Порядок выполнения упражнения 3

Приборы 1.Гальванометр ( миллиамперметр постоянного тока)

2. Магазин сопротивлений Р-33

3. Реостат

4.Источник тока типа ВС - 24

5. Соединительные провода

6. Набор измеряемых сопротивлений

7. Контрольный омметр

1. Собрать электрическую цепь омметра с последовательным включением измеряемого сопротивления (рис. 8).

2. Установить сопротивление реостата R максимальным.

3. Включить цепь, реостатом R и потенциометром на ВС - 24 установить такой ток в цепи (R_х на магазине сопротивлений равно 0), чтобы стрелка гальванометра (миллиамперметра) отклонилась до конца шкалы. Это и будет нулевая точка омметра.

4. Изменять сопротивление на магазине сопротивлений и отмечать отклонение стрелки прибора (через каждые 10 делений шкалы). Показания занести в таблицу 3.

Рис.9

5. По результатам градуировки построить график R_х=f(n), откладывая по оси абсцисс число делений по шкале прибора, а по оси ординат - сопротивление.

6. На собранном проградуированном омметре измерить неизвестное сопротивление, данное преподавателем для измерения. Оценить погрешности (графические измерения).

7. Измерить это же сопротивление контрольным омметром, ознакомившись предварительно с его устройством.

8.* Собрать схему омметра с параллельным включением измеряемого сопротивления (рис.9)

9. С помощью реостата R при R_х = R_max установить такой ток, чтобы стрелка миллиамперметра отклонилась до конца шкалы.

10. Проградуировать омметр и построить градуировочный график R_х=f(n)

11. Измерить с помощью "изготовленного" омметра данное преподавателем сопротивление (R_изм.), проверить контрольным омметром.

12. Считая результаты, полученные с помощью омметра, точными, вычислить величину расхождения в процентах по формуле

(16).

АБЛИЦА 3

№	Значение сопротивления (магазин сопротивлений), Ом	Показания «изготовленного» омметра, дел.
…………….

Контрольные вопросы

1. Электроизмерительные приборы и принцип их действия.

2. Цена деления шкалы прибора, чувствительность, класс точности

3. Система обозначений на электроизмерительных приборах

4. Расчет шунтов к амперметру.

5. Расчет добавочного сопротивления к вольтметру.

6. Как проградуировать омметр с последовательным и параллельным включением измеряемого сопротивления?

7. Почему у омметра с последовательным включением измеряемого сопротивления шкала обратная, а с параллельным – прямая?

8. Ампервольтомметр в режиме измерения токов, напряжения и сопротивления

9. Как расширение пределов измерения приборов отражается на цене деления, чувствительности, точности измерений данным прибором?

ПРИЛОЖЕНИЕ

Электромеханические приборы (таблица 4).

Электромеханический прибор включает в себя измерительную цепь (для преобразования измеряемой электрической величины в другую величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм), измерительный механизм(преобразует электрическую величину в угол поворота подвижной части) и отсчетное устройство (для визуального отсчитывания

значений измеряемой величины в зависимости от угла поворота подвижной части.).

Рис. 10 Шкала электроизмерительного прибора

На каждый прибор наносят условные обозначения (класс точности, род тока, рабочее положение прибора, тип измерительного механизма, напряжение пробоя изолирующих частей прибора и т.д.(рис.10)

Род измеряемого тока:

- постоянный

~ переменный

Рабочее положение прибора:

→ или ┌┐ - горизонтальное

↑ или ┴ -вертикальное

30 º - под углом в 30 градусов.

Напряжение, при котором испытана изоляция прибора( в киловольтах):

2 или 2

Cтепень защищенности от внешних магнитных полей:

I

II

III

IY

Условия эксплуатации:

А- нормально работают при температуре окружающей среды от +10 до +35 градусов Цельсия и относительной влажности до 80 % (закрытые сухие отапливаемые помещения)

Б – нормально работают при температуре окружающей среды от -20 до +50 градусов Цельсия и относительной влажности до 80%(закрытые неотапливаемые помещения)

В – нормально работают при температуре окружающей среды от -40 до+60 градусов Цельсия и относительной влажности до 98 % (полевые и морские условия)

Т – работают в тропическом климате.

Предел измерения – это максимальное или номинальное значение измеряемой величины (указывается у края шкалы у однопредельных или около переключателя у многопредельных приборов).

Цена деления показывает, сколько единиц измеряемой величины соответствует одному делению шкалы прибора на данном пределе измерения.

Чувствительность прибора есть величина, обратная цене деления, и определяет, сколько делений шкалы прибора соответствуют единице измеряемой величины.

Относительная приведенная погрешность прибора представляет собой отношение абсолютной погрешности прибора к номинальному значению на данном пределе измерения.

Класс точности – это наибольшая допустимая приведенная погрешность прибора, определяемая его конструктивными особенностями. Существуют электроизмерительные приборы 8 классов точности (ГОСТ 2.710-81): 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 4.0 . Класс точности выражается в процентах и указывается в виде числа в нижнем углу на шкале прибора.

Магнитоэлектрические приборы

Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля тока, проходящего по обмотке рамке, с магнитным полем постоянного магнита (сила Ампера). Для измерения в цепях постоянного тока используют приборы магнитоэлектрической системы. Принцип их действия основан на законе Ампера, согласно которому на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила.

Неподвижный подковообразный магнит 1 (рис.11 ) имеет выполненные из мягкого железа полюсы, которые охватывают сплошной железный сердечник 3. Между сердечником и полюсами имеется кольцевой зазор. На одной оси с сердечником находится легкая прямоугольная многовитковая проволочной рамки с размерами от 3х5 до

25х35 мм ( 2 ),_ имеющая обмотку из тонкого изолированного медного провода (по ней протекает измеряемый ток). Рамка может свободно вращаться в воздушном зазоре между сердечником и полюсами магнита. Рамка закреплена на оси в специальных подпятниках. На оси закреплена стрелка-указатель. Ток к началу и концу рамки подводится через гибкие спирали-пружины 4 или растяжки из немагнитного материала (фосфористая бронза), оказывающие противодействие вращению рамки. Из-за наличия железного цилиндра линии магнитной индукции в зазоре направлены радиально, а модуль постоянен.

При протекании тока по рамке из N витков в магнитном поле с индукцией В на сторону длиной l действует сила Ампера:

(17).

Вращающий момент, действующий на рамку шириной b , равен:

(18),

где - число витков провода в рамке,

- площадь рамки,

β - угол между плоскостью витков рамки и направлением вектора В.

Под действием вращающего момента рамка поворачивается, закручивая пружину 4 на угол .

В пределах упругой деформации момент упругих сил _упр пропорционален углу поворота оси рамки :

(19),

где - коэффициент, зависящий от упругих свойств материала пружины и ее размеров.

При достижении равновесия подвижной системы

(20).

Таким образом, угол поворота рамки φ пропорционален величине тока в рамке:

где - постоянная прибора, определяемая конструкцией прибора.

Угол поворота рамки регистрируется поворотом стрелки прибора, жестко связанной с рамкой 2. Из выражения (21) следует, что угол поворота подвижной системы пропорционален величине измеряемого тока, следовательно, шкала такого прибора равномерная. Рамка поворачивается в противоположную сторону, если изменить

направление тока в рамке. Поэтому приборы такого типа пригодны только для измерения постоянных токов.

Магнитоэлектрические приборы состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Применяют магнитоэлектрические механизмы с подвижной катушкой и подвижным магнитом, но наибольшее распространение получил механизм с подвижной катушкой. Ток в обмотке рамки идет через две спиральные пружины. Вращающий момент в измерительном механизме магнитоэлектрического прибора возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки с током, причем угол поворота пропорционален измеряемому току (напряжению). Направление поворота рамки и, следовательно, стрелки, зависит от направления тока в рамке.

В магнитоэлектрических механизмах осуществляется магнитоиндукционное успокоение за счет взаимодействия токов, наводимых в дюралюминиевом каркасе подвижной катушки при ее перемещении с полем постоянного магнита(правило Ленца) и за счет токов, наводимых в цепи катушки с полем магнита.

Магнитоэлектрические приборы относятся к числу точных. Наличие равномерной шкалы уменьшает погрешности градуировки и отсчета. Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют высокую чувствительность и малое собственное потребление энергии, имеют линейную и стабильную статическую характеристику преобразования, что связано со стабильностью магнитных свойств материалов. Наличие равномерной шкалы уменьшает погрешности градуировки и отсчета. Собственное магнитное поле концентрируется в узком зазоре, что позволяет получить большие значения индукции и, следовательно, высокую чувствительность механизма. По той же причине магнитоэлектрические измерительные механизмы мало чувствительны к внешним магнитным полям. При использовании в них высокостабильных магнитов могут быть созданы приборы классов точности до 0,05. Кроме того, на магнитоэлектрические измерительные механизмы не действуют высокочастотные наводки.

Для переменного тока магнитоэлектрические приборы неприменимы, так как подвижная часть вследствие инерционности при частотах выше 10 Гц не успевает реагировать на изменение направления тока. К недостаткам приборов этой системы можно отнести их

относительно высокую сложность, высокую стоимость и малую стойкость к перегрузкам. Магнитоэлектрические приборы используются в цепях постоянного тока в качестве амперметров (от 10 ^-6 до 10 ³ А), вольтметров (10 ^-3 - 10 ³ В) гальванометров для измерения малых токов ( порядка 10 ^*9 А ), омметров, флюксметров. Входят в состав приборов других систем для измерения переменных токов и напряжений.

Электромагнитные приборы

Рис. 12. Приборы электромагнитной системы

Принцип действия основан на воздействии магнитного поля измеряемого тока, проходящего в неподвижном проводнике (по обмотке короткой катушки), на подвижный сердечник из магнитомягкого ферромагнитного материала, находящегося в этом магнитном поле. В зависимости от конструкции различают 3 основных разновидности электромагнитных приборов (рис.12).

Наибольшее распространение получила конструкция с замкнутым магнитопроводом, обладающая более высокой чувствительностью и менее подверженная влиянию внешних магнитных полей. Прибор состоит из катушки 1 с узкой щелью (прорезью). Сердечник 2 изготовлен из ферромагнитного материала (мягкой стали или специального сплава) и эксцентрично насажен на ось 3 со стрелкой 4 (рис.12 а). Материал сердечника должен обладать высокой магнитной проницаемостью, что способствует увеличению вращающего момента при заданном значении потребляемой прибором мощности, и минимальной коэрцитивной силой, что уменьшает погрешность от гистерезисных потерь. При протекании по катушке тока ферромагнитный сердечник намагничивается и втягивается магнитным полем неподвижной катушки 1 в зазор катушки. Обычно материалом сердечника в щитовых приборах служит электротехническая сталь, а в точных переносных приборах – пермаллой. Колебания гасятся воздушным успокоителем (демпфером). Вращающий момент в электромагнитных приборах может быть определен исходя из измерения энергии магнитного поля катушки прибора при изменении в ней тока и ее индуктивности при перемещении сердечника. Энергия магнитного поля катушки с постоянным током:

Потенциальная энергия упруго деформированной пружины, обусловленная поворотом сердечника на угол ,

При вращении сердечника, а, следовательно, и оси

, откуда ,

В режиме установившегося отклонения при создании противодействующего момента пружиной , т.е. с учетом того, что , получим

,

откуда

.

Из последнего выражения видно, что угол поворота пропорционален квадрату измеряемого тока. Это означает, что шкала приборов данной системы неравномерная. Линейную зависимость угла отклонения от величины измеряемого тока для значительной части рабочего диапазона отклонения указателя на шкале получают, изготавливая сердечник особой формы, для которой dL/dφ является требуемой функцией от угла поворота (рабочая часть шкалы прибора – правее точки в начале шкалы!). При этом знак угла отклонения стрелки прибора не зависит от направления тока в катушке, так как при изменении направления тока в обмотке меняется полярность намагничения сердечника, и при любом направлении тока в обмотке сердечник втягивается внутрь катушки, а стрелка отклоняется в одну и ту же сторону. Приборы пригодны для измерения в цепях не только постоянного, но и переменного токов. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение тока или напряжения.

Электромагнитные измерительные механизмы просты по конструкции, надежны в работе, механически прочны и дешевы. Способны выдерживать большие перегрузки (отсутствуют токоподводы к подвижной части). Могут использоваться как в цепях постоянного, так и переменного токов с частотой не выше 10 кГц (из-за возрастания потерь в ферромагнитном сердечнике). К недостаткам следует отнести неравномерность шкалы, подверженность влиянию внешних магнитных полей (для устранения такого влияния применяют магнитное экранирование), низкую чувствительность приборов. Применяются в основном в щитовых амперметрах ( пределы измерений от 1,5 мА до 200 А ), вольтметрах (от 0,5 В до 600 В), частотомерах.

Электродинамические и ферродинамические приборы

Принцип действия основан на законах взаимодействия проводников с током (закон Ампера), протекающих по двум обмоткам, одна из которых неподвижна, а другая может вращаться. Обмотка неподвижной катушки имеет мало витков и называется токовой, обмотка подвижной имеет большое количество витков и называется обмоткой напряжения. Ток к подвижной катушке подводится через пружинки (рис. 13, 14 ), создающие противодействующий момент. Успокоение создается воздушным или магнитоиндукционным успокоителем. Конструкция ферродинамического механизма отличается тем, что неподвижная обмотка помещена на магнитопрововоде из магнитомягкого листового материала, что увеличивает магнитный поток и повышает чувствительность прибора. При протекании токов в обмотках катушек возникает вращающий момент, поворачивающий подвижную катушку на угол φ . Вращающий момент пропорционален (для постоянных токов) произведению этих токов:

( 29 ) ,

где к_{1 –} коэффициент, зависящий от конструктивных данных прибора и взаимного расположения катушек.

Момент упругих сил в пружинах пропорционален углу поворота :

( 30 ).

При равенстве моментов

,

то есть

( 31 ).

Отсюда угол поворота подвижной катушки:

( 32 ).

Это означает, что шкала приборов данной системы будет неравномерной. В амперметрах катушки соединяются последовательно (угол поворота пропорционален квадрату измеряемого тока), в вольтметрах – параллельно.

Электродинамические (ферродинамические) приборы применяют для измерения постоянных и переменных токов (амперметры с пределами от 1,5 мА до 50 А) и напряжений (вольтметры с пределами от 1,5 до 600 В), мощности (ваттметры – от 1,5 Вт до 3 кВт) в цепях постоянного и переменного тока с частотой до 10 кГц, угла фазового сдвига между переменными токами и напряжениями. Электродинамические приборы являются наиболее точными электромеханическими приборами для цепей переменного тока (приведенная погрешность – доли процента).

Пригодность для переменного тока обусловлена тем, что направление тока в обмотках может изменяться только одновременно, поэтому независимо от направления тока подвижная катушка и стрелка измерительного механизма поворачиваются только в одну сторону. На показания приборов большое влияние оказывают внешние магнитные поля,

причем переменные магнитные поля почти не влияют на приборы для измерения

постоянных токов, а постоянные поля не влияют на приборы для измерения переменных токов. Приборы сравнительно дороги и мало устойчивы к перегрузкам, имеют неравномерную шкалу, имеют большое собственное потребление энергии.

Индукционные приборы

Принцип действия основан на воздействии магнитных полей токов, протекающих по двум обметкам, с магнитным полем тока, индуцируемого в подвижной части, находящейся между этими обмотками ( выполнена в виде алюминиевого диска – рис.15). Приборы данной системы используются в счетчиках электрической энергии в цепях переменного тока.

Электростатические приборы

Вращающий момент возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной (рис.16). Применяются для измерения постоянного и переменного напряжений.

Если к подвижным и неподвижным пластинам приложить напряжение, то они окажутся заряженными противоположными по знаку зарядами. В результате подвижные пластины будут притягиваться к неподвижным , т.е. буду втягиваться в пространство между неподвижными. Угол поворота оказывается пропорциональным квадрату измеряемого напряжения, то есть шкала нелинейная. Линейность шкалы достигается для значительной части диапазона измерений за счет пластин специальной формы.

Позволяют измерять высокие напряжения, имеют малое собственное потребление энергии (на постоянном токе оно равно нулю), отсутствует влияние магнитных полей, слабая зависимость от температуры окружающей среды, частоты и формы измеряемого напряжения, пригодны для измерения постоянных и переменных напряжений. Но при этом имеют малую чувствительность и сильно подвержены влиянию электростатических полей.

Таким образом, по принципу действия различают аналоговые приборы следующих систем: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, ферродинамические, индукционные, вибрационные, электростатические, тепловые.

Таблица 4. Обозначения на шкалах электроизмерительных приборов

Литература

1. Авдеев Б.Я. и др. Основы метрологии и электрические измерения. Л: Энергоатомиздат, 1987.-470с.
2. Практикум по общей физике. / Под ред. проф. В.Ф.Ноздрева. – М .:Просвещение. 1971, с. 154-167
3. Телеснин Р.Ф.: Яковлев В.Ф.: Курс физики. Электричество. М.: Просвещение, 1970.-488с.
4. Валяева З.Ю.Вводные методические указания к выполнению работ в лабораторном физическом практикуме по электромагнетизму: УГПИ, 1994.-30с.
5. Гершензон Е.М. и др. Электродинамика.- М.:Академия, 2002.-352с
6. Бурсиан Э.В. Физические приборы.- М.: Просвещение, 1984.-271с.

Методические указания к лабораторной работе

«Изучение электроизмерительных приборов.

Расширение пределов измерения электроизмерительных

приборов»

Составитель – кандидат педагогических наук, доцент

Самохина Светлана Сергеевна

Ответственный за выпуск – кандидат физико-математических наук, доцент

Кудрявцев Юрий Николаевич

Редактор Пыркина Ю.А. План Университета 2008. Поз.

Подписано к печати Формат бумаги 60х90 1/16

Бумага газетная Печ. л. Уч.-изд.л.

Усл. кр. отт. Печать оперативная Тираж 100 экз.

Бесплатно Заказ №

Ротапринт Ульяновского государственного педагогического университета имени И.Н.Ульянова

432700, Ульяновск, пл. 100-летия В.И.Ленина, 4