Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Принципы работы аналоговых электроизмерительных приборов. Учебно-методическое пособие
.pdf
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А. И. ГЕРЦЕНА
Е. А. Карулина, В. А. Комаров, М. Ю. Яковлев
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ АНАЛОГОВЫХ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Учебно-методическ
ое пособие
Санкт-Петербург
Издательство РГПУ им. А. И. Герцена
2024
УДК 621.317.755(076.5)(075.8)
Печатается по решению
ББК 31.221.я7
П 76
редакционно-издательского совета
РГПУ им. А. И. Герцена
Рецензенты:
С. В. Сенкевич, кандидат физико-математических наук, Физикотехнический институт им. А. Ф. Иоффе РАН;
А. Б. Жаркой, кандидат физико-математических наук, Российский
государственный педагогический университет им. А. И. Герцена
П76 Принципы работы аналоговых электроизмерительных приборов :
учебно-методическое пособие / Е. А. Карулина, В. А. Комаров,
М. Ю. Яковлев. — Санкт-Петербург : Издательство РГПУ
им. А. И. Герцена, 2024. — 76 с., ил.
ISBN 978-5-8064-3554-6
В пособии для бакалавров направлений подготовки 03.03.02
«Физика» (профиль «Физика конденсированного состояния вещества»)
и 44.03.01 «Педагогическое образование» (профиль «Физическое
образование»), 44.03.05 «Педагогическое образование с двумя профилями
подготовки» (профиль «Физика. Наукоёмкие технологии (дополнительное
образование)») рассмотрены устройство и принцип действия аналоговых
электроизмерительных приборов, приводится краткая информация
о преимуществах и недостатках различных систем электроизмерительных
приборов.
Рассматриваются элементы теории погрешностей. Кроме того,
подобраны задачи для самоконтроля обучающихся, которые могут быть
использованы преподавателями для проверки усвоения знаний.
ISBN 978-5-8064-3554-6 © РГПУ им. А. И. Герцена, 2024
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 4
Глава 1. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ 6
§ 1. Основные сведения
§ 2. Магнитоэлектрическая система
§ 3. Электромагнитная система
§ 4. Электродинамическая система
§ 5. Электростатическая система
§ 6. Термоэлектрическая система
§ 7. Комбинированные приборы (ваттметр, омметр)
§ 8. Многопредельные приборы
6
6
1
0
1
3
6
1
1
9
2
5
3
3
§ 9. Условные обозначения на шкалах электроизмерительных
приборов
0
4
Задания для контроля знаний к главе 1 44
Глава 2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ 50
§ 10. Классификация погрешностей
5
0
§ 11. Статистические погрешности. Абсолютная и относительная
погрешность
1
5
§ 12. Точность измерений и измерительных приборов 52
§ 13. Сложение погрешностей
§ 14. Погрешность косвенных измерений
§ 15. Приближённые вычисления
4
5
5
5
5
9
Задания для контроля знаний к главе 2 64
Список литературы, рекомендованной для самостоятельного
ознакомления 71
3
Введение
В современном мире наиболее распространены цифровые измерительные
приборы, которые позволяют проводить разнообразные эксперименты, сочетая
полноценный эксперимент с возможностями новых информационных
технологий. Однако мы не должны забывать самого главного — процесс
обучения необходимо строить от простого к сложному, а не наоборот.
Поэтому рассмотрение устройства и принципа действия аналоговых
измерительных приборов крайне важно. Электроизмерительные приборы,
с которыми обучающиеся работают в рамках выполнения практических
лабораторных работ, не должны отождествляться ими с «чёрным ящиком»,
устройство и принцип работы которого неизвестны. Этот пробел в компетенциях
будущих не только педагогов, но и физиков и призвано компенсировать
разработанное учебное пособие.
Данное учебное пособие содержит сведения о различных системах
в электроизмерительных приборах, таких как:
магнитоэлектрическая;
электромагнитная;
электродинамич
электростатическая
Устройство,
принцип работы, достоинства и недостатки
еская;
.
вышеперечисленных систем подробно описаны.
В начале каждого параграфа, посвящённого отдельной
электроизмерительной системе, приводится её условное обозначение,
указывается, при выполнении каких практических задач применение приборов
той или иной системы может быть более эффективно. Для каждой
электроизмерительной системы приведены иллюстрации, на которых отмечены
основные элементы системы, а в тексте имеются соответствующие пояснения
и подробно рассматривается принцип действия измерительных механизмов
систем приборов. Всё это выступает основой для дальнейшего повествования,
в котором рассматривается уже, непосредственно, принцип работы прибора.
Также рассматриваются теоретические основы, математические выражения,
определяющие зависимость изменения показаний прибора (изменения угла
поворота стрелки прибора) под действием измеряемых величин. Описываются
характеристики электроизмерительных систем.
4
В заключение каждого параграфа, посвящённого электроизмерительной
системе, приводится краткая информация о её преимуществах и недостатках, что
помогает структурировать и закрепить изученный ранее материал.
Помимо различных систем электроизмерительных приборов в учебном
пособии рассматривается устройство и принцип работы простейшего омметра
и ваттметра. Мы акцентировали своё внимание именно на данных приборах по
нескольким причинам. Во-первых, данные приборы внедрены в современные
мультиметры. Во-вторых, сопротивление и мощность — это ключевые понятия,
встречающиеся при изучении электрических и магнитных явлений в курсе
физики.
Изложенный материал завершается заданиями для самоконтроля
обучающихся, которые также могут быть использованы преподавателями для
проверки усвоения знаний. Задания включают в себя как теоретические вопросы
по изложенному материалу, так и практические задания.
Глава 1. Системы электроизмерительных приборов
§ 1. Основные сведения
Со школьного курса физики вам уже знакомы некоторые электрические
приборы. Например, амперметр, позволяющий измерять силу тока, или
вольтметр, с помощью которого определяют напряжение в электрических цепях.
Также вы знаете единицы измерения физических величин, и то, каким образом
приборы подключаются в цепь, знакомы с понятиями идеального
электроизмерительного прибора. Однако, электроизмерительные приборы
различаются по довольно большому набору различных признаков: по принципу
работы, по степени точности, по роду измеряемой величины и т. д. Пособие
поможет вам в этом разобраться.
Аналоговые измерительные приборы, это приборы в которых отсутствует
преобразование полезного сигнала в цифровой код. Чем могут отличаться друг
от друга аналоговые приборы, предназначенные для измерения одних и тех же
физических величин?
Различные электроизмерительные приборы отличаются по принципу
работы. По этому признаку приборы делятся на следующие системы:
магнитоэлектрические;
электромагнитные;
электродинамические;
электрост
атические
;
термоэлектрические.
Ниже р
ассмотрим их подробнее.
§ 2. Магнитоэлектрическая система
Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы
предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока.
Условное обозначение данной системы приведено в таблице 1.
Принцип действия приборов этой системы основан на взаимодействии
проводника с током с магнитным полем постоянного магнита. Существуют два
варианта реализации конструкции приборов магнитоэлектрической системы:
с подвижной катушкой и с подвижным магнитом. Рассмотрим первый вариант
6
реализации магнитоэлектрической системы, как наиболее часто используемый.
Схема устройства такого прибора показана на рисунке 1.
Таблица 1
Обозначение прибора магнитоэлектрической системы
Прибор магнитоэлектрической
системы с подвижной катушкой
Прибор магнитоэлектрической
системы с подвижным магнитом
Рис. 1. Схема электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы
Магнитное поле постоянного магнита (1) сконцентрировано
в цилиндрическом зазоре между полюсами (5). В этом цилиндрическом зазоре
находится закреплённая на оси рамка (4), по которой протекает измеряемый ток.
На рамке укреплена стрелка (6), конец которой перемещается по шкале.
При протекании тока по рамке, находящейся в зазоре постоянного магнита,
возникает пара сил, создающая вращающий момент и поворачивающая эту
рамку в ту или иную сторону вокруг оси. Направление силы 𝐹, действующей на
одну сторону рамки, может быть определено по правилу левой руки, а значение
силы — по закону Ампера:
𝐹𝑁𝐵𝐼𝑙sinα,
7
(2.1)
где 𝑁 — число витков рамки, 𝐵 — магнитная индукция в зазоре, 𝐼 — сила тока,
протекающего по рамке, 𝑙
— длина активной стороны рамки, α — угол между
вектором нормали плоскости рамки и вектором индукции в воздушном зазоре.
Так как магнитное поле создаётся в узком зазоре цилиндрической формы,
то угол α при любом положении рамки равен π/2, следовательно sinα1.
Тогда момент этой пары сил равен:
𝑀
2𝐹
𝑁𝐵𝐼𝑙𝑑,
2
где 𝑑 — ширина рамки (она же является плечом силы) (см. рис. 2).
Рис. 2. Рамка с током в магнитном поле
𝑑
(2.2)
Величины 𝑁, 𝑙 и 𝑑 для данного прибора постоянные, а величина магнитной
индукции 𝐵 постоянная в виду малой ширины цилиндрического зазора,
в котором создано магнитное поле. Следовательно, произведение этих величин
дает также постоянную величину:
𝑁𝐵𝑙𝑑.
𝑘
(2.3)
И тогда:
𝑀
𝑘𝐼.
(2.4)
При повороте рамки под действием магнитного поля на нее действует
направленный в противоположную сторону момент сил упругости 𝑀
со
стороны двух спиральных пружин (3) (рис. 1). Момент упругих сил прямо
пропорционален углу поворота рамки α:
8
𝑀
𝑘α,
(2.5)
где 𝑘
— коэффициент жесткости спиральных пружин.
Поворот рамки будет происходить до тех пор, пока моменты 𝑀
и 𝑀
не
сравняются. Это и будет положение равновесия рамки с током.
В этом случае:
𝑀,
𝑀
𝐼𝑘α.
𝑘
(2.6)
(2.7)
Откуда следует, что:
𝑘
α
𝐼τ𝐼,
𝑘
(2.8)
где τ — постоянная данного прибора по току. Из последнего уравнения
становится ясно, что угол отклонения рамки α прямо пропорционален силе тока
𝐼, а следовательно, шкала измерительного прибора магнитоэлектрической
системы является линейной.
При протекании тока по рамке возникает падение напряжения равное 𝑈
𝐼𝑅, тогда:
𝑈
ατ𝐼τ
𝑐𝑈,
(2.9)
𝑅
где 𝑐
— постоянная прибора по напряжению.
Из последнего соотношения следует, что магнитоэлектрический механизм
можно использовать
как для измерения силы тока (амперметр), так и для
измерения напряжения (вольтметр). Однако необходимо учесть, что
сопротивление вольтметра должно быть большим, а амперметра маленьким. На
практике рамки амперметров и вольтметров не имеют принципиального
различия. Для того, чтобы избежать поломок прибора и обеспечить его
корректную работу, в первом случае рамку шунтируют, а во втором —
последовательно с ней включают добавочное сопротивление.
Для переменных токов эти приборы непригодны, так как направление
отклонения стрелки прибора зависит от направления тока, протекающего по
рамке. Следовательно, в цепи переменного тока прибор ничего не покажет.
9
При подключении приборов данной системы в цепи постоянного тока
необходимо соблюдать полярность, иначе стрелка прибора может уйти
в противоположную сторону, за нулевое деление шкалы.
Достоинствами приборов магнитоэлектрической системы являются:
высокая чувствительность и точность измерений;
равномерность шкалы;
малая чувствительность к внешним магнитным полям.
К недостаткам данной системы относятся:
возможность измерений только в цепях постоянного тока.
§ 3. Электромагнитная система
Ещё одной системой электроизмерительных приборов является
электромагнитная система. Её условное обозначение приведено в таблице 2.
Таблица 2
Обозначение прибора электромагнитной системы
Прибор 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 из магнитомягкого
материала (4).
Рис. 3. Схема электроизмерительного прибора электромагнитной системы
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]