Аналоговые и цифровые электроизмерительные приборы
АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Лабораторная работа № 1
Минск, 2012
УДК 621.317.7.(076.5)(075.8)
ББК 31.221.я7
М 54
Составители:
В.В. Черный, Э.Н. Александрова, Д.С. Доманевский, В.Э. Малаховская, Ю.В. Развин.
Рецензенты:
К.Л. Тявловский, И.К. Султанова
М 54. Аналоговые и цифровые электроизмерительные приборы. Сост. В.В. Черный [и др.] – Мн.: БНТУ, 2012. – 26 с.
Пособие содержит описание (теоретическую часть, схемы измерительных приборов и задание) лабораторной работы, посвященной изучению аналоговых и цифровых электроизмерительных приборов.
Пособие предназначено для студентов инженерных специальностей, изучающих раздел “ Электричество и магнетизм ” курса общей физики.
ISBN 978-985-479-581-2 ã. БНТУ, 2012
Лабораторная работа №1.
Аналоговые и цифровые электроизмерительные приборы
Цели работы:
1. Изучить физические принципы действия, основные характеристики и схемы включения аналоговых электроизмерительных приборов.
2. Изучить физические принципы действия и основные характеристики цифровых электроизмерительных приборов.
Задачи работы:
1. Определить основные характеристики аналогового и цифрового электроизмерительных приборов.
2. На основе электромеханического аналогового прибора собрать и исследовать миллиамперметр постоянного тока и вольтметр постоянного напряжения и определить их классы точности.
Введение
Измерения силы электрического тока и напряжения являются наиболее распространенными видами электрических измерений. В зависимости от вида тока, его формы, частоты применяются различные методы и приборы для измерения. Наиболее часто используются методы непосредственной оценки и сравнения.
При непосредственной оценке используют электроизмерительные приборы со стрелочным или цифровым способом отсчета. Метод сравнения реализуется в различных компенсационных устройствах. Принцип этого метода состоит в том, что неизвестное напряжение уравновешивается (компенсируется) известным напряжением. Данный метод обладает более высокой точностью.
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.
Рис. 3. Устройство приборов электромагнитной системы: 1– катушка; 2 – сердечник; 3 – ось; 4 – спиральная пружина; 5 - стрелка; 6 – шкала.
Выпрямительные приборы
Как отмечалось, магнитоэлектрические приборы пригодны только для измерений в цепях постоянного тока. Возможность измерений в цепях переменного тока с помощью таких приборов достигается путем преобразования переменного тока с в пульсирующий ток (направление тока постоянно, а величина изменяется). Это достигается с помощью выпрямителей на основе полупроводниковых диодов. В схеме однополупериодного выпрямителя (рис 4а) через измерительный механизм проходит только положительная полуволна, что определяется включением полупроводникового диода в соответствующей полярности. В двухполупериодной схеме выпрямителя (рис 4б) ток проходит через измерительный механизм в обе половины периода.
Рис. 4. Выпрямитель переменного тока; а,б,в – однополупериодная схема; г,д,е – двухполупериодная схема.
Выпрямительные приборы измеряют некоторое усредненное значение силы тока или напряжения. При использовании двухполупериодного выпрямителя величина измеренной постоянной силы тока (или напряжения), называемой средневыпрямленной, определяется формулой:
Для синусоидального тока Ic = 0,637*Im, где Im - амплитудное значение тока. На практике используют среднеквадратичное значение тока или напряжения,
называемое действующим или эффективным:
Действующим называют такой постоянный ток (напряжение), который выделяет такую же тепловую мощность на активном сопротивлении, что и переменный ток.
Величины Iэф и Iс связаны соотношением: Iэф @1.11*Iс.Шкала выпрямительных приборов нелинейна.
Шунты к амперметру
Ток, вызывающий отклонение подвижной части прибора на всю шкалу, называется током полного отклонения I0. Если с помощью амперметра необходимо измерить силу тока I больше, чем I0, к нему параллельно подключается дополнительное сопротивление Rш, называемое шунтом (рис 8)
.
Рис. 8. Подключение шунта к амперметру.
Измеряемый ток разветвляется и только часть его проходит через измерительный прибор. Так достигается расширение предела измерений амперметра. По первому правилу Кирхгофа величины токов связаны соотношением:
, (12)
где I – сила измеряемого тока, Ip – сила тока, текущего через измерительный механизм (рамку) прибора, Iш – сила тока, текущего через шунт.
По второму правилу Кирхгофа имеем:
, (13)
где r - сопротивление рамки амперметра, Rш – сопротивление шунта. Из (12) и (13) следует, что
. (14)
Выражение (14) позволяет определить Rш, при котором отклонение стрелки измерительного прибора на всю шкалу будет соответствовать требуемому пределу измерения силы тока Iпр. Иначе говоря, при I = Iпр ток через амперметр Iр будет равен току полного отклонения: Iр = I0. В таком случае выражение (14) принимает вид:
. (15)
На практике используют коэффициент шунтирования (или коэффициент растяжения предела измерений) n для данного значения Iпр, который равен
(16)
Тогда выражение (15) принимает вид:
. (17)
С данным шунтом цена деления амперметра также возрастет в n раз.
Задание
1. Определить основные характеристики аналогового прибора.
2. Определить характеристики цифрового вольтметра.
3. По формулам (16) и (17) определить коэффициент шунтирования n и сопротивление шунта Rш для создания на основе стрелочного прибора амперметра с пределом измерения Iпр = 1,5 мА. Исследовать данный амперметр.
4. По формуле (19) определить величину добавочного сопротивления для создания вольтметра постоянного тока с пределом измерения Uпр = 5В. Исследовать данный вольтметр.
Контрольные вопросы.
1. Что такое аналоговые и цифровые приборы?
2. Приведите основные характеристики электроизмерительных приборов.
3. Принцип действия и устройство электромеханических измерительных приборов.
4. Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров постоянного и переменного тока.
5. Каков принцип действия и устройство цифрового вольтметра с времяимпульсным преобразованием?
6. Как расширить пределы измерения амперметра и вольтметра? Получите формулы для сопротивления шунта и для добавочного сопротивления.
7. Как расширить предел измерения вольтметра? Получите формулу для добавочного сопротивления.
Литература
1. Хромой Б.П., Моисеев Ю.П. Электрорадиоизмерения. – М.:Радио исвязь, 1985. – с. 30 – 70.
2. Детлаф А.А.,Яворский Б.М. Курс физики. – М.:Высш. шк., 2001, с. 293 – 296.
3. Мирский Г.Я. Электронные измерения. – М.: Радио и связь, 1986, с. 152 – 207.
4. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. – М.: Мир. 1990, с. 112 – 146.
5.
АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Лабораторная работа № 1
Минск, 2012
УДК 621.317.7.(076.5)(075.8)
ББК 31.221.я7
М 54
Составители:
В.В. Черный, Э.Н. Александрова, Д.С. Доманевский, В.Э. Малаховская, Ю.В. Развин.
Рецензенты: