Электроизмерительные приборы

Электроизмерительные приборы

Введение

Измерения занимают важное место в лабораторном практикуме курса общей физики. Прежде чем приступить к измерениям, необходимо правильно выбрать и подготовить измерительные приборы.

Процесс измерения какой-либо физической величины осуществляется путем экспериментального сравнения ее с единицей измерения этой величины.

Название прибора	Измеряемая физическая величина	Обозначения в схемах и на шкалах
Амперметр Миллиамперметр Микроамперметр Вольтметр Ваттметр Омметр Мегомметр	ток ,, ,, напряжение мощность сопротивление ,,	А mA μA V W Ω MΩ

В электрических цепях измерения производятся с помощью различных электроизмерительных приборов. Ниже приводится перечень приборов, наиболее

часто используемых в лабораториях общей физики (табл.1.).

Измерение физических величин можно осуществлять прямым или косвенным способами. При прямом способе значение измеренной величины определяют по непосредственному показанию прибора, шкала которого проградуирована в единицах измеряемого величины. Косвенный Таблица 1.

способ измерения позволяет определить значение измеряемой величины с помощью вычислений по результатам прямых измерений других величин, которые связаны с измеряемой величиной физической закономерностью, выраженной математической формулой.

Измерение физической величины прямым способом можно произвести или путем непосредственного отсчета по шкале прибора, принимаемой за эталонную (например, компенсационный или мостовой методы, подробно рассмотренные в соответствующих работах данного руководства).

При любых измерениях важно, чтобы приборы как можно меньше оказывали влияние на режим работы тех электрических цепей, в которых производятся измерения.

Наиболее часто используются стрелочные электроизмерительные приборы. Значительно реже назначение указателя в приборе выполняет световое пятно («зайчик»). Часто для повышения точности отсчета по шкале под стрелкой - указателя помещают зеркальную полоску вдоль всей шкалы. Это позволяет избежать ошибки параллакса (отсчет производят тогда, когда стрелка и ее изображение в зеркале совмещаются).

Шкала прибора может быть разделена на различное число делений. При этом говорят о цене деления шкалы, которую можно определить, разделив значение верхнего предела измеряемой величины по данной шкале, на число делений шкалы.

Любой электроизмерительный прибор характеризуется чувствительностью, т. е отношением перемещения указателя (в линейных или угловых единицах, или в числе делений шкалы) к измерения значения измеряемой величины, вызвавшей это перемещение. Чувствительность прибора численно равна величине, обратной значению цены деления шкалы.

2. Определение погрешностей измерений по классу точности приборов.

А б с о л ю т н а я п о г р е ш н о с т ь, при измерении с помощью электроизмерительного прибора определяется разностью между полученным при измерении значением величины х и „действительным” значением этой величины хо (например, измеряемой с помощью образцового прибора):

∆х = х – хо (1)

О т н о с и т е л ь н а я п о г р е ш н о с т ь измерений определяется соотношением (в процентах):

(2)

часто вместо обычной относительной погрешности используют так называемую приведенную о т н о с и т е л ь н у ю п о г р е ш н о с т ь электроизмерительного прибора :

(3)

где хпр – предельное значение измеряемой величины по шкале прибора.

По величине вносимой погрешности электроизмерительные приборы делят по к л а с с а м т о ч н о с т и. К государственным общесоюзным стандартам ( ГОСТом ) установлены восемь классов точности : 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; и 4,0. класс точности числено определяет величину максимальной погрешности при отклонении стрелки прибора на всю шкалу. Из сопоставления (2) и (3) следует:

(4)

где к – класс точности прибора.

Приборы, для которых к>4%, не классифицируются (внеклассные приборы) и обычно используются как простые индикаторы токов или напряжений.

Если учесть, что для большинства электроизмерительных приборов значение Δх практически постоянно для любого участка шкалы, то из (3) следует, что минимальная относительная погрешность будет при отсчете показаний прибора в конце шкалы. Например, если шкала прибора класса точности 0,5 имеет 100 деления, то при то при отклонении стрелки на всю шкалу относительная погрешность будет равна 0,.5%, а абсолютная будет равна 0,5% • 100 = 0,5 деления. При отклонении стрелки, например, на 20 делений величина абсолютной ошибки останется такой же ( 0,5 деления ), а относительная ошибка будет (0,5:20)•100%=25%. Для приборов с нулевой точкой посередине шкалы значение εn определяется по отношению Δх к сумме пределов измерения в обе стороны от нуля.

По известной величине ε или εn можно определить величину Δх по (2) и (3) :

Δх = 0,01·ε·х= 0,01·εn·хпр,

П р и м е р : Значение напряжения, измеренное вольтметром класса точности 1,0 с верхним пределом измерения 100 вольт, равно 10 вольт. Абсолютная ошибка в измерении величины напряжения Δх = 0,01·1,0·100 = 1 (в), т. е. истинное значение измеряемой величины заключено в пределах от 9 до 11 вольт, а относительная ошибка

(больше εn).

Электроизмерительные приборы необходимо выбирать, исходя из заданной величины относительной погрешности. Если измеряемая величина должна быть определена с точностью 2%, то могут быть использованы для измерений приборы с классом точности 1,5 и выше, но не 2,5 и ниже.

Если при косвенном способе измерения использовалось несколько приборов то конечный результат определится в основном точностью показаний прибора, имевшего наиболее низкий класс точности. Поэтому имеет смысл в эксперименте пользоваться приборами одинакового класса точности.

Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов.

На шкалах электроизмерительных приборов имеется ряд условных обозначений определяющих их те или иные технические характеристики. Наиболее употребительные обозначения приведены в таблице 1 (кроме приведенных в таблице обозначений, на шкале прибора указывается марка завода, заводской номер и год выпуска).

Краткая характеристика систем приборов

По конструкции и принципу действия все электроизмерительные приборы делятся на несколько систем. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

1.  М а г н и т о э л е к т р и ч е с к а я с и с т е м а. В поле постоянного магнита с особой конфигурацией магнитной системы вращается рамка, состоящая из нескольких витков тонкого изолированного провода. На оси рамки закреплена стрелка-указатель (или легкое зеркальце в приборах со световым пятном). Поворот стрелки - указателя обусловлен взаимодействием рамки, по которой течет измеряемый ток, с магнитным полем постоянного магнита. Угол поворота рамки в магнитном поле пропорционален току в рамке. Шкала прибора равномерная по всей длине. Устройства такого прибора показано схематически на рис.1.

2.  Э л е к т р о м а г н и т н а я с и с т е м а. Приборы этой системы имеют неподвижную катушку, через которую протекает измеряемый ток. Внутрь катушки втягивается легкий сердечник из магнитно-мягкого материала, закрепленный на вращающейся оси. С этой осью скреплена стрелка - указатель. Угол поворота стрелки определяется величиной тока в неподвижной катушке.

Характеристика прибора	Обозначение	Характеристика прибора	Обозначение
1.  Класс точности (напр., 0,5)	0,5	Электростатическая
2.  Рабочее положение: 1) Вертикальное Горизонтальное	, ,	Детекторная Тепловая
3.  Ток, на который рассчитан прибор: постоянный переменный (1 фаза) постоянный и переменный трехфазный		Электронная 6. Защита от внешних полей – экран :2) электростатический магнитный
4.  Напряжение, при котором испытана изоляция прибора (напр., 1,5 кВ)	1,5 кВ	1.  Условия эксплуатации: Закрытые отапливаемые помещения (обозначения на шкале может и не быть) Закрытые сухие не отапливаемые помещения
5.  Система прибора: магнитоэлектрическая электромагнитная электродинамическая		Полевые условия Морские условия Тропический климат

Многопредельные электроизмерительные приборы

Для измерения тока или напряжения в широком диапазоне значений электроизмерительный прибор должен иметь не один, а несколько пределов измерения. Амперметр для этого снабжается набором шунтов, подключаемых к приору параллельно с помощью переключателя (рис.2). Многопредельный вольтметр имеет несколько добавочных сопротивлений, подключаемых к нему последовательно (рис.2).

Каждому предельному значению измеряемой величины тока или напряжения соответствует определенное значение сопротивления шунта (Rш) или добавочного сопротивления (Rдоб = Rа на рис.3).

Шкалы многопредельных приборов могут быть различными. Прибор может иметь отдельную шкалу для каждого предела измерения (рис.4б). В том и в другом случае перед началом измерения, на каком - либо пределе следует определить цену деления шкалы данного предела.

 

Рис.2 Схема подключения шунтов к прибору.

Если отношение предельных значений величины двух смежных пределов (переходный коэффициент) окажется одинаковым для всех пределов измерения данного прибора, то пользование таким прибором упрощается в отношении отсчета показаний по шкале. Пусть, например, имеется прибор с пределами измерения 1,10 и 100. Тогда для всех пределов β=10, и для отсчета измеряемой величины на любом пределе достаточно знать цену деления для самого низкого предела. При переходе к другим

 

Рис.3 Схема подключения добавочных сопротивлений к прибору.

пределам значение измеряемой величины находят путем умножения отсчета по шкале на соответствующий множитель предела (х10 или х100).

Однако подобная шкала со сравнительно большим β имеет существенный недостаток: при переходе на соседний верхний предел приходится пользоваться почти всей шкалой (за исключением десятой доли в начале

шкалы для нашего примера), что как уже было показано, ведет к увеличению погрешности измерения. Поэтому рационально выбирать пределы измерений прибора с малыми значениями переходного коэффициента, тогда практически можно избавиться от необходимости использования начальной части шкалы прибора большее, несмотря на то, что отсчет приходится производить в начале шкалы. Повысить точность измерения в этом случае можно, измерив его на двух смежных пределах. Тогда значение существующего напряжения на данном к участке цепи определится по формуле:

где U1 и U2 – значения напряжений, измеренные соответственно на верхнем и нижнем смежных пределах, β – переходный коэффициент.

Следует обратить внимание на то, что при измерениях напряжения необходимо стремится к уменьшению влияния вольтметра на исследуемую цепь. Для этого нужно использовать предел, на котором внутреннее сопротивление

Рис. 5 Схема универсального шунта к прибору

Этот метод дает верные результаты, если элементы исследуемой цепи линейные, т. е. их сопротивления электрическому току не зависит от приложенного к нему напряжения. Показания прибора на обеих пределах U2 и U1 меньше Ux, т. к. внутреннее сопротивление вольтметра оказывает шунтирующее действие на участке цепи, где измеряется напряжение.

Значительно чаще для многопредельного измерения тока к измерительному прибору подключает у н и в е р с а л ь н ы й шунт (рис.5). нарушение контакта при включении прибора в цепь совершенно безопасно для измерительного элемента.

Многопредельные приборы включаются на разные пределы измерений обычно одним из следующих способов: 1 – один привод подключается к общей клемме прибора, другой – к одной из клемм, помеченных цифрами, указывающими предельное значение измеряемой величины на каждом пределе (например, 5; 10; 50 mA, рис.8); 2 – аналогичный способ с использованием гнезд вместо клемм; 3 – с помощью переключателя (рис.213). ?

Измерение во всех случаях следует начинать с самого верхнего предела во избежание порчи прибора.

Гальванометры

Гальванометры являются наиболее чувствительными приборами, служащими для измерения малых токов и напряжений. Это приборы магнитоэлектрической системы. Шкалы гальванометров не имеют градуировки, и она производится каждый раз перед началом измерений. При нулевых методах измерений (мост Уинстона, например), когда необходимо только фиксировать отсутствие тока в цепи, градуировка шкалы совсем не нужна.

Конструкция гальванометра практически мало отличается от конструкций приборов магнитоэлектрической

системы. Рамка гальванометра изготовлена из очень тонкого

Рис.6 Зеркальный гальванометр: 1- постоянный магнит; 2- железный цилиндр; 3- полюсные наконечники; 4 – нить повеса; 5 – зеркальце; 6 – шкала; 7 - осветитель провода и подвешена на тонкой упругой нити. На нити укреплено легкое зеркальце. Верхний конец нити закреплен

сверху корпуса гальванометра во вращающейся головке, обозначенной надписью «корректор». Вращая головку

, можно поворачивать рамку в зазоре постоянного магнита для установки ее в нулевое положение по шкале. На шкале гальванометра, установленной как правило на некотором расстоянии от самого прибора, видно светлое пятно – «зайчик», которое получается в результате отражения светового луча осветителя от зеркальца гальванометра. При повороте рамки (и зеркальца ) световой «зайчик» смещается по шкале. Величина смещения пропорциональна углу поворота рамки, т. е. и величине тока, протекшего через него (рис.6).

Для измерения кратковременных электрических импульсов используются так называемые баллистические гальванометры, для которых время протекания тока в рамке много меньше периода собственных колебаний рамки. Таким образом, движение рамки происходит после того, как ток в ней уже протек. Амплитуда первого отброса (максимальное отклонение «зайчика» по шкале ) пропорциональна величине заряда, протекшего через рамку. Более подробно с действием гальванометра и его характеристиками студенты знакомятся при выполнении работ данного руководства.

Ваттметр

Для измерения мощности в электрической цепи используют ваттметр (обычно электродинамической системы). Неподвижную катушку, намотанную толстым проводом, включают последовательно с тем участком цепи, для которого измеряется выделяемая током мощность (как амперметр).

Рис. 7 Схема включения ваттметра.

Подвижную катушку, имеющую большее число витков тонкого провода, подключают параллельно исследуемому участку цепи (как вольтметр).

Ток в неподвижной катушке равен величине тока через исследуемый участок цепи, в подвижной катушке величина тока пропорциональна напряжению на данном участке. Отклонение стрелки будет пропорциональна произведению сил токов в обеих катушках, или произведению силы тока через измеряемый участок на напряжение на нем (т. е пропорционально мощности, выделяемой током на этом участке).

Ваттметр имеет обычно четыре клеммы (рис.7). две из них, помеченные значками I* и U* , соединены. К этим клеммам подсоединены соответственно катушки неподвижная (токовая) и подвижная (напряжений).

Другие концы этих катушек соединяются с двумя другими клеммами, помеченными значениями силы тока и напряжения, на которые рассчитан данный ваттметр.

При сборке электрических схем в физических лабораториях используют помимо электроизмерительных приборов дополнительные электроприборы и оборудования: реостаты и потенциометры, магазины сопротивлений, переключатели, лабораторные автотрансформаторы и пр.

Перед тем, как выполнять ту или иную работу, студент должен отчетливо представлять назначение отдельных элементов схемы измерительной установки, грамотно читать принципиальные схемы и уметь надежно и правильно собирать их

Ниже приводятся краткие сведения наиболее часто используемому лабораторному по оборудованию, некоторые особенности сборки схем. Обозначения, встречающиеся на принципиальных схемах, используемых в лабораторных работах по физике, даются в таблице 3.

Р е о с т а т ы и п о т е н ц и о м е т р ы практически могут быть разной конструкции. Обычно лабораторный реостат и потенциометр представляют собой керамический цилиндр или брусок с намотанной виток поверх него высокоомной проволокой Рис. 8 Лабораторный реостат (рис.8). сверху над проволокой расположен металлический токопроводящий стержень с подвижным контактом (ползунком), скользящим по виткам. Ползунок снабжен ручкой из изолятора.

а)

Условные графические обозначения в принципиальных схемах

(Единая Система Конструкторской Документации)

НАИМЕНОВАНИЕ	ОБОЗНАЧЕНИЕ НА СХЕМЕ	НАИМЕНОВАНИЕ	ОБОЗНАЧЕНИЕ НА СХЕМЕ
Элемент гальванический аккумуляторный		Трансформатор с ферромагнитным сердечником
Батарея элементов		Трансформатор с магнитоэлектрическим сердечником
Полупроводниковый диод		Трансформатор с магнитодиэлектрическим сердечником
Заземление		Контакты реле замыкания
Соединение с корпусом		Контакты реле размыкающие
Пересекающиеся провода, электрически несоединенные		Контакты реле переключения
Ответвление или электрическое соединение проводов		Выключатель
Катушка индуктивности		Выключатель двухполюсный
Катушка индуктивности с отводами		Переключатель двухполюсный
Катушка индуктивности со скользящими контактами		Кнопки с самовозвратом
Предохранитель плавкий		Триод полупроводниковый
Магазин сопротивлений		Термопара
Резистор нерегулируемый с отводами		Диод прямого накала
Резистор нерегулируемый		Диод подогревный
Регистр регулируемый (потенциометр)		Триод
Терморезистор (термистор)		Электромагнитный экран	H
Конденсатор нерегулируемый		Электростатический экран	E
Конденсатор регулируемый		Соединение электрическое разъемное (клемма, винт и т. п.)
Конденсатор электролитический (полярный)		Штепсельный разъем
Реле (обмотка) однообмотное и двухобмотное

Эти приборы для включения в схему имеют клеммы на подвижном контакте (один из концов токопроводящего стержня) и на обеих концах высокоомной обмотки.

Если реостат включить последовательно в участок цепи, то можно будет измерят величину тока, через этот участок цепи, меняя сопротивление реостата (передвигая ползунок). Для обеспечения стабильности работы электрической цепи реостат следует включать, соединяя вывод ползунка с одним из выводов обмотки. Тогда при перемещении ползунка вдоль обмотки в случае нарушения контакта его с обмоткой разрыва в цепи не возникает, т. к. остается включенной в цепь вся обмотка (рис.8а). этот же самый прибор можно включить как потенциометр, подключив его к источнику тока обеими концами обмотки (рис.8б). В этом случае между клеммой ползунка и одним из концов обмотки можно получить регулируемое напряжение Uрег (от нуля до напряжения источника). Если проволока

обмотки однородная, то напряжение источника тока, поданное на потенциометр, распределится пропорционально сопротивлениям участков между подвижным контактом и концами обмотки. Однако это условие выполнимо лишь тогда, когда нагрузка, подключенная к потенциометру, потребляет незначительный ток по сравнению с током, текущим через всю обмотку потенциометра.

Магазин сопротивлений представляет собой набор катушек с различным сопротивлением электрическому току (от долей ома до нескольких килоом), которые с помощью коммутирующих приспособлений могут быть последовательно включены в цепь.

Наиболее употребительными являются так называемые декадные магазины сопротивлений (рис.9). такие магазины имеют несколько секций (декад). Каждая декада состоит из десяти катушек сопротивлений с бифилярной намоткой. При помощи десятипозиционных переключателей эти катушки и сами декады можно включать в цепь последовательно. Общее сопротивление каждой декады такого магазина больше (или меньше) в десять раз общего сопротивления соответствующей соседней декады. Минимальной сопротивление, которое можно получить с помощью декадного магазина, определяется сопротивлением одной катушки самой низшей декады, например, 0,1 Ома. Тогда ясно, что такой магазин позволяет изменять общее сопротивление между его клеммами на 0,1 Ома. Клеммы с помощью которых магазин подключается в цепь, обозначаются значком R, или одна из них значком О, а другая- предельной величиной сопротивления всего магазина (общим сопротивлением всех декад), например, 99999,99 ом.

П е р е к л ю ч а т е л и. В физических лабораториях чаще всего используются однополюсные и двух полюсные переключатели.

РИСУНОК(13А)

На рис.13а, б показаны внешний вид и схематической обозначение таких лабораторных переключателей. Однополюсной переключатель (б) можно использовать для поочередного включения двух цепей путем перекидывания «ножа» в одно из положений (правой или левой).

Двух полюсным переключателем (а) можно одновременно произвести переключение сразу двух независимых цепей. Часто при выполнении лабораторных работ возникает необходимость изменить направление тока в цепи. Не переключая в схеме самого источника тока, с помощью двухполюсного переключателя можно многократно менять направление тока, если использовать схему включения, изображенную на рис. 14 (выводы 3 и 6, 4 и 5 соответственно соединены перемычками). Если проследить направление тока в цепи, то видно, что при правом положении «ножей» переключатели «минус» источника тока соединяется с выводом 1, а «плюс» - с выводом 2 переключателя. Ток потечет от вывода 2 через внешнюю цепь к выводу 1. Если перебросить «ножи» в левое положение, то «плюс» источника тока окажется соединенным с выводом 1 и направление тока в цепи изменится на обратное.

Л а б о р а т о р н ы й а в т о т р а н с ф о р м а т о р (ЛАТР) предназначен для плавного регулирования переменного напряжения в пределах от 0 до 250 В при входном (сетевом) напряжении 220 В и максимальном токе нагрузки 8 А и от 0 до 220 В при входном напряжении 127 В и максимальном токе нагрузки 5 А.

Внешний вид и принципиальная схема ЛАТРа приведены на рис.15. Обмотка автотрансформатор выполнена толстым медным проводом в эмалевой изоляции виток к витку на стальном тороидальном сердечнике. На одном из торцов тороидального сердечника витке все обмотки частично очищены от изоляции. По этим виткам передвигаются подвижный контакт (токосъемник), соединенный с клеймами для подключения внешней нагрузки. В сеть с помощью обычной электрической вилки включается лишь часть обмотки, поэтому, если токосъемник установить выше (по схеме) сетевого отвода ЛАТРа, то на клеймах нагрузки напряжение будет больше, чем в сети. Меняя число витков обмотки, с которых снимается напряжение во внешнюю цепь, можно регулировать величину этого напряжения в указанных выше пределах (вращением ручки 1).

Величина выходного напряжения контролируется с помощью встроенного вольтметра, подключенного к клеммам нагрузки (некоторые конструкции ЛАТРа не имеют вольтметра).

ЛАТРы выпускаются с расчетом на разную мощность, потребляемую нагрузкой, поэтому, прежде чем использовать автотрансформатор, необходимо установить, не превышает ли потребляемый ток величину его номинального значения.

При подключении ЛАТРа в сеть 127 В или 220 В плавки предохранитель следует установить в соответствующие гнезда.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.  На каком принципе основано действие электроизмерительных приборов магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем?

2.  Какие условные обозначения наносятся на плато электроизмерительных приборов?

3.  Что такое цена деления шкалы прибора?

4.  Как по классу точности прибора рассчитать абсолютную и относительную погрешности измерения?