты конструкции, надежности, высокой чувствительности, малого собственного сопротивления приборы этой системы являются основными лабораторными приборами. Устройство

полуосями 5 и 6. Спиральные пружины 7 и 8 предназначены для создания противодействующего момента. Рамка жестко соединена со стрелкой 9.

Как следует из теории, вращающий момент сил, действующих на рамку с током в магнитном поле, пропорционален току I. Противодействующий момент, создаваемый пружинами, пропорционален углу поворота , т.е. угол поворота стрелки будет пропорционален току I и шкала прибора будет линейной. Так как каркас рамки сделан из алюминия, возникающие в нем индукционные токи (вихревые токи) при движении рамки в магнитном поле создают тормозящий момент, что обусловливает быстрое успокоение подвижной системы.

Основными недостатками приборов магнитоэлектрической системы являются сложность конструкции, высокая стоимость, чувствительность к перегрузкам и необходимость преобразователей для измерений на переменном токе.

16

Электромагнитная система. Приборы этой системы предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного и переменного

токов. Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки 1, по которой протекает измеряемый ток, и подвижного железного сердечника 2 (рис.4.) Сердечник 2 особой формы закреплен эксцентрично на оси и может входить в щель катушки, поворачиваясь вокруг оси. Под действием магнитного поля

Рис.4 катушки сердечник втягивается в нее. Противодействующий момент создается пружиной 3. Приборы электромагнитной системы снабжены воздушным

успокоителем 4, представляющим собой камеру, в которой помещается алюминиевый поршень. При повороте сердечника поршень встречает сопротивление воздуха, вследствие чего колебания подвижной части быстро затухают. Поскольку магнитное поле катушки пропорционально току, а намагничивание железного сердечника тоже увеличивается с возрастанием поля (тока), вращающий момент будет пропорционален квадрату тока, а шкала приблизительно квадратичная.

2.Предел измерения – максимальное значение измеряемой величины, при котором стрелка прибора отклоняется до конца шкалы. На практике широко используются многопредельные приборы, т.е. приборы с одной шкалой, имеющие несколько пределов измерений. Выбор нужного предела производится переключателями пределов в соответствии с ожидаемыми значениями измеряемой величины. Рекомендуется начинать измерения

всегда с больших пределов, постепенно увеличивая чувствительность прибора до необходимого уровня, чтобы исключить повреждение прибора.

3.Цена деления шкалы прибора – отношение предела измерения к полному числу делений шкалы. Вычисляется цена деления прибора по формуле

где С - цена деления шкалы, Amax- значение предела измерений, N- полное число делений шкалы. Измеряется цена деления в единицах шкалы на деление, например, у вольтметра [С] =В/дел. Следует помнить, что цена

17

деления многопредельных приборов на каждом пределе различна! Значение измеряемой величины А определяется следующим образом:

где n - число делений, на которое отклонилась стрелка прибора.

4. Чувствительность прибора – это отношение линейного или углового перемещения стрелки прибора к значению измеряемой величины, вызвавшей это перемещение.

где S - чувствительность прибора, n - число делений, на которое отклонилась стрелка прибора, А - значение измеряемой величины. Измеряется чувствительность в делениях на единицу шкалы, например, у вольтметра

[S]=дел/В.

5. Абсолютная погрешность прибора – величина, равная модулю разности показания прибора и истинного значения измеряемой величины. Вычисляется абсолютная погрешность по формуле

измеряемой величины (среднее значение величины <А> близко к истинному), Аi - измеренное с помощью прибора значение величины. Измеряется абсолютная погрешность в тех же единицах, что и сама измеряемая величина.

6. Относительная погрешность прибора – это отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины

где ε - относительная погрешность прибора, А - его абсолютная погрешность, <А> - среднее (или истинное) значение измеряемой величины. Относительную погрешность прибора принято выражать в процентах. На шкалах электроизмерительных приборов символ процента, как правило, не ставится.

18

7. Класс точности прибора представляет собой его приведенную относительную погрешность. Вычисляется класс точности по формуле

где γ - класс точности прибора, А - абсолютная погрешность прибора, Аmax- предел измерения. Класс точности прибора принято выражать в процентах.

поэтому точность измерений повышается с приближением измеряемой величины (Аизм) к предельному значению, а относительная погрешность измерения А/Аизм. уменьшается. Поэтому рекомендуется подбирать предел измерений так, чтобы измеряемая величина составляла 60 - 100% от предельного значения.

где <А> - среднее значение измеряемой величины.

Для применения одного и того же прибора в различных цепях возможно расширение пределов измерения. Для расширения предела измерения амперметра параллельно ему подключается резистор (шунт), сопротивление которого много меньше сопротивления прибора и связано с внутренним сопротивлением амперметра соотношением

где Rш – искомое сопротивление шунта, RА – внутреннее сопротивление амперметра, I – новое значение предела измерения прибора, I0 – номинальное значение предела измерения прибора.

Для расширения предела измерения вольтметра последовательно с ним включается добавочный резистор, сопротивление которого значительно

где RД – искомое добавочное сопротивление, RV – внутреннее сопротивление вольтметра, U – новое значение предела измерения прибора, U0 – номинальное значение предела измерения прибора.

19

В настоящее время широко применяются цифровые электроизмерительные приборы. Они не имеют подвижных частей. Их действие основано на использовании усилителей и цифровых индикаторов. Основные характеристики цифровых приборов те же.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

В работе используется регулируемый источник постоянного напряжения (блок ГН комплекса МУК-ЭМ) с подключенными многопредельными цифровыми миллиамперметром и вольтметром (блок АВ того же комплекса). В качестве исследуемого участка цепи используется графитовый резистор. Резистор находится внутри универсального лабораторного стенда.

ЗАДАНИЕ № 1. Изучение электроизмерительных приборов (выполняется на отключенной установке)

Изучите устройство и принцип работы комплекса МУК-ЭМ, используемого при выполнении лабораторных работ по электричеству.

ЗАДАНИЕ № 2. Снятие вольтамперной характеристики участка электрической цепи.

1.Заготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений.

2.Соберите электрическую цепь по схеме на рис. 5. Номер изучаемого резистора узнайте у преподавателя. Правильность сборки проверьте у преподавателя. В работе используется генератор постоянного напряжения 22. Внутреннее сопротивление генератора должно быть выключено (см. стр. 9).

3.Установите следующие положения кнопок 12, 13, 14 «миллиамперметр

20