Методички / В.В. Дырдин Изучение работы электроизмерительных приборов
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра физики
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Методические указания по выполнению лабораторной работы № 40 по курсу общей физики для подготовки студентов всех направлений
Составители В.В. Дырдин И.С. Елкин В.П. Корчуганов А.А. Ильиных
Утверждены на заседании кафедры Протокол № 8 от 06.05.03.
Рекомендованы к печати методической комиссией направления 550600 Протокол № 6 от 29.05.03
Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ
Кемерово 2003
1
Лабораторная работа № 40 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Данная лабораторная работа относится к разделу «Электромагнитные явления» по теме «Электроизмерительные приборы». На выполнение и защиту данной работы отводится два аудиторных занятия.
1.Цель работы: а) изучение устройства, принципа действия и назначения электроизмерительных приборов разных систем; б) изучение способов изменения пределов измерения
амперметра и вольтметра.
2.Приборы и принадлежности: источник переменного напряжения, электронный осциллограф, потенциометр с сегнетоэлектриком и конденсатор постоянной емкости.
3.Подготовка к работе: прочитать в учебниках [1] и [2] указанные параграфы, ответить на вопросы в конце методических указаний.
4.Теоретические положения
4.1.Классификация электроизмерительных приборов. Класс точности, условные обозначения на шкалах приборов
Электроизмерительным прибором называется устройство, служащее для измерения электрических величин. По принципу действия электроизмерительные приборы делятся на следующие системы: магнитоэлектрическую, электромагнитную, электродинамическую, индукционную, термоэлектрическую, электростатическую, вибрационную, электронную (см. табл. 4.1). Условные обозначения, применяемые на шкалах приборов, приведены в табл. 4.2.
На показания приборов оказывают влияние магнитное поле Земли, находящиеся поблизости намагниченные тела, магнитные поля токов в проводниках и т.д. С целью защиты электроизмерительных приборов от действия внешних магнитных и электрических полей измерительный механизм прибора защищается магнитным экраном, электрическим экраном.
Представление о точности измерений электроизмерительным прибором дает относительная погрешность
2
ε = |
∆А |
100 % , |
(4.1) |
|
А |
||||
|
|
|
где ∆А – абсолютная погрешность (разность между показаниями прибора А и истинным значением АИСТ измеряемой величины).
Таблица 4.1 Системы электроизмерительных приборов
Наименование |
Условные обо- |
Род тока |
Приборы данной системы |
|||||||
системы |
значения |
|||||||||
|
|
|
|
|||||||
Магнитоэлектрическая |
|
|
|
|
|
|
Гальванометры, |
миллиам- |
||
|
|
|
|
|
Постоянный |
перметры, |
милливольтметры, |
|||
* |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
регистрирующие приборы. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Электромагнитная ** |
|
|
|
|
|
Постоянный и пе- |
Щитовые |
амперметры и |
||
|
|
|
|
|
ременный |
вольтметры, фазометры. |
||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Миллиамперметры |
перемен- |
||
Электродинамическая |
|
|
|
|
|
Постоянный и пе- |
ного тока, переносные ам- |
|||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
||||||
*** |
|
|
|
|
|
ременный |
перметры |
и вольтметры, |
||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
ваттметры, фазометры. |
|||
Электродинамическая |
|
|
|
|
|
|
Регистрирующие |
ампер- |
||
|
|
|
|
|
Переменный |
метры: вольтметры и ватт- |
||||
|
|
|
|
|
||||||
со сталью (ферроди- |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
метры переменного тока. |
|||||
намическая) |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Счетчики |
электрической |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Индукционная |
|
|
|
|
|
Переменный |
энергии. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Герцметры в цепях переВибрационная Переменный менного тока технической
частоты
|
|
|
|
|
Постоянный и пе- |
Вольтметры и киловольт- |
|
|
|
||||
Электростатическая |
|
|
метры постоянного и пере- |
|||
|
|
|
ременный |
|||
|
|
|
|
|
менного тока. |
|
|
|
|
|
|
|
|
*– самые чувствительные из всех систем, самые точные приборы постоянного тока. Шкала прибора – равномерная.
**– самые прочные и дешевые. Относительно низкая чувствительность. Шкала прибора – неравномерная.
***– самые точные из приборов переменного тока. Шкала неравномерная. Рабочая часть начинается от 15 – 20 % шкалы.
Отношение минимальной абсолютной погрешности ∆А к предельному (максимальному) значению измеряемой величины Аmax
3
данным прибором называется приведенной относительной погрешностью
εпр = |
|
∆А |
100 % . |
(4.2) |
|
|
|||
|
|
Аmax |
|
|
Приведенная относительная |
погрешность |
εпр , выраженная в |
||
процентах, определяет класс точности прибора. Классом точности измерительного прибора называется показатель, установленный государственным стандартом пределов погрешностей. Применяются сле-
дующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Обозна-
чение класса точности записывается на его шкале в виде соответствующих цифр. Иногда класс точности обозначается числом в кружке. Приборы класса точности 0,05 дают наименьшую относительную погрешность измерения и употребляются в точных лабораторных исследованиях, а также как образцовые приборы для проверки менее точных приборов. Приборы остальных классов 0,1 – 4 относятся к техническим.
Таблица 4.2 Условные обозначения, применяемые на шкалах
электроизмерительных приборов
Условное |
Содержание |
Условное |
Содержание |
|||||||||||||||
обозначение |
обозначения |
обозначение |
обозначения |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Класс точности прибо- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Измерительная цепь изолиро- |
|
|
|
|
|
|
ра, например 1,5 |
2 |
|
|
|
|
|
||||||
1,5 |
|
|
|
|
|
|
|
вана от корпуса и испытана |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
напряжением, например 2 кВ |
|
|
|
|
|
|
Выпрямительный пре- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прибор нормально работает в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
образователь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вертикальном положении |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прибор предназначен |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прибор нормально работает в |
|
|
|
|
|
|
для работы в цепях |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
горизонтальном положении |
|
|
|
|
|
|
|
постоянного тока |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Переменный одно- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прибор нормально работает |
|
|
|
|
|
|
фазный ток |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
60 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
под углом, например 60° |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Трехфазный ток |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зажим для заземления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прибор нормально |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Категория защищенности |
50 |
|
работает при частоте |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прибора от влияния внешних |
||||||
|
50 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
магнитных полей, например |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вторая категория |
4
Общая формула для расчета минимальной абсолютной погрешности имеет вид:
∆Априб = |
|
|
γ |
|
Аmax , |
(4.3) |
|
100 |
|||||||
|
|
|
|||||
где γ – класс точности прибора; Аmax |
|
– верхний предел измерений |
|||||
прибора.
Если класс точности не указан, то обычно принимают, что эта погрешность равна половине цены наименьшего деления шкалы прибора.
Из вышесказанного видно: чем ближе измеряемая величина к предельному значению прибора, тем меньше относительная ошибка, и она приближается к значению класса точности прибора. Электроизмерительный прибор для работы следует выбирать так, чтобы значение измеряемой величины было близким к предельному (наибольшему) значению шкалы прибора.
Важнейшей характеристикой измерительного прибора является его внутреннее сопротивление, определяемое как
Rпр = |
Umax |
, |
(4.4) |
|
|||
|
Imax |
|
|
где Umax – максимально допустимое падение напряжения на приборе; Imax – максимальное значение силы тока, протекающего через прибор.
4.2.Устройство и принцип действия электроизмерительных приборов
4.2.1.Приборы магнитоэлектрической системы
Электроизмерительные приборы данной системы используются для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. Принцип их действия основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля тока, проходящего по рамке
(рис. 4.1).
Основными частями измерительного механизма прибора магнитоэлектрической системы являются: постоянный магнит А, к концам которого прикреплены железные полюсные наконечники К, и подвижная рамка В, намотанная на легкий алюминиевый каркас. Между полюсами наконечника К неподвижно укреплен цилиндрический железный сердечник Д, предназначенный для обеспечения равномерного распределения магнитного потока в воздушном зазоре, в котором поворачивается рамка В (рис. 4.1).
|
5 |
0 |
|
|
С |
|
I |
|
Д |
|
В |
К |
|
Е |
Р |
|
О |
Рис. 4.1. Устройство прибора |
|
магнитоэлектрическойсистемы |
|
На рамку В (каркас с
Аобмоткой из N витков) накладываются две тонкие алюминиевые пластинки с запрессованными в них полуосями – кернами, на которых рамка устанавливается в подшипниках. Ток в рамку подводится через две спиральные пружины Е, прикрепленные внутренними концами к подвижной части, а внешними – к неподвижной. Провод, к которому прикреплен внешний конец одной из пружин, связан с корректором и предназначен для установления стрелки прибора перед началом измерения на нулевое деление. Грузики Р уравновешивают подвижную часть прибора.
Если через рамку проходит постоянный ток I, то возникает вращающий момент Мвр, дейст-
вующий на рамку:
Мвр = ВSI , |
(4.5) |
где В – магнитная индукция в зазоре; S – площадь рамки.
При повороте рамки на угол α в пружинах возникает противодействующий механический момент упругих сил
М = Кα,
где К – постоянная кручения пружин.
Установившееся положение подвижной части прибора определяется равенством моментов сил, действующих на рамку:
Мвр =М
или |
ВSI = Кα, |
6
откуда |
α =ВSI / К. |
Таким образом, угол α ~ I. Шкала прибора равномерная. Если через рамку пропустить переменный ток
I = I0 sin ωt ,
то угол поворота подвижной части будет определяться средним за период значением вращающего момента:
1 T
Mср = T 0∫ BSI0 sin(ωt)dt =0 .
При достаточно больших частотах Мср =0 , поэтому прибор маг-
нитоэлектрической системы используется только в цепях постоянного тока и при малых частотах ν <5 Гц.
Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, значительно, поэтому даже малый ток вызывает поворот подвижной части прибора. Приборы магнитоэлектрической системы мало чувствительны к внешним магнитным полям и очень чувствительны к току.
4.2.2. Приборы электромагнитной системы |
|
||
|
Измерительный |
меха- |
|
|
низм приборов данной систе- |
||
Д |
мы можно разделить на две |
||
группы: с плоской катушкой и |
|||
А |
М с круглой катушкой. |
|
|
0 |
устрой- |
||
|
Схематическое |
||
В |
ство прибора с плоской ка- |
||
|
тушкой показано на рис. 4.2. |
||
Е |
Неподвижную часть прибора |
||
составляет каркас катушки А, |
|||
Р |
|||
Рис. 4.2. Устройство прибора |
на который наматывается |
||
электромагнитной системы |
изолированная медная прово- |
||
|
лока. Против щели катушки А |
||
на оси укреплена эксцентрично пластинка В из мягкою железа. На этой же оси укреплена указательная стрелка, спиральная пружина Е, грузики Р (для уравновешивания подвижной части) и магнитоиндукционный успокоитель Д.
Магнитоиндукционный успокоитель служит для гашения колебаний подвижной части прибора. Он состоит из алюминиевого лис-
7
точка Д, закрепленного на оси прибора, и может перемещаться в магнитном поле постоянного магнита М. При движении подвижной части прибора в листочке Д индуцируются вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с полем постоянного магнита М (по закону Ленца) будет создаваться тормозящее усилие, успокаивающее колебание подвижной части прибора.
При прохождении по катушке А постоянного тока создается магнитное поле тока, в котором сердечник В намагничивается и втягивается в катушку А.
Используя закон сохранения энергии, можно показать, что вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора (сердечник), пропорционален квадрату силы тока:
Mвр =K1I2 ,
где K1 – коэффициент пропорциональности, зависящий от конструк-
ции прибора. |
|
Mвр =М, |
Приповороте подвижной части на угол α |
||
или |
K I2 = Кα, |
|
|
1 |
|
откуда |
α =K I2 / К. |
(4.6) |
|
1 |
|
Вследствие квадратичной зависимости угла поворота подвижной части прибора от силы тока шкала неравномерная.
При прохождении по катушке А переменного тока I = I0 sin ωt
угол поворота подвижной части определяется средним за период Т значением вращающего момента:
M |
ср |
= |
1 |
|
TK |
1 |
(I |
0 |
sin(ωt))2 dt = |
K1 I02 |
=K I |
2 |
, |
|
|
||||||||||||
|
|
T |
∫ |
|
2 |
1 |
эф |
|
|||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Iэф – эффективное значение тока, связанное с амплитудным соотношением
Iэф = I0 
2 .
Так как Mср ≠ 0, то приборы электромагнитной системы приме-
няются и в цепях переменного тока.
Благодаря значительному поперечному сечению катушки внутри нее создается слабое магнитное поле, поэтому прибор чувствителен к внешним магнитным полям. Для защиты от внешнего магнитного поля катушка окружена железным экраном.
8
Другим средством защиты прибора от действий внешних магнитных полей является астатическое устройство его механизма. В астатическом приборе имеются две плоские катушки, по которым текут одинаковые по величие и противоположные по направлению токи. На ось эксцентрически насажены две пластинки из мягкого железа. При пропускании тока происходит одновременное втягивание их внутрь катушек.
Внешнее магнитное поле в одной катушке будет увеличивать вращающий момент, действующий на сердечник, в другой – уменьшать в такой же степени, т.е. практически не будет влиять на показания прибора.
4.2.3. Приборы электродинамической системы
Схематическое устройство прибора данной системы приведено на рис. 4.3. Принцип действия прибора основан на взаимодействии магнитных полей токов I1 и I2, протекающих по обмоткам подвижной В и неподвижной А катушек.
Если по катушкам А и В протекают постоянные токи, то вращающий момент, действующий на подвижную катушку А, равен
0 
А
В
Рис. 4.3. Устройство прибора электродинамической системы
Mвр = K1I1I2 ,
где K1 – коэффициент пропор-
циональности. Вращающий момент производит поворот подвижной катушки на угол α, при котором
|
Mвр =М, |
или |
K1I1I2 = Кα, |
тогда |
α = K1I1I2 / К. (4.7) |
Откуда следует, что шкала при-
бора неравномерная.
При одновременном изменении направления тока в катушках вращающий момент остается неизменным, поэтому приборы данной системы используются в цепях постоянного токов.
При изменении переменного тока подвижная катушка вследствие своей инерции не будет успевать изменять свое вращение и займет положение, определяемое средним значением вращающего момента за
9
период. Следовательно, электродинамический прибор на переменном токе измеряет эффективное значение тока Iэф.
4.3.Многопредельные электроизмерительные приборы
4.3.1.Амперметры
Через измерительный механизм рассмотренных выше электроизмерительных приборов, особенно магнитоэлектрической системы, можно пропускать очень слабый ток. Однако прибор можно использовать для измерения больших токов, если параллельно измерительному механизму подключить шунт (рис. 5.1). Шунты изготовляются из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, имеют форму спиралей, лент или стержней. Помимо внутренних шунтов, вмонтированных в прибор, часто используют наружные шунты, применение которых значительно расширяет предел измерения тока.
Расчет шунта. Необходимо расширить предел измерения тока в n раз. Амперметр в цепь включается последовательно. Ток через амперметр должен составлять n -ую часть тока в цепи, поэтому шунт подключается параллельно амперметру, а основной ток – через шунт.
Падение напряжения на зажимах амперметра UA и шунта UШ одинаково:
где IА, |
UА =IАRА = UШ =IШRШ. |
(4.8) |
IШ – сила тока, текущего через амперметр и шунт, соответ- |
||
ственно; |
RА, RШ – сопротивление амперметра и шунта, соответст- |
|
венно. |
|
|
При этом IШ =I −IА , |
|
|
откуда |
RШ =IАRА / IШ =IАRА /(I −IШ) . |
(4.9) |
Так как I = nI , то |
|
|
|
RШ = RА /(n −1) . |
(4.10) |
Таким образом, для расширения предела измерений тока в n раз нужен шунт, сопротивление которого в (n – 1) раз меньше сопротивления амперметра. Кроме однопредельного шунта, переносные приборы, как правило, снабжены несколькими шунтами. Это дает возможность иметь несколько пределов измерения силы тока. Такой прибор называется многопредельным амперметром. Многопредельный прибор, как правило, имеет переключатель на несколько пределов измерения (пределы указаны около ручки). Но также может иметь одну