Лабораторная работа № 1
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Цель работы: знакомство с электроизмерительными приборами. Градуировка шкалы вольтметра и шкалы амперметра.
Приборы и материалы: вольтметр, сменная плата, набор сопротивлений, универсальный лабораторный стенд, соединительные провода.
1. Краткая теория
Технические средства, используемые при электрических измерениях, подразделяются на:
меры;
измерительные преобразователи;
измерительные установки;
измерительные информационные системы;
электроизмерительные приборы.
Мера – средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера с определенной точностью.
Измерительные преобразователи – средства выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования и обработки (шунты, добавочные резисторы – приборы, не меняющие электрического характера сигнала и позволяющие расширить пределы измерений).
Электроизмерительные приборы – средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Измерительные приборы делятся на аналоговые и цифровые (см. введение). В аналоговых приборах показания изменяются плавно, а в цифровых – дискретно (ступенями) при плавном изменении измеряемой величины.
Электроизмерительные приборы характеризуются чувствительностью.
Чувствительность прибора – это
способность реагировать на изменение
входного сигнала. Чувствительность
представляет собой отношение сигнала
на выходе
к сигналу на входе
прибора:
.
Размерность чувствительности прибора зависит от характера измеряемой величины. Например, для амперметра это дел/А, для вольтметра – дел/В.
Цена деления
– это величина, обратная чувствительности
(для амперметра – А/дел, для вольтметра
– В/дел):
.
Так же электроизмерительные приборы
характеризуются током полного
отклонения (
),
при котором стрелка максимально
отклонена, и напряжением полного
отклонения (
),
которое соответствует току полного
отклонения. Таким образом, напряжение
полного отклонения равно:
,
где
– сопротивление прибора.
Определить абсолютно точно значение измеряемой величины невозможно, что объясняется отсутствием абсолютно точных приборов и влиянием различных внешних факторов. Отклонение измеряемого результата от истинного значения измеряемой величины называется погрешностью измерения.
Абсолютная погрешность:
,
где
– результат измерения;
– истинное значение измеряемой величины.
Относительная погрешность:
(в долях) или
(в процентах).
Так как истинное значение величины неизвестно, то за него принимают значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближенное к истинному, что может быть использовано вместо него. Поэтому на практике значение погрешности можно оценить только приближенно.
Включение электроизмерительных приборов в цепь вносит в измерения дополнительные погрешности. Рассмотрим, как рассчитывают дополнительные погрешности, вносимые амперметрами и вольтметрами.
Амперметр – это прибор, служащий для измерения силы тока. Для измерения силы тока данный электроизмерительный прибор, параметры которого , , включается в разрыв исследуемой цепи, то есть последовательно с тем элементом, ток через который нужно определить (рис. 1.1).
Т
ок
в цепи зависит от напряжения источника
и сопротивления нагрузки
.
Включение прибора вызывает некоторое
уменьшение силы тока в цепи, т.к. общее
сопротивление в цепи возрастает до
.
.
Так как
(без
прибора), а
(с
прибором), то дополнительная относительная
погрешность
равна:
, (1.1)
где
и
– дополнительные относительная и
абсолютная погрешности измеряемого
тока, вызванные включением амперметра
в исследуемую цепь.
Изменением силы тока можно пренебречь, если .
Расширить пределы измерения силы тока можно, если применить шунт (который по сути является резистором), подключенный параллельно электроизмерительному прибору (рис. 1.2).
Т
ак
как шунт имеет сравнительно малое
сопротивление, то измеряемый ток
разветвляется на две неравные части:
большая часть проходит через шунт,
меньшая – через прибор. Таким образом,
измеряемый ток достигает предельного
значения при полном отклонении стрелки
прибора:
, (1.2)
где
– предельное значение измеряемого
тока,
– ток, проходящий через шунт,
– ток полного отклонения через
электроизмерительный прибор.
Падение напряжения на выводах шунта и измерительного прибора равны и составляют:
. (1.3)
Используя вышеуказанные формулы (1.2) и (1.3), найдем сопротивление шунта:
. (1.4)
И
з
формулы (1.4) следует, что чем больше
выбранный предел измеряемого тока, тем
меньше должно быть сопротивление шунта.
Вольтметр – прибор, служащий для
измерения напряжения. Для этого вольтметр
включают параллельно участку цепи, к
которому приложено измеряемое напряжение
(рис. 1.3).
Включение прибора вызывает некоторое
уменьшение напряжения, поскольку
уменьшается сопротивление участка
из-за его шунтирования сопротивлением
прибора.
Этим уменьшением напряжения можно
пренебречь, если
.
Погрешности, вызванные включением прибора, можно рассчитать по формулам:
, (1.5)
, (1.6)
где
и
– дополнительные относительная и
абсолютная погрешности измеряемого
напряжения, вызванные включением
вольтметра в исследуемую цепь,
– результат измерения прибором,
включенным в цепь,
–
истинное значение измеряемой величины.
Для расширения пределов измерений
напряжения последовательно измерительному
прибору и параллельно исследуемому
участку цепи включается добавочный
резистор
,
имеющий сравнительно большое, точно
подобранное, сопротивление (рис. 1.4).
Измеряемое напряжение делится на две неравные части: большая приходится на , меньшая – вызывает отклонение стрелки прибора. При полном отклонении стрелки напряжение достигает своего предельного значения:
, (1.7)
г
де
–
предельное значение измеряемого
напряжения,
– напряжение на добавочном сопротивлении,
– напряжение на электроизмерительном
приборе, соответствующее полному
отклонению стрелки прибора.
Т.к. через
и прибор проходит общий ток
,
то
,
а
.
Отсюда:
. (1.8)
Т.к.
,
то:
. (1.9)
В лабораторной работе по изучению электроизмерительных приборов используется универсальный лабораторный стенд (УЛС).
На специальной универсальной плате
расположены: электроизмерительный
прибор (микроамперметр), подстроечный
переменный резистор
,
эталонный постоянный резистор
,
потенциометр
для регулировки напряжения исследуемой
цепи от 0 до 15В, постоянный резистор
для ограничения тока в цепи, клеммы
и
для подключения добавочного сопротивления
или шунта.
Измерение напряжения на участке цепи производится вольтметром.