ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Электроизмерительные приборы

Литература

Ф.Г. Китунович. Электротехника. Мн., 1999.

Электроизмерительные приборы используются при проведении демонстрационных опытов, работ физического практикума и лабораторных работ по физике. Кроме того, на уроках физики изучается принцип действия электроизмерительных приборов различных систем.

В процессе обучения физике в школах используются три вида электроизмерительных приборов: а) технические; б) демонстрационные; в) лабораторные.

Целью данной работы является изучение устройства демонстрационных электроизмерительных приборов и приобретение навыков работы с ними. В процессе подготовки и выполнения работы необходимо овладеть следующими знаниями, умениями и навыками:

1. Изучить устройство, принцип действия, технические параметры и правила эксплуатации приборов.

2. Уметь подготовить приборы для использования в различных цепях постоянного и переменного тока (подобрать шунты и добавочные сопротивления, определить вид и пределы измерений, выбрать шкалу и др.).

3. Научиться выбирать гальванометры для измерения малых токов и напряжений при проведении различных опытов.

4. Уметь устранять простейшие неисправности приборов (замена диодов; нарушение электрических контактов и др.).

Принципы действия электроизмерительных приборов

Наибольшее применение в кабинетах физики имеют электроизмери-тельные приборы следующих систем: магнитоэлектрической, детекторной, электромагнитной и цифровые приборы.

Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии катушки с током и магнитного поля постоянного магнита. Условное обозначение приборов этой системы .Ток к рамке прибора подводится с помощью двух спиральных пружин, которые служат для создания противодействующего момента. Одна из пружин соединяется с корректором, который используется для установления стрелки прибора на нулевое деление шкалы перед началом измерений.

Рамка прибора стремится расположиться так, чтобы магнитный поток протекающего по ней тока был направлен вдоль магнитного поля постоянного магнита.

Вращающий момент, действующий на рамку с током в магнитном поле, пропорционален силе тока в ней. Поэтому угол поворота стрелки пропорци-онален силе тока в рамке, и шкала приборов равномерная.

Для успокоения колебаний стрелки используется взаимодействие индукционных токов, возникающих в алюминиевом каркасе рамки, с полем постоянного магнита.

Для расширения пределов измерения амперметров магнитоэлектрической системы применяются шунты. Сопротивление шунта выбирается в зависимости от того, во сколько раз необходимо расширить предел измерения прибора и вычисляется по формуле:

Цена деления шкалы амперметра с шунтом увеличивается в n раз.

Чтобы использовать прибор магнитоэлектрической системы в качестве вольтметра, последовательно с рамкой присоединяется большое сопротивление, которое вместе с сопротивлением рамки называют внутренним сопротивлением вольтметра R_v. Для расширения пределов измерения вольтметра в n раз применяют добавочное сопротивление, величина которого рассчитывается по формуле: R_д=R_v(n-1).

Цена деления шкалы вольтметра с добавочным сопротивлением увеличи-вается в n раз.

Приборами магнитоэлектрической системы можно измерять силу и напряжение постоянного тока. Для измерения этими приборами переменного тока (напряжения) в них помещают полупроводниковые выпрямители. Такие приборы называют детекторными (выпрямительными). Выпрямители служат для преобразования переменного тока в пульсирующий, который измеряется прибором. Величина этого тока (напряжения) определяет силу (напряжение) переменного тока.

Для измерения очень малых постоянных токов и напряжений применяются гальванометры магнитоэлектрической системы.

При выборе гальванометра для конкретного опыта нужно руководствоваться следующим:

1. Гальванометр работает в наилучшем режиме, т.e. обладает максималь-ной чувствительностью при равенстве сопротивления внешней цепи R и внутреннего сопротивления гальванометре R_Г.

2. Если сопротивление внешней части цепи велико (фотоэлемент, фотосопротивление и др.), т.е. измеряются малые токи, то следует выбрать гальванометр с большим внутренним сопротивлением.

З. Гальванометры с малым внутренним сопротивлением применяются для измерения малых напряжений, т.е. когда сопротивление внешней части цепи мало (термопара, термостолбик и др.).

Приборы электромагнитной системы (условное обозначение ) состоят из неподвижной катушки, в которую может втягиваться железный сердечник. Сердечник соединяется со спиральной пружиной и стрелкой прибора, а также с электромагнитным успокоителем стрелки (демпфером). Принцип работы этих приборов состоит в следующем: ток, проходя по катушке, создает магнитное поле, которое намагничивает сердечник. Сердечник втягивается внутрь катушки, раскручивает спиральную пружину и перемещает стрелку прибора (а также секторообразную алюминиевую пластинку в поле постоянного магнита).

Угол поворота стрелки пропорционален квадрату силы тока, и шкала приборов неравномерная – в начале и в конце шкалы деления гуще. Увеличение делений в начале шкалы объясняется тем, что  а в конце – магнитным насыщением сердечника.

С помощью приборов электромагнитной системы можно измерять постоянные и переменные токи и напряжения.

В последнее время в учебном процессе по физике применяются цифровые измерительные приборы. В этих приборах непрерывный сигнал об измеряемой физической величине преобразуется в дискретный сигнал, который можно представить числом. Процесс преобразования непрерывного сигнала в дискретный называется кодированием. В цифровых измерительных приборах кодирование сигнала осуществляется аналого-цифровым преобразователем, основными элементами которого являются триггеры и реле, имеющие два устойчивых состояния “открыт” и “закрыт”. Это позволяет осуществить кодирование сигнала в двоичной системе счисления. Результат измерения с помощью дешифратора представляется в десятичной системе счисления и высвечивается на числовом индикаторе. В качестве индикаторов результата измерения могут быть использованы люминесцентные или газоразрядные лампы специальной формы (например, в виде цифр) и другие устройства. Цифровые измерительные приборы имеют ряд достоинств: удобство отсчета, высокая точность, быстродействие, возможность дистанционного управления, сочетание с ЭВМ и др. Эти приборы универсальны и могут применяться для измерения силы и напряжения постоянного и переменного тока, сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, частоты, температуры и других электрических и неэлектрических величин.

Устройство и техническая характеристика школьных электроизмерительных приборов

Основными школьными электроизмерительными приборами являются демонстрационный амперметр с гальванометром, демонстрационный вольтметр с гальванометром, амперметр-омметр учебный, вольтметр-термометр учебный и др.