ЛАБ.РАБ / Знакомство_с_оборудованием

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ЭД1 ЗНАКОМСТВО С ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ

Так как в учебных лабораториях нет образцов приборов, то расчет погрешностей измерения проводят иным образом. Для характеристики степени точности большинства электроизмерительных приборов пользуются основной приведенной погрешностью прибора. Основной приведенной погрешностью называется выраженное в процентах отношение наибольшей возможной абсолютной погрешности прибора ∆Amax к номинальной

величине (верхнему пределу измерения прибора) Αпред : Епр = ∆Аmaч 100 0 0 .

Aпред

Согласно ГОСТу электроизмерительные приборы (кроме счетчиков) по степени точности делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4. Приборы классов точности 0,05 и 0,1 считаются контрольными; 0,2 и 0,5 – лабораторными; 1, 1,5 и 2,5 – техническими; 4 – учебными. Числа, указывающие класс точности прибора, обозначают основные приведенные погрешности приборов.

Класс точности прибора указывается на шкале прибора в кружочке или без него. Относительную погрешность измерения какой-либо величины

электроизмерительным прибором рассчитывают как отношение наибольшей возможной абсолютной погрешности прибора к значению данной величины, выраженное в процентах:

E = ∆AAmax 100 00 .

Из определения основной приведенной погрешности прибора следует, что

∆Amax = Eпр Aпред .

100 0 0

Следовательно, относительная погрешность измерения

погрешности прибора (классу точности), умноженной на отношение номинальной величины прибора к измеряемой величине. Если на шкале прибора не указан его класс точности, то приборная погрешность измерения берется равной половине цены деления шкалы при заданном пределе измерения.

Пример 2. Определить наибольшую возможную абсолютную погрешность вольтметра класса точности 1,5, если номинальное напряжение Uпред=300 В. Найти относительные погрешности измерений напряжений U1= 25В и U2=250В.

Наибольшая возможная абсолютная погрешность прибора

Относительные погрешности измерений напряжений следующие:

Погрешность при измерении величины прибором тем больше, чем меньше измеряемая величина по сравнению с номинальной величиной прибора: следовательно, измерения будут произведены с большей точностью, если значения измеряемой величины соответствуют второй половине шкалы.

Прежде чем производить измерения электроизмерительным прибором, необходимо рассчитать цену деления его шкалы. Цена деления С равномерной шкалы равна отношению

Под действием этого момента рамка поворачивается на угол α , при котором вращающий момент уравновесится противодействующим моментом Мпр, созданным пружинами. Этот момент пропорционален углу закручивания пружины: Mпр = D α , где D - коэффициент пропорциональности, называемый модулем кручения.

Таким образом, при равенстве вращающего и противодействующего моментов имеем: D α = B S I , откуда угол поворота рамки α = BDS I , т. е. пропорционален току.

Из последней формулы следует, что ток в рамке I = BDS α .

Таким образом, ток может быть определен по углу поворота рамки, если величина k = BDS , носящая название постоянной по току, известна. По углу α определяется

величина тока или связанная с ним измеряемая величина.

Шкала приборов магнитоэлектрической системы равномерна, т.к. магнитное поле в воздушном зазоре равномерно и радиально.

Обеспечивают это выполнением магнитной системы с кольцевой выточкой на полюсных наконечниках и цилиндрическим сердечником, помещенным внутри выточки. Успокоитель в приборах магнитоиндукционный. Им служит алюминиевый каркас рамки, выполненный в виде короткозамкнутого витка. При повороте рамки изменяется магнитный поток, пронизывающий каркас. Благодаря этому в каркасе индуцируются токи, взаимодействие которых с магнитным полем постоянного магнита создает тормозящий момент. Возможны следующие варианты перехода рамки в положение равновесия:

1)рамка совершает периодические затухающие колебания вокруг положения равновесия - периодический режим работы прибора;

2)рамка плавно без колебаний приходит в положение равновесия не переходя его за кратчайшее время - критический режим;

3)рамка плавно без колебаний приходит в положение равновесия, не переходя его, но не за кратчайшее время - апериодический режим.

Наиболее выгоден критический режим работы.

Приборы магнитоэлектрической системы полярны (имеют положительный и отрицательный зажимы) и предназначены для измерений только в цепи постоянного тока из-за инерционности подвижной системы прибора. Измерения могут проводиться и в цепях переменного тока, но с использованием полупроводниковых диодов.

Приборы магнитоэлектрической системы обладают целым рядом преимуществ по сравнению с приборами других систем. В первую очередь, это высокая чувствительность, точность отсчета, равномерная шкала, малое собственное потребление мощности и хорошая защищенность от внешних магнитных полей.

Приборы электромагнитной системы

Предназначаются для измерения силы тока и напряжения в цепях переменного и постоянного тока. Работа прибора электромагнитной системы основана на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки, по виткам которой протекает измеряемый ток, с подвижным ферромагнитным сердечником из магнитомягкого материала.

На рис. 2 показано схематическое устройство прибора с плоской катушкой. При прохождении тока по рабочей катушке 1 вокруг ее витков создается магнитное поле, силовые линии которого сгущены в плоской щели, направленной вдоль оси катушки. Вне катушки перпендикулярно ее оси устанавливается ось подвижной части, на которой эксцентрично укреплен против щели плоский сердечник 2 и указательная стрелка.

Ток в катушке создает магнитное поле, которое намагничивает сердечник 2 и втягивает его внутрь катушки; подвижная часть поворачивается на угол, зависящий от тока. По этому углу поворота определяют величину измеряемого тока.

Для создания противодействующего момента на одной оси со стрелкой укреплена спиральная пружина 3. Успокоители могут быть воздушные и магнитоиндукционные. На рис.2 показан воздушный успокоитель 4, состоящий из радиально согнутой камеры, внутри которой находится поршенек. Он скреплен с осью и при движении подвижной части прибора перемещается внутри камеры, сжимая воздух, чем и достигается успокоение стрелки прибора.

Магнитные успокоители описаны при рассмотрении приборов магнитоэлектрической системы. В связи с тем, что между вращающим моментом, поворачивающим стрелку, и током в рабочей обмотке существует квадратичная зависимость, шкала прибора электромагнитной системы резко нелинейна. Для повышения линейности шкалы подвижному сердечнику придают специальную форму и выбирают определенное его положение по отношению к катушке. Несмотря на принимаемые меры, начальный (а иногда и конечный) участок шкалы все же получается сильно сжатым и неудобным для работы.

Рис. 2 Устройство прибора электромагнитной системы Поэтому 20% шкалы электромагнитного прибора считают нерабочей. В силу

остаточной индукции сердечника угол поворота подвижной части измерительного механизма может быть различным при одинаковых значениях тока при увеличении или уменьшении его. Таким образом, возникает погрешность измерений. Неравномерная шкала, невысокая точность показаний, большее по сравнению с приборами других систем потребление мощности, а также чувствительность к внешним магнитным полям, что требует либо магнитной экранировки измерительного механизма, либо его усложнения (астатическая конструкция), - всё это недостатки приборов электромагнитной системы. Их достоинствами являются: простота конструкции, и поэтому относительная дешевизна; способность выдерживать значительные кратковременные перегрузки; пригодность для измерений как постоянного, так и переменного токов и напряжения.

Приборы электродинамической системы

Предназначаются для измерения токов, напряжений и мощности в цепях постоянного и переменного тока. Действие приборов электродинамической системы основано на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током, протекающим по обмотке подвижной катушки с током, проходящим по неподвижной катушке.

На рис.3 показано схематическое устройство электродинамического прибора. Внутри неподвижно закрепленной катушки 1 может вращаться на оси подвижная катушка 2, с которой жестко связана стрелка 5, перемещающаяся над шкалой.

Противодействующий момент создается спиральными пружинами 4. Измеряемый ток проходит через обе катушки. В результате взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки и тока в подвижной создается вращающий момент, под влиянием которого подвижная катушка будет стремиться повернуться так, её чтобы плоскость витков стала параллельной плоскости витков неподвижной катушки, а их магнитные поля совпадали бы по направлению. Этому противодействуют пружинки, вследствие чего подвижная катушка устанавливается в положении, при котором вращающий момент становится равным противодействующему. Успокоение у электродинамических приборов используется чаще всего воздушное 3. Достоинство приборов: высокая точность, пригодность для постоянного и переменного токов. Недостатки приборов: зависимость показаний от внешних магнитных полей; чувствительность к перегрузкам; большое собственное потребление энергии; неравномерность шкалы; высокая стоимость.

Рис. 3 Устройство прибора электродинамической системы

Приборы детекторной системы

Предназначаются для измерения силы тока и напряжения в цепях переменного тока частотой до 10000 Гц. Они представляют собой сочетание измерительного прибора магнитоэлектрической системы и одного или нескольких меднозакисных (купроксных) выпрямителей, вмонтированных обычно в корпус прибора.

В отличие от всех других систем приборов, работающих на переменном токе, детекторные приборы измеряют не действующее значение переменного тока, а среднее

значение.

Приборы тепловой системы

Принцип действия приборов тепловой системы основан на изменении длины проводника, по которому протекает ток, вследствие его нагревания. Т.к. количество теплоты, выделяемой током, пропорционально квадрату силы тока и не зависит от направления тока, то приборы тепловой системы пригодны для измерения как на постоянном, так и на переменном токе; шкала прибора неравномерная.

Достоинства приборов: возможность измерения как на постоянном, так и на переменном токе, независимость показаний от частоты и формы кривой переменного тока, что позволяет применять их для измерения высокочастотных токов; нечувствительность к внешним магнитным полям.

Недостатки приборов: неравномерность шкалы; наличие тепловой инерции, в связи с которой необходимо дать некоторое время, пока указатель прибора окончательно установится; зависимость показаний от температуры среды.

Приборы индукционной системы

Устройство приборов индукционной системы основано на взаимодействии токов, индуцируемых в подвижной части прибора, с магнитными полями неподвижных электромагнитов. К индукционной системе принадлежат, например, электрические счетчики переменного тока. Применяются также и ваттметры этой системы.

Приборы вибрационной системы

Устройство приборов этой системы основано на резонансе при совпадении частот собственных колебаний подвижной части прибора с частотой переменного тока. Приборы этой системы в основном применяются в качестве герцметров, служащих для измерения частоты тока.

Приборы электростатической системы

Устройство приборов этой системы основано на взаимодействии двух или нескольких электрически заряженных проводников. Под действием сил электрического поля подвижные проводники перемещаются относительно неподвижных проводников. Электростатические приборы служат преимущественно вольтметрами для непосредственного измерения высоких напряжений.

Приборы термоэлектрической системы

Эта система характеризуется применением одной или нескольких термопар, дающих под влиянием тепла, выделяемого измеряемым током, постоянный ток в измерительный прибор магнитоэлектрической системы. Приборы термоэлектрической системы в основном применяются для измерения переменных токов высокой частоты.

Цифровые приборы (приборы электронной системы)

В современной измерительной технике используются приборы с цифровой шкалой или цифровые приборы. В таких приборах непрерывно изменяющийся измеряемый параметр преобразуется в дискретный (прерывный) параметр, в виде числа, которое изображается на его отсчетном устройстве. В этих приборах измеряемый параметр сравнивается с заданным, т.е. для измерения применяется так называемый «нулевой метод». Измеряемый параметр автоматически переводится в цифры специальной электронной схемой. Цифровые приборы постепенно заменяют стрелочные, так как они обладают более высокими эксплуатационными характеристиками и могут совмещать функции измерительных приборов разных групп.

Недостатками цифровых приборов являются сложность их устройства и сравнительно

высокая стоимость.

ОБОЗНАЧЕНИЯ НА ШКАЛАХ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Действующий в настоящее время ГОСТ предусматривает обозначение единиц измерения на шкале каждого измерительного прибора буквами: А - амперы; mА - миллиамперы; µА - микроамперы; V - вольты; mV - милливольты; µV - микровольты; кV - киловольты; W - ватты; Н - герцы; Ω - омы; МΩ - мегаомы.

Кроме того, на шкале прибора условными знаками указаны: система прибора; род тока (постоянный, переменный); класс точности; нормальное положение шкалы.

Магнитоэлектрический прибор с подвижным магнитом.

Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой.

Прибор детекторной системы.

Прибор электромагнитной системы.

Электронный прибор.

Термоэлектрический прибор с изолированной термопарой.

Термоэлектрический прибор с неизолированной термопарой.

Тепловой прибор.

Прибор электродинамической системы.

Прибор электростатической системы.

Прибор вибрационной системы.

Сплошная рамка, окружающая обозначение системы прибора (например, магнитоэлектрический) или римскую цифру (например, III), указывает на то, что он защищён от влияния магнитных полей.

Прибор предназначен для измерений в цепях переменного тока.

Прибор для измерения постоянного тока.

Прибор пригоден для измерения в цепях переменного и постоянного токов.

или 1,5 Класс точности.

Измерительная часть прибора изолирована от его корпуса и испытана на электропрочность по отношению к корпусу напряжением, например, 2 кВ.

Рабочее положение шкалы прибора – горизонтальное.

Рабочее положение шкалы прибора – вертикальное.

Прибор предназначен для работы при определённом угле наклона шкалы 600.

ОСТОРОЖНО! Измерительная цепь прибора находится под высоким напряжением по отношению к корпусу.

В некоторых случаях около знака нормального рабочего положения шкалы можно найти буквы русского алфавита, имеющие следующие значения:

Оп - обыкновенный прибор повышенной механической прочности; Б - прибор предназначенный для работы в закрытых сухих неотапливаемых

помещениях;

В1, B2, B3 - приборы, рассчитанные, соответственно, на работу в полевых, морских условиях и в передвижных устройствах;

ВП - вибропрочный прибор, способный противостоять разрушительному действию вибрации и продолжать нормально работать по прекращению ее действия;

ВН - нечувствительный к вибрации прибор, способный работать в условиях вибрации, указанной в паспорте прибора;

ТП - тряскопрочный прибор, который продолжает нормально работать после прекращения тряски;

ТН - нечувствительный к тряске прибор, работающий в условиях тряски, указанной в паспорте прибора;

УДП - ударопрочный прибор, нормально работающий после воздействия на него ударов с ускорениями, предусмотренными паспортом прибора;

Гм - герметичный прибор; Бз - брызгозащищенный прибор;

Вз - влагозащищенный прибор; Гз - газозащищенный прибор; Пз - пылезащищенный прибор;

Т - прибор пригоден к эксплуатации в условиях тропического климата.

Осциллограф

Слово «осциллограф» образовано от «осциллум» – колебание и «графо» – пишу. Отсюда и назначение этого прибора – отображать на экране кривые тока и напряжения в функции от времени.

Основная деталь электронного осциллографа – электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), напоминающая по форме телевизионный кинескоп, только значительно меньших габаритов. Экран трубки 7 (рис. 4) покрыт изнутри люминофором – веществом, способным светиться под «ударами» электронов (оксиды цинка, бериллиевого цинка,

смеси сульфатов цинка и кадмия и др.). Чем больше поток электронов, тем ярче свечение той части экрана, куда они попадают. Испускаются электроны так называемой «электронной пушкой», размещённой на противоположном от экрана конце трубки. Она состоит из подогревателя (нить накала) 1 и катода 2. Между «пушкой» и экраном размещены модулятор или управляющий электрод 3, регулирующий поток летящих к экрану электронов, два анода 4 и 5, создающих нужное ускорение пучка электронов и его фокусировку, и две пары пластин 6, с помощью которых электроны можно отклонять по горизонтальной (X) и вертикальной (Y) осям. На нить накала обычно подают переменное напряжение, на управляющий электрод (модулятор) – постоянное отрицательной полярности по отношению к катоду, на аноды – положительное, причём на первом аноде (фокусирующем) напряжение значительно меньше (200-500 В), чем на втором – ускоряющем (1000-2000 В). На отклоняющие пластины подаётся как постоянное напряжение, позволяющее смещать пучок электронов в любую сторону относительно центра экрана, так и переменное, создающее линию развёртки той или иной длины, а так же «рисующее» на экране форму исследуемых колебаний.

Если подвести к горизонтально отклоняющим пластинам пилообразное напряжение, на экране появится светящаяся линия – её называют линией развёртки или просто развёрткой. Длина её зависит от амплитуды пилообразного напряжения. Если теперь подать на другую пару пластин (вертикально отклоняющих), например, переменное напряжение синусоидальной формы, линия развёртки в точности «изогнётся» по форме колебаний и «нарисует» на экране изображение синусоиды. В случае равенства периодов синусоидального и пилообразного колебаний на экране будет изображение одной «синусоиды». При неравенстве же периодов на экране появится столько полных колебаний, сколько периодов их укладывается в одном периоде колебаний пилообразного напряжения развёртки.

Рис.4. Электронно-лучевая трубка.

Осциллограф состоит из многих узлов, с назначением и регулировкой которых можно ознакомиться в инструкции к прибору.

Измерения величин

Для измерения используются приборы соответствующей системы, поддерживающие необходимый диапазон измеряемой величины в цепях постоянного или переменного тока (см. тип приборов). Амперметр при измерении силы тока включают в цепь последовательно (имеет малое сопротивление), а вольтметр при измерении напряжения – параллельно (имеет большое сопротивление).

При измерениях зачастую используются многопредельные приборы с одной или

несколькими шкалами. У многопредельных приборов с одной шкалой при переключении прибора на требуемый по обстоятельствам диапазон (предел) измерений следует учитывать изменение цены деления шкалы и, следовательно, погрешности измерения, а у имеющих несколько шкал – смену шкалы и изменение погрешности измерения.

Если в цепи постоянного тока необходимо измерить величину силы тока или напряжения, заведомо не входящую в диапазон (предел) измерений, поддерживаемый прибором, в цепь параллельно амперметру подключается шунт с сопротивлением Rшунта = Rамперметра /(n −1) , а последовательно вольтметру – добавочное сопротивление,

величиной Rдоб = Rвольтметра (n −1) , где n – число, показывающее, во сколько раз расширяются пределы измерения прибора. При этом на шкале прибора необходимо учитывать данный множитель.

При измерении сопротивления и мощности в цепи постоянного тока можно пользоваться методом амперметра и вольтметра. При измерении малых сопротивлений необходимо учитывать переходные сопротивления контактов и использовать дополнительные мостовые схемы. При измерении мощности в цепи переменного тока пользуются специальными приборами – ваттметрами, так как мощность зависит не только от тока и напряжения, но и от сдвига фаз между ними P =UI cosϕ .

Контрольные вопросы

1.Что называется абсолютной погрешностью измерения электрической величины? Как определяется относительная погрешность измерения? Что называется основной приведенной погрешностью прибора?

2.Что характеризует класс точности прибора? Сколько классов точности приборов существует? Каким условным знаком класс точности обозначается на шкале прибора?

3.Что называется ценой деления прибора? Чувствительностью прибора?

4.Для чего предназначаются приборы магнитоэлектрической системы? Объясните их принцип работы. Каковы режимы их работы, и какой более выгоден?

5.Каковы устройство и принцип действия приборов магнитоэлектрической системы? Для чего используется массивный железный цилиндр? Каковы достоинства и недостатки приборов этой системы?

6.Каковы принцип работы и устройство приборов электромагнитной системы? Для чего предназначаются приборы электромагнитной системы? Каковы достоинства и недостатки приборов этой системы?

7.Каковы принцип работы и устройство приборов электродинамической системы? Для чего предназначаются приборы электродинамической системы? Каковы достоинства и недостатки приборов этой системы?

8.Что представляют собой приборы детекторной, тепловой, индукционной, вибрационной, электростатической и термоэлектрической систем?

9.Что представляют собой цифровые приборы?

10.Какими условными знаками обозначаются системы приборов на шкалах?

11.Поясните устройство электронно-лучевой трубки и получение изображения на экране осциллографа.

12.Как с помощью приборов провести измерение электрических величин (сила тока, напряжение, мощность, сопротивление) в цепях постоянного тока?

13.Самостоятельно выясните, как измерить силу тока, напряжение, мощность в цепях переменного тока.

14.Каковы особенности использования многопредельных приборов с одной или несколькими шкалами? Как при этом следует учитывать погрешность измерений?