2012_Лекция 2_Введение в физпрактикум

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.

Існують електровимірювальні прилади, що допускають тільки зчитування показів а також прилади, що дозволяють як зчитування, так і реєстрацію показів (або тільки реєстрацію).

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 вказується 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 одно-діапазонних приладів градуюють ся в одиницях величини, що вимірюється. Якщо прилад має декілька діапазонів вимірювання, то ціна поділки визначається відповідно з вибраним діапазоном.

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.

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

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 :

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

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

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

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

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

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

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

му.

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

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

Wn =ϕ∫ M0обdϕ.

0

Враховуючи (2.2), отримаємо M0об = αϕ , звідки

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

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

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

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

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).

При подачі напруги U на електроди 1 та 2 між ними виникає електростати-

чна взаємодія з силою F = k'U 2 . Під дією цієї сили рухома пластина 2, закріплена разом зі стрілкою 4 на вісі 3, втягується в простір між нерухомими пластинами,

створюючи обертаючий момент M oб U 2 . В положенні рівноваги M oб дорівнює протидіючому моменту закрученої пружини M пр = k1ϕ, а промінь світла від лам-

почки S , відбиваючись від дзеркальця 5, показує на поділку шкали приладу.