Электр өлшеуіш құралдарының жіктелуі.

ЛАБОРАТОРИЯЛЫҚ ЖҰМЫС.

ЭЛЕКТР ӨЛШЕУІШ ҚҰРАЛДАРЫНЫҢ ПРИНЦИПІМЕН ТАНЫСУ.

Жұмыстың мақсаты: электр тізбектеріндегі шамаларды - ток күшін, кернеуді, кедергіні, қуатты, жиілікті өлшейтін құралдардың жүйелерімен, құрылысы және жұмыс істеу принциптерімен танысу, өлшеу шегін, бөліктерінің құнын, сезімталдығын т. б. сипаттамаларын анықтау.

Керекті құрал мен жабдықтар: электр өлшегіш аспаптар жиыны, жалғайтын сымдар, шунт, қосымша кедергі.

Ысқаша териялық кіріспе.

Электрге байланысты жалпы практикумда әр түрлі тізбектерді бақылап зерттеу үшін ток күшін, кернеуді, қуатты, электр зарядын, тербеліс жиілігін т. б. шамаларды өлшеуге тура келеді. Әдетте әртүрлі шамаларды өлшеу үшін сан алуан электр өлшеуіш құралдар қолданылады. Барлық электр өлшеуіш құралдар мынадай негізгі белгілермен топтастырылады:

А. Өлшейтін шамалардың түріне байланысты-амперметр, вольтметр, омметр, ваттметр т.с.с;

Б. Белгіленуіне қарай- эталондық, лабораториялық, өнеркәсіптік, үлгілік;

С. Өлшенетін тогына қарай-тұрақты ток және тұрақты-айнымалы ток үшін;

Г. Әсер ету принциптеріне байланысты: магнитоэлектрлік, электромагниттік, электродинамикалық, индукциялық, жылулық, электростатикалық т. б.;

Д. Көрсету дәлдігінің дәрежесіне (дәлдік классына) қарай: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0;

Е. Көрсетуінің формасына қарай-санды және аналогты (стрелкалы аспап).

Қазіргі кезде отандық өнеркәсіп орындары шығаратын күрделі құрастырылған аспаптардың көмегімен электр тізбегіндегі бірнеше электр шамдарды өлшеуге болады. Осылардың ішінде тәжірибеде осцилограф ерекше орын алады. Оның көмегімен шапшаң электрлік процестерді зерттеуге болады.

Электр өлшеуіш құралдарының жіктелуі.

Өлшеу принципі негізделген физикалық құбылыстарға байланысты құралдар жүйелерінің жіктелуі төмендегі 1.1-кестеде берілген. Электр өлшеуіш құралдардың шкаласына түсірілген шартты белгілері:

1.1-кесте

Аттары
Қозғалмалы рамкалы магитоэлектрлік құрал /аспап/
Түзеткіштік магнитоэлектрлік құрал
Электромагниттік құрал
Электродинамикалық құрал
Электростатикалық құрал
Жылулық құрал
Тік шкала орны: Горизанталь шкала орны:
Горизанталь шкала орны
Тұрақты ток: Айнымалы ток:
Құралдың изоляциясы 2кВ тесіп өту кернеуіне тексерілген
Дәлдік класы	0,5

Магнитоэлекрлік құралдар жүйесі - тұрақты ток тізбегінде ток күші мен кернеуді өлшеу үшін қолданылады олардың көптеген құндылығы бар: сезімталдығы мен дәлдігі жоғары, шкаласы біркелкі (бірқалыпты) және аз қуат (энергия) қабылдайды.

Мұндай жүйе 1.1-суретте кәдімгі таға тәріздес магниттен және оның полюс ұштарының /1/ арасына бекітілген жұмсақ темірден жасалған цилиндр тәріздес өзекшеден /2/ тұрады. Тұрақты магнит пен өзекше арасындағы ауа саңылауында оңашаланған жіңішке сымнан оралған қозғалмалы рамка /3/ орналасқан. Ол цилиндр өзекше осі ұштарына бекітілген, сондықтан ол өзосі арқылы еркін айнала алады. Спираль тәріздес серіппе /4/ раманың бұрылуына қарсы әсер етуші момент тудырады. Тыныштандырушы /демпфер/ ретінде раманың аллюминийден жасалған қаңқасы тікелей пайдаланылады, себебі онда магнит өрісінде айналу кезінде тежеуші құйын ток пайда болады.

1.1-сурет.

Құралды электр тізбегінде қосқанда рамкада электр тогы пайда болады. Тұрақты магниттің магнит өрісінің рамка тогына әсері рамканың айналу моментін туғызады, ол рамка тогына тура пропорционал:

(1)

Мұндағы -айналу моменті, - рамкадағы ток, - пропорционалдық коэффицент, рамканың мөлшеріне, саңылаудағы магнит өрісінің индукциясына байланысты. Айналу моментінің әсерінен рамка бұрылады, спираль серіппе үйіріледі де қарсы әсерлі момент туғызады.

(2)

Мұндағы -серіппенің қасиеттеріне байланысты коэффицент, -рамканың бұрылу бұрышы. Рамкаға әсер етуші, айналдырушы және қарсы әсер етуші моменттер тең болған кезде, рамка тепе-теңдік күйде болады, = , сондықтан = . Осыдан:

(3)

Бұл теңдеуден магнитометрлік құралдардың стрелкасының бұрылу бұрышы -ның рамка арқылы өтетін I токқа пропорционалдығын көреміз, сондықтан да құрал шкалаларды бірқалыпты орналасқан.

Бұндай жүйелі құралдардың қысқыштарында, электр тізбегіне дұрыс қосу үшін, «+» және «-» таңбалар қойылған. Құралдардың өзіндік магнит өрісі күшті болғандықтан, сыртқы магнит өрістері олардың көрсетуіне аз әсер етеді. Жоғарғы сезімталдығынан мұндай құралдар энергияның да аз жұмсайды. Міне осы жағдай оларды артық күштерге төзімді етіп құрастыруға мүмкіндік береді.

Электромагниттік құралдар жүйесі- тұрақты және айнымалы токтар тізбектерінде кеңінен пайдаланылады. Бұл құралдардың айырмашылығы құрылысының жабайылылығы, оның күштерге беріктілілігі мен орнықтылылығында.

1.2-сурет.

Бұл жүйенің өлшеуіш механизімі 1.2-суретте көрсетілген. Қозғалмайтын жазық катушка 1-оның орамы оңашаланған саңылау қалдырылған мыс сымнан жасалған, осы саңылауға ось 3-арқылы жұмсақ болаттан немесе пермаллойдан жасалған диска 2-тәріздес өзекше орналасқан. Оське стрелка 4-және қозғалушы дискіні теңестіретін қарсы салмақ, қарсы әсер етуші серіппе немесе ауа тыныштандырушы- сының поршені бекітілген.

Электр тізбегіндегі токты немесе кернеуді өлшегенде құрал орамнан ток өтеді. ол магнит ағынынын тудырады, бұл ағын өзекшені мегниттейді, сонның нәтижесінде ол орам саңылауына тартылады. Өзекшенің тартылуының әсері орамның магнит өрісіне және өзекшенің магиттелуіне байланысты. Бұл екі шама да орамдағы токқа пропорционал.

Сондықтан айналу моменті және құрал стрелкасының бұрылу бұрышы өлшенетін I ток күшінің квадратына пропорционал болады:

(4)

мұндағы және құрал элементтерінің құрастырылуына байланысты пропорционалдық коэффиценттер.

Бұл теңдеулерден электромагниттік жүйелі құралдардың шкалалары бірқалыпсыз екенін көреміз. Оның үстіне, токтың түріне байланысты- тұрақты, айнымалы – шкалаларының градуйровкасы әртүрлі болады.

Электромагниттік жүйенің магнит өрісінің әлсіздігінен, олардың өлшеуіш механизімі сезгіштігі аз болады. Осы себептен бұндай құралдарды сыртқы магнит өрісінің әсерінен ферромагнитті /экран/ қалқан көмегімен қорғайды.

Электродинамикалық құралдар жүйесінде - жүретін екі орамның өзара әсерлесуі пайдаланылады. 1.3 суретте электродинамикалық ваттметр бейнеленген.

Кедергісі аз бірінші үлкен орам – электр тізбегіне жалғанған. Бұл орам арқылы өтетін ток I, тізбектегі өлшенетін токпен бірдей; осы ток орамды индукциясы болатын магнит өрісін тудырады, және ток І-ге пропорционал.

1.3 сурет.

Үлкен катушка (орам) ішінде оған перпендикуляр оське кедергісі мол кіші орам орналастырылады, ол тізбекке параллель қосылады –вольтметр қызметін атқарады. Осы кіші орамдағы ток кернеудің түсуі -ге пропорционал. Бірінші орамның магнит өрісі екінші орамға белгілі бір бұрылу моментімен әсер етеді, ол магнит индукциясы -ға және екінші орамдағы ток , пропорционал, басқаша айтқанда

, ал сондықтан болады.

Екінші орам бұрылуынан спиральді серіппе созылады, сондықтан бұрылу моменті / / серпімді күш моментімен / / теңеседі. Міне осы кезде орамның бұрылу бұрышы / / және онымен байланысқан стрелканың бұрылу бұрышы:

болады,

Яғни басқаша айтқанда бұрылу бұрышы токтың тізбекте бөлінетін қуатына пропорционал.

Электродинамиклық, электромагниттік құралдар сияқты магнит өрісінің әсеріне сезімтал, сондықтан олар қорғағыш қалқанмен немесе астатикалық механизммен жабдықталады. Бұдан басқа, олар үшін шегінен артық күш жіберуге болмайды және құралдар құны қымбат. Бірақта, магнит өрісінде болаттың – сызықтық емес элементтің - болмауының арқасында электродинамикалық құралдар аса дәлдікпен жасалады, олардың класы 0,2, тіпті 0,1 бола алады. Басқа да, сирек қолданылатын құралдар жүйелері бар, бірақ оларға біздер тоқталмаймыз.

3. Өлшеуіш құралдардың негізгі сипаттамалары.

Құралдардың басты тетігіне өлшеуіш және есептеуші құрылғылар жатады. Өлшеуіш құрылғылар әртүрлі болады, өлшенетін шамалардың түріне және құралдардың әсер ету принципіне байланысты. Көп тараған көрсеткіш құралдардың есептеу тетігі /құрылғысы/ шкала және көрсеткіш /стрелка/ түрінде жасалады. Құралдың көрсетуін есептеген кезде бақылаушының көзі шкала жазықтығына нормаль болу керек.

Өлшенетін шаманың мәнін анықтамас бұрын, құралдың бөлшегінінің құнын, дәлдігінің класын анықтау қажет. Құрал шамасының бөліктерінің құны С - саны жөнінен көрсеткішінің /стрелканың/ бір бөлікке бұрылуына қажетті өлшенуші шаманың мәніне тең болады. Бөлік құнын анықтау үшін шкала бөліктерінің жалпы саны N-ді және өлшенетін шаманы ең көп өлшеу шегін , яғни, стрелканы шкаланың барлық бөліктеріне бұрылуын білу қажет:

(5)

мұнда N - шкаланың жалпы саны.

Берілген құралдың өлшеу шегін құрал бетіндегі шкаласынан /бір шекті құралдар үшін/, немесе тізбекке қосу қысқаша жанынан, немесе диапазондарын ауыстыру /көп шекті құралдар үшін/ кілтін жанынан көруге болады. Кейде көп шекті құралдар әртүрлі шкалалармен қамтамасыз етіледі.

Есептеу құралды қосыуға байланысты шкала бойынша алынады. Ал егер көп шекті құралдардың бір ғана шкаласы болса, өлшеу диапазонының өзгеруіне сәйкес шкала бөліктерінің құныны да өзгереді. Құралдың көрсетуі, өлшенетін шаманы сипаттайтын мәні , есептелген бөлікті /стрелканың бұрылып тоқтаған бөлігі/ шкала бөлігінің құнына С- көбейткенге тең болады:

(6)

Құрал бөлшегінің құнының кері шамасы S-ті құралдың сезгіштігі деп атайды:

(7)

Өлшеуіш құралдың дәлдігі оның көрсетуінің /дұрыстық/ дәрежесімен анықталады, яғни өлшеу нәтижесінің өлшенетін шаманың шын мәнінен қаншалықты айырмашылығы бар екендігімен анықталады.

Өлшеу нәтижелерін мынадай жіберілген қателермен сипаттайды: абсолютті ( ) және салыстырмалы ( %). Ескерту: оларды анықтау әдістерімен механикадан таныспыз.

Стрелкалы өлшеуіш құралдардың дәлдігін бағалауға келтірілген қате пайдаланылады, ол былай анықталады:

(8)

Қалыпты жұмыс жағдайында анықталған, яғни, құралдың өзінің кемшілігінен туған, келтірілген қатені негізгі қате дейді.

Әрбір құралға, оның қандай шаманың өлшеуге тағайындалғанына көрсету сапасы мен диапазонына байланысты, мөлшерлі жіберілетін негізгі қате тағайындалады. Келтірілген мөлшерде жіберілетін негізгі қатесіне байланысты құралдарды дәлдік кластарына бөледі. ТМД-да электр өлшеуіш құралдар үшін мынадай дәлдік кластары енгізілген: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Кластары: -0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 құралдар аса жоғары, жоғары дәлдікті қажет ететін лабораториялық өлшеулерді пайдаланады және оларды п р е ц и з и о н д ы қ құралдар дейді. Құралдың класс дәлдігі (8) формула бойынша анықталған келтірілген негізгі қатесі бойынша белгіленеді. Құралдың белгілі класқа жатуы, мысалы 0,2, оның барлық жұмыс жасайтын шкала бөліктерінің жіберетін келтірілген негізгі қатесі 0,2%-тен аспайтынын көрсетеді.Кейбір Х шаманы белгілі класс дәлдігі бар құралмен өлшегенде оның абсолют негізгі қатесі /8/ формуладан анықталады:

(9)

Ал салыстырмалы қатесі

(10)

Мысалы кернеуді өлшеуге екі вольтметр алынсын, олардың класс дәлдіктері 0,5; 2,5 болсын және өлшеу шектері бірдей, /0+200/В-қа дейін деп қарастырайық. Сонда /9/ формула бойынша бірінші құралдың шкаласының кез келген бөлігіндегі абсолют қатесі , төмендегі мәннен артық болуы керек:

Ал екінші вольтметр үшін . Сөйтіп, құралдың класс дәлдігін біле отырып, әдетте ол құрал шкаласында көрсетіледі, оның көрсетуінің қатесін, ол арқылы кез келген өлшеудің салыстырмалы қатесін анықтауға болады.