Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

2012_Lektsia_2_Vvedenie_v_fizpraktikum

.pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
364.03 Кб
Скачать

Лекція 2. Електровимірювальні прилади

1

Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

Лекція 2. Електровимірювальні прилади

2.1. Загальні відомості

Вимірювання полягає у визначенні значення фізичної величини дослідним шляхом за допомогою приладів, які виробляють сигнали інформації, функціонально пов'язані з вимірюваними фізичними величинами у формі, доступній для безпосереднього сприйняття експериментатором.

Електровимірювальні прилади, покази яких є неперервними функціями зміни вимірюваних величин, називаються аналоговими.

Вимірювальні прилади, що автоматично виробляють дискретні сигнали вимірювальної інформації, покази яких представлено в цифровій формі, називаються цифровими.

Якщо електровимірювальний прилад допускає тільки зчитування показів, то його називають показуючим. Якщо можливо як зчитування, так і реєстрація показів (або тільки реєстрація), то такі прилади називають реєструючими.

Якщо прилад записує покази у формі діаграми, то його називають самопис-

ним.

Вінтегруючих приладах, значення вимірюваної величини підсумовуються в часі або по іншій незалежній змінній (прикладом інтегруючого приладу є лічильник електричної енергії).

Електровимірювальні прилади розділяються на два види.

Вприладах першого виду рухома частина вимірювального приладу реагує на значення вимірюваної величини (наприклад, струму) та дає безпосередню оцінку цієї величини.

До другого виду відносяться прилади порівняння, в яких величина, що вимірюється, порівнюється з величиною, значення якої відоме (вимірювальні мости, потенціометри та ін.).

1.2. Класифікація електровимірювальних приладів

Електровимірювальні прилади класифікуються наступним чином.

Лекція 2. Електровимірювальні прилади 2 Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

По виду вимірюваної величини, в залежності від її найменування. Цьому випадку на шкалі приладу пишуть повне найменування або його початкову латинську букву, наприклад: амперметр - A , вольтметр - V , ватметр - W і т. д.

Для багатофункціональних приладів відповідні позначення вказують біля перемикачів а також включають в найменування приладу (наприклад, вольтамперметр). До умовної букви найменування приладу може бути додане позначення кратності основної одиниці: мікроамперметр - μA , міліампер - mA, кіловольт - kV , кіловат - kW і т. д.).

За принципом дії вимірювального механізму. В цьому випадку класифіка-

ція визначається способом перетворення електричної величини в механічну дію рухомої частини приладу.

По роду струму. На шкалі приладу позначають умовними знаками в колах якого струму можна застосовувати даний прилад, наприклад сталого ( ), змінного ( ), сталого та змінного ( ).

В приладах змінного струму вказують номінальне значення частоти, або діапазон частот, в якому можна застосовувати прилад), наприклад, 30 - 50 - 120 Гц; 45 - 400 Гц; при цьому підкреслене значення є номінальним для даного приладу. Якщо на приладі не вказано діапазон робочих частот, то він призначений для роботи з частотою 50 Гц.

По класу точності. Клас точності приладу позначається цифрою, що дорівнює допустимій приведеній похибці, вираженій у відсотках. Цифра, що позначає клас точності, вказується на шкалі приладу, наприклад: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

По типу відлікового пристрою. Відліковий пристрій приладу складається з шкали та покажчика (наприклад, рис. 1.1). Шкали однодіапазонних приладів градуюються в одиницях величини, що вимірюється. Якщо прилад має декілька діапазонів вимірювання, то ціна поділки визначається відповідно з вибраним діапазоном.

Лекція 2. Електровимірювальні прилади

3

Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

Рис. 2.1. Шкала вимірювального приладу.

Покажчиком може бути стрілка (у амперметрах, вольтметрах і т. п.) або світлову пляму з чорною лінією посередині (у балістичному гальванометрі). Для уникнення паралакса, обумовленого неправильним положенням ока спостерігача відносно шкали та стрілки, шкалу доповнюють дзеркалом. При вимірюваннях необхідно знайти положення ока, при якому стрілка співпала б зі своїм відображенням у дзеркалі.

Залежно від умов експлуатації. Клас точності приладу визначається для заданих діапазонів робочих температур та відносної вологості, в межах яких додаткова похибка, обумовлена температурою та вологістю, лежить в межах класу точності приладу.

По стійкості до механічних дій прилади підрозділяються на групи залежно від значення максимального прискорення при ударах та вібрації.

По ступеню захисту від зовнішніх електромагнітних полів за допомогою екранування вимірювального механізму.

2.3. Аналогові електромеханічні прилади

Вимірювальний механізм аналогових електромеханічних приладів має рухому та нерухому частини. Електромагнітна енергія, що надходить у вимірювальний прилад з зовнішнього кола, перетворюється в механічну енергію повороту рухомої частини приладу, по куту повороту якої визначають величину, що вимірюється.

Лекція 2. Електровимірювальні прилади

4

Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

Залежно від фізичних явищ, що визначають роботу вимірювального приладу, розрізняють магнітоелектричну, електростатичну, електромагнітну, електродинамічну, теплову та ін. системи.

2.3.1. Магнітоелектрична система (МЕ)

Робота приладів магнітоелектричної системи (МЕ) системи базується на взаємодії магнітного поля сталого підковоподібного магніту та магнітного поля, що створюється струмом, який вимірюється та проходить по обмотці рухомої котушки (рамки).

Магнітне поле створюється між полюсними наконечниками (1) N і S сталого підковоподібного магніту 2 та центральним циліндричним магнітним сердечником 3 (рис. 2.2). Легка рухома рамка 4, що складається з декількох витків тонкого дроту, насаджена на вісь 5 і може повертатися навколо сердечника в сильному однорідному радіальному магнітному полі в повітряному зазорі. До рамки прикріплена стрілка (або дзеркальце), яка утримується в нульовому положенні двома пружинами.

При такій конструкції магнітної системи нормаль до площини, в якій знаходяться витки котушки, при будь-якому значенні кута повороту рухомої рамки пе-

рпендикулярна вектору індукції магнітного поля в зазорі B , що створюється сталим магнітом.

Рис. 2.2. Конструкція приладу магнітоелектричної системи.

При пропусканні через витки рамки струму I , що вимірюється, на рамку діє обертаючий момент

M об = ISNB .

(2.1)

Лекція 2. Електровимірювальні прилади

5

Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

де N - число витків в рамці, S - площа рамки.

Під дією моменту сил M об рамка повертається на кут ϕ , при цьому закру-

чується пружина, що утримує рамку. В межах пружної деформації пружини кут повороту ϕ пропорційний прикладеному моменту сил M об :

ϕ =αM об .

(2.2)

де α - коефіцієнт, що визначається характеристиками пружини. Таким чином, кут повороту рамки ϕ пропорційний струму в рамці:

ϕ =αSNBI = βI ,

(2.3)

де β =αSNB - стала приладу. Значення сталої β визначається в процесі градую-

вання приладу, при пропусканні через нього відомого струму. Кут повороту рамки ϕ реєструється поворотом стрілки 5, що жорстко зв'язана з рамкою 4. Шкала приладу є рівномірною, оскільки відповідно до (2.3) кут повороту ϕ I .

Якщо напрям струму в рамці зміниться на протилежний, рамка повернеться в протилежному напрямі. Для вимірювання сигналів різного знаку використовують прилади, що мають нульову відмітку на середині шкали. Це означає, що прилади магнітоелектричного типу придатні тільки для вимірювання сталих струмів.

Для вимірювання сили струму прилад включають в коло послідовно, а для вимірювання різниці потенціалів на ділянці кола - паралельно цій ділянці.

Застосування приладів МЕ системи в колах змінного струму можливо лише за умов попереднього перетворення змінного струму в сталий струм.

Таким чином, прилади магнітоелектричної системи використовуються для вимірювань в колах сталого струму, мають рівномірну шкалу, високу чутливість, високу точність (клас точності до 0,05) та малу чутливість до зовнішніх впливів.

2.3.2. Балістичний гальванометр (БГ)

Магнітоелектричний гальванометр може бути використаний також і для вимірювання електричного заряду q , що проходить через поперечний перетин

Лекція 2. Електровимірювальні прилади

6

Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

кола при короткочасному струмі, наприклад, при розрядці або зарядці конденсатора, при протіканні індукційного електричного струму, та під час інших перехідних процесів.

Такий гальванометр називається балістичним. Він характеризується великим значенням моменту інерції J0 рухомої системи. Рівняння моментів для тіла,

що може обертатися навколо вісі, має наступний вигляд

J0

d 2ϕ

= M0об ,

(2.4)

d t2

 

 

 

де M0об - обертаючий момент відносно вісі рухомої системи. Протидіючий мо-

мент, що створюється деформованою пружиною, дорівнює

 

M пр = −M0об = −ISNB .

(2.5)

При малих коливаннях рухомої системи (ϕ

1, кут ϕ виражений в радіа-

нах), отримаємо

 

 

d 2ϕ

+

1

ϕ =0 .

(2.6)

 

 

 

 

dt2

J0α

 

Останнє рівняння описує власні гармонійні коливання рухомої системи БГ з циклічною частотою ω0

ω =

 

1

.

(2.7)

 

 

0

J0α

 

 

 

Відповідно, період власних коливань

 

T0 = 2π

J0α .

(2.8)

Оскільки T0 J0 , то при великих моментах інерції J0

період T0 вільних

коливань рамки гальванометра може бути значним.

Розглянемо випадок, коли час τ проходження струму через БГ значно менший періоду вільних коливань T0 (τ <<T0 ). Імпульс моменту сил, що діють на ра-

мку при проходженні такого короткочасного струму I , дорівнює

Лекція 2. Електровимірювальні прилади

7

Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

τM0обdt = SNB τIdt = SNB q ,

(2.9)

0

0

 

де q - електричний заряд, що пройшов через рамку БГ за час протікання струму.

За малий проміжок часу τ <<T0 рамка БГ практично не встигає вийти з по-

ложення рівноваги, а лише набуває деякого початкового моменту імпульсу L0 = J0ω0 . З рівняння моментів dLdt = M отримаємо

J ω =τ

M обdt =SNBq ,

(2.10)

0

0

0

 

 

0

 

 

де ω0 - кутова швидкість, яку отримує рухома система БГ за час протікання стру-

му.

Таким чином

 

ω2

=

 

SNBq

2 .

(2.11)

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

J0

 

Початкова кінетична енергія, яку набуває рухома система гальванометра за час проходження через рамку заряду q , дорівнює

 

 

J

ω2

(SNB)2

 

W

=

0

0

=

q2 .

(2.12)

 

 

ko

2

 

2J0

 

 

 

 

 

Під час руху рамки пружина закручується, а кінетична енергія рухомої системи переходить в потенціальну енергію пружно деформованої пружини

Wn =ϕM0обdϕ .

0

Враховуючи (2.2), отримаємо M0об = αϕ , звідки

W =ϕ

M обdϕ = ϕ2 .

(2.13)

n

0

2α

 

0

 

 

Потенціальна енергія пружно деформованої пружини Wn пропорціональна квадрату кута повороту ϕ рамки БГ.

Лекція 2. Електровимірювальні прилади

8

Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

При максимальному куті відхилення ϕ0 вся початкова кінетична енергія рамки переходить в потенціальну енергію, тому

(SNB)2

q2

=

ϕ2

,

(2.14)

 

2J0

0

 

 

 

2α

 

 

звідки

 

 

 

 

 

 

q =C0ϕ0 ,

 

 

 

(2.15)

де C =

1

J0

- стала БГ.

 

 

SNB

α

 

 

 

 

Таким чином, заряд, що пройшов через БГ, пропорційний максимальному куту відхилення рухомої системи гальванометра відносно положення рівноваги.

2.3.3. Електромагнітна система (ЕМ)

Дія електромагнітних приладів базується на переміщенні рухомого сердечника з феромагнетику в магнітному полі нерухомої котушки. Рухомий сердечник (пелюстка) 2 з феромагнетику (м'якої сталі або спеціального сплаву) ексцентрично насаджена на одну вісь 3 зі стрілкою та втягується магнітним полем нерухомої котушки 1 (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Конструкція електромагнітного вимірювального приладу.

Магнітне поле нерухомої котушки 1 створюється струмом, що проходить по її обмотці. Обертаючий момент сил в ЕМ приладах визначається шляхом вимірю-

Wn = M обϕ .

Лекція 2. Електровимірювальні прилади

9

Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

вання енергії магнітного поля котушки приладу індуктивністю L при протіканні в ній струму I в процесі переміщення сердечника.

Енергія магнітного поля котушки індуктивністю L , по якій протікає струм I , дорівнює:

W

=

LI 2

 

` .

(2.16)

 

 

M

2

 

 

 

 

 

 

 

Потенціальна енергія деформованих пружин 4 при повороті сердечника на кут ϕ дорівнює:

(2.17)

При обертанні сердечника (а, отже, й вісі приладу) відносно нерухомої котушки на кут dϕ індуктивність приладу змінюється на величину dL .

При цьому

M обdϕ =

 

I 2dL

,

(2.18)

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

звідки M

об

=

 

I

2 dL

.

 

(2.19)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 dϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У режимі стаціонарного відхилення пружинами 4 створюється протидіючий

момент, який дорівнює моменту, що закручує пружину, так що M пр = M об . Вра-

ховуючи, що при пружних деформаціях M пр =αϕ , отримаємо

 

αϕ =

I 2 dL

,

 

 

 

(2.20)

2

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

звідки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ =

 

I 2

 

dL

.

 

 

 

 

(2.21)

 

2α

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Відповідно (2.21), знак кута ϕ відхилення стрілки електромагнітних прила-

дів не залежить від напряму струму в котушці.

Отже, прилади електромагнітної системи придатні для вимірювання в колах сталого та змінного струмів.

Лекція 2. Електровимірювальні прилади

10

Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

У колах змінного струму прилади ЕМ системи вимірюють діюче значення струму або напруги. Розглянемо вимірювання в колі змінного синусоїдального струму I (t )= Im sin (ω t ), де ω = 2π / T - кругова частота, Im - амплітудне зна-

чення сили струму. В цьому випадку діюче Iд або ефективне значення Ieff

струму

визначається по тепловій дії струму і дорівнює

 

 

1

T

2

 

Im

 

 

Ieff = Iд =

 

I

 

(t) dt =

 

.

(2.22)

T

 

2

 

0

 

 

 

 

За період змінного струму на активному опорі R виділяється однакова кількість тепла Q , як при протіканні сталого струму I = Iд , так і при протіканні змін-

ного струму з амплітудою Im

Q = Ieff2 RT =

Im2 RT

.

(2.23)

2

 

 

 

Таким чином, перевагою приладів електромагнітної системи є можливість вимірювання сталих та змінних струмів, простота та міцність конструкції.

Недоліками приладів ЕМ є нерівномірність шкали, мала точність, мала чутливість, малий частотний діапазон, вплив зовнішніх магнітних полів, неможливість вимірювання малих струмів на початковій ділянці шкали приладу.

2.3.4. Електростатична система (ЕС)

Дія електростатичного приладу основана на взаємодії заряджених провідників. Вимірювальна частина уявляє собою плоский повітряний конденсатор, що складається з нерухомого 1 та рухомого 2 електродів (рис. 2.4).

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.