Регулирующие устройства

При электрических измерениях часто возникает необходимость изменять силу тока или перераспределять напряжение между участками цепи. Для этой цели служат регулирующие устройства: реостаты, автотрансформаторы, магазины и мосты сопротивлений.

1. Реостаты. Для плавного изменения сопротивления в цепи применяются реостаты. Наиболее распространенной конструкцией реостата является движковый реостат, условное обозначение которого дано на рисунке 24.

Движковый реостат со скользящим контактом состоит из фарфорового цилиндра, на который намотана виток к витку проволока с большим удельным сопротивлением (например, константан). Витки проволоки изолированы друг от друга тонкой окалиной. Концы проволоки подведены к клеммам. По обмотке перемещается движок, изменяя выходное сопротивление реостата. Движковый реостат позволяет плавно регулировать сопротивление.

Реостат может быть включен двумя способами в зависимости от того, что он должен регулировать: ток или напряжение.

В случае, представленном на рисунке 25, реостат плавно изменяет сопротивление цепи от ( , реостат выведен – скользящий контакт поставлен в положение С) до (реостат полностью введен – положение В). По закону Ома ток меняется от до . Таким образом, в первом случае реостат является регулятором тока.

Во втором случае передвижением ползунка из положения С в положение В меняется напряжение от 0 до величины питающего цепь напряжения источником, то есть, реостат служит потенциометром. Как видно из схем, назначение потенциометра состоит в том, чтобы выделить для известного участка цепи (например, нагрузочного сопротивления ) некоторую часть общего напряжения источника ЭДС, меняя ее в известных пределах.

2. Магазин сопротивлений.

Магазином сопротивлений называется набор образцовых сопротивлений, смонтированных в одном корпусе так, чтобы можно было по желанию изменять в определенных пределах ступенями значение сопротивления, включенного в измерительную цепь.

В декадных (курбельных) магазинах сопротивления сгруппированы десятками. В каждой такой декаде установлены катушки одинакового сопротивления (по 0.1, 1, 10 Ом и т.д.). Катушки в каждой декаде и декады между собой соединены последовательно. Катушки расположены полукругом и прикреплены к верхней панели корпуса. В центре каждого полукруга смонтирована ручка с пружиной, скользящей по контактам, к которым припаяны концы катушек, рисунок 27.

Например, так устроен магазин сопротивлений, состоящий из отдельных, точно подогнанных проволочных сопротивлений, позволяющих устанавливать любое значение сопротивления от 0.1 до 99999,9 Ом с интервалом в 0.1 Ом. Отсчет по прибору равен сумме произведений цифр, стоящих против указателя декады, на соответствующий множитель. Например:

Ом.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ

1. Два пересекающихся провода, электрически между собой не соединенные

2. Два пересекающихся провода, электрически между собой соединенные

3. Заземление

4. Клемма

5. Переменный ток

6. Постоянный ток

7. Плавкий предохранитель

8. Электрическая лампа

9. Гальванический элемент, аккумулятор

10. Батарея гальванических элементов

11. Конденсатор постоянной емкости

12. Конденсатор переменной емкости

13. Омическое сопротивление (резистор)

14. Переменное сопротивление или реостат

15. Вольтметр

16. Амперметр

17. Гальванометр

18. Катушка без сердечника. Соленоид, катушка самоиндукции

19. Катушка с железным сердечником

20. Трансформатор

21. Диод

22. Триод

23. Полупроводниковый диод

24. Транзистор

25. Неоновая лампа

26. Телефон

27. Микрофон

28. Электролитический конденсатор

29. Ключ двухполюсный

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие элементы электрической цепи Вы знаете? Охарактеризуйте их.

2. Что такое средства измерений?

3. Как разделяются по функциональному назначению средства измерений?

4. Что такое мера, измерительный преобразователь, измерительный прибор?

5. На какие группы разделяются электроизмерительные аналоговые приборы прямого преобразования?

6. Дать понятие измерительной информационной системы, измерительно-вычислительного комплекса, измерительной установки.

7. Какие источники тока Вы знаете?

8. Опишите общие принципы работы электромеханических приборов.

9. Устройство и работа магнитоэлектрических приборов.

10. Устройство и работа электромагнитных приборов.

11. Устройство и работа электронных аналоговых приборов: электронные вольтметры, приборы для измерения частоты и фазы, приборы для измерения мощности, энергии, электронно-лучевые осциллографы, анализаторы спектра.

12. Устройство и работа цифровых измерительных приборов.

13. Устройство и работа измерительных мостов.

14. Устройство и работа регистрирующих приборов и устройств.

15. Устройство и работа регулирующих устройств, реостаты, магазины сопротивлений.

16. Классификация электроизмерительных приборов.

17. Как определить чувствительность и цену деления электроизмерительного прибора.

18. Как определить класс точности и приборную погрешность электроизмерительного устройства.

19. Виды погрешностей измерений.

20. Как аналитически и графически обработать результат измерений?

21. Как условно обозначаются различные элементы электрических схем?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Цель работы: знакомство с электроизмерительными приборами. Градуировка шкалы вольтметра и шкалы амперметра.

Приборы и оборудование: вольтметр, сменная плата, набор сопротивлений, универсальный лабораторный стенд, соединительные провода.

Введение

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. вводное занятие). В аналоговых приборах показания изменяются плавно, а в цифровых – дискретно (ступенями) при плавном изменении измеряемой величины.

Измерительные 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 вели чины. 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.

Классифицируются электроизмерительные приборы по трем основным признакам:

- по роду измеряемой величины;

- по роду тока;

- по принципу действия.

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.

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 (рисунок 1).

Ток 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 .

Изменением силы тока можно пренебречь, если >> .

Так как (без прибора), а (с прибором), то дополнительная относительная погрешность равна:

, (1)

где и – относительная и абсолютная погрешности измеряемого тока, вызванные включением амперметра в исследуемую цепь.

Расширить пределы измерения силы тока можно, если применить шунт, подключенный параллельно электроизмерительному прибору (рисунок 2).

Так 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:

, (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:

. (3)

Используя вышеуказанные формулы (2) и (3), найдем сопротивление шунта:

. (4)

Из формулы (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 (рисунок 3).

Включение прибора вызывает некоторое уменьшение напряжения, поскольку уменьшается сопротивление участка из-за его шунтирования сопротивлением прибора.

Этим уменьшением напряжения можно пренебречь, если >> .

Погрешность, вызванную включением прибора, можно рассчитать по формуле:

, (5)

, (6)

где и – 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 (рисунок 4).

Измеряемое напряжение делится на две неравные части: большая приходится на , меньшая – вызывает отклонение стрелки прибора. При полном отклонении которой напряжение достигает своего предельного значения:

, (7)

где – 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:

. (8)

Т.к. , то:

. (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.