Цель работы: 1. Изучить физические принципы действия и основные характеристики электроизмерительных приборов.

2. На основе электромеханического стрелочного прибора М-93 собрать и исследовать миллиамперметр постоянного тока и вольтметры для измерения постоянного и переменного напряжений на заданные пределы измерения.

Введение

Измерительным прибором называется средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного наблюдения.

Приборы делятся на аналоговые (стрелочные) и цифровые. В аналоговом измерительном приборе показания являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. различают электромеханические и электронные аналоговые приборы. Цифровой измерительный прибор автоматически вырабатывает дискретные сигналы измерительной информации в цифровой форме.

При изучении электрических и магнитных явлений наиболее часто приходится измерять значения таких физических величин, как сила тока и напряжение. Приборы, предназначенные для этих измерений, называются соответственно амперметрами и вольтметрами.

Основные характеристики электроизмерительных приборов.

Электроизмерительные приборы характеризуются целым рядом свойств и величин.

Назначение прибора позволяет определить, какие величины могут быть измерены с помощью данного прибора. Приборы, позволяющие выполнять измерения различных физических величин, называются универсальными.

Система прибора указывает, какие физические принципы положены в основу работы данного прибора.

Предел измерений x_пр – это есть значение измеряемой величины, при котором указатель отсчетного устройства перемещается до конца шкалы. Электроизмерительные приборы, как правило, имеют несколько пределов измерений, которые указываются на корпусе или на шкале прибора. в таком случае приборы называются многопредельными.

Важнейшей характеристикой электроизмерительного прибора является чувствительность S – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора d к вызывающему его изменению измеряемой величины dx:

Величина, обратная чувствительности С=1/S, называется ценой деления и определяется как число единиц измеряемой величины, приходящейся на одно деление шкалы.

Иногда удобно характеризовать прибор порогом чувствительности, под которым понимают изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение показания прибора, различимое без дополнительных устройств.

Одним из важнейших вопросов измерения является оценка абсолютной погрешности измерений, выполненных с помощью электроизмерительных приборов. Характеристикой, позволяющей осуществить такую оценку, является обобщенная характеристика точности прибора – класс точности. Классом точности  называется безразмерная величина, численно равная наибольшей допустимой приведенной (относительной) основной погрешности измерительного прибора, выраженной в процентах, т.е.

где ∆x – максимальная абсолютная основная погрешность электроизмерительного прибора, допускаемая на используемом пределе измерений, при обеспечении требуемых условий измерения; x_N – нормирующее значение величины.

Для приборов с равномерной шкалой, у которых нулевая отметка находится на краю шкалы, нормирующее значение принимается равным предельному, т.е. x_N = x_пр.

На электромеханические амперметры и вольтметры ГОСТ устанавливает следующее классы точности: 0.05; 0.1: 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.0; 2.5; 4; 5. Класс точности обычно указывается на шкале прибора или в его паспорте.

Для характеристики приборов используется еще целый ряд величин – вариация, входное сопротивление, выходное сопротивление, потребляемая мощность, стабильность, надежность, быстродействие и т.д.

Аналоговые электромеханические электроизмерительные приборы.

В электромеханических измерительных приборах измеряемая электрическая величина x непосредственно преобразуется в показание отсчетного устройства. Прибор состоит из измерительного механизма и отсчетного устройства. Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Включает в себя шкалу и указатель, расположенные на лицевой стороне прибора. Измерительный механизм является основным элементом прибора и служит для преобразования электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части прибора, чаще всего углового (вращения). Таким образом измеряемая электрическая величина преобразуется в силу, создающую вращающий момент М_ВР. Чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовал определенный угол поворота подвижной части измерительного механизма, необходимо вращающий момент уравновесить противодействующим моментом, зависящим от угла поворота  - М_пр. В этом случае М_пр=W, где W – удельный противодействующий момент, зависящий только от упругих свойств используемых пружин или растяжек. Зависимость между углом поворота подвижной части измерительного механизма  и измеряемой физической величиной x-=f(x) называется основным уравнением электроизмерительного прибора или уравнением шкалы прибора.

В зависимости от способа создания вращающего момента различают системы приборов: магнитоэлектрическую, электромагнитную, электродинамическую, электростатическую.

Приборы магнитоэлектрической системы

Принцип действия приборов с измерительным механизмом магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и подвижной катушки, по которой происходит измеряемый электрический ток (рис 1).

Катушка 1 в форме прямоугольной рамки помещена в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками 2 постоянного магнита 3 и цилиндрическим сердечником 4. В зазоре создается однородное радиально направленное магнитное поле. Рамка крепится на двух полуосях 5. Здесь же крепится стрелочный указатель 6, перемещающийся при повороте рамки над шкалой 7. Две спиральные пружины 8 создают противодействующий момент и одновременно используются для подвода измеряемого тока. В высокоточных измерительных механизмах рамка крепится на растяжках.

M_BP=BISn, (вращающий)

где В – индукция магнитного поля в зазоре; S – площадь рамки; n – число витков катушки; I – сила тока, протекающего по катушке.

M_ПР=W, (противодействующий)

где  - угол поворота подвижной катушки; W – удельный противодействующий момент.

Установившееся отклонение определяется равенством двух моментов. Следовательно –

где – чувствительность прибора по току.

При включении следует соблюдать полярность, так как при изменении направления тока в катушке изменяется, и направление вращения подвижной части.

где r – сопротивление катушки; U – напряжение на катушке; --- – чувствительность по напряжению.

Таким образом, магнитоэлектрические приборы могут применяться в качестве амперметров (А), вольтметров (V) и гальванометров (G). Гальванометр – высокочувствительный прибор, предназначен для измерения малых токов и напряжений, а также количества электричества. Гальванометры часто используются в качестве нулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока в цепи.

Достоинства: в высокой чувствительности (до 3.10^-11 А) высокая точность (до класса 0.05), малом потреблении мощности от измеряемой цепи (~10^-9 Вт).

Недостатки: чувствительность к перегрузкам, сложность изготовления и ремонта и относительно высокая стоимость.

Приборы электромагнитной системы

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток, и подвижного железного сердечника, эксцентрично расположенного на оси и соединенного с указательной стрелкой, который, поворачиваясь, втягивается в катушку (рис 2).

В приборах такого типа =kI². Шкала прибора не линейна. Зато прибор может использоваться для измерения как постоянного, так и переменного тока.

Достоинства: простота конструкции, низкая стоимость, высокая надежность.

Электродинамические приборы

Принцип действия приборов электродинамической системы заключается во взаимодействии магнитных полей подвижной и неподвижной катушек, по которым протекает измеряемый ток. Подвижная катушка 1 (рис 3) может поворачиваться относительно неподвижной 2, состоящей из 2 частей, разделенных воздушным зазором. Под действием вращающего момента стрелка 4, укрепленная на оси 5, перемещается относительно шкалы 3.

Шкала прибора такого типа нелинейная. Прибор пригоден для измерений в цепях постоянного и переменного тока.