Градуирование амперметра и вольтметра (стр. 3 )

2.4.2 Вольтметр

Для получения вольтметра необходимо подключить гасящий резистор (добавочное сопротивление) последовательно с гальванометром.

Схема амперметра приведена на рисунке.

Вольтметр включается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии, на котором производится измерение разности потенциалов. Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение. Чтобы вольтметр своей нагрузкой не вносил погрешность в измерения его внутреннее сопротивление должно быть как можно больше. В некоторых специальных случаях применяют даже электронные усилители тока, что бы повысить входное сопротивление вольтметра

Для измерения больших напряжений в вольтметр встраивают добавочные сопротивления или делители напряжений, или используют вольтметр совместно с этими устройствами или измерительным трансформатором напряжения.

Если к гальванометру не подключено никаких дополнительных резисторов, то его можно считать как амперметром, так и вольтметром (в зависимости от того, как гальванометр включен в цепь и как интерпретируются показания).

2.5 Современное состояние приборостроения.

В современных условиях аналого-цифровые преобразователи и приборы с цифровой обработкой сигналов и числовой индикацией величин заменяют гальванометры в качестве измерительных приборов, особенно в составе универсальных (Авометров) и в механически сложных условиях работы.

2.6 Необходимость измерений и испытаний.

В современном высокотехнологичном мире безопасность людей напрямую зависит от состояния и работоспособности электрических приборов. Не замеченное нарушение изоляции, снижение сопротивления деталей электроники, неисправность проводки, вот далеко не полный перечень неисправностей, результатом которых может стать короткое замыкание и пожар. Следить за состоянием электрических приборов и вовремя обнаружить неисправность - работа измерительных приборов, и точность их показаний является важнейшим параметром.

Глава 3 Исследовательская часть.

3.1 Исходные данные и общие расчёты.

Итак, имеется: амперметр, вольтметр, проволока из сплава марки Х20Н80, батарея, резистор с известным сопротивлением, электронный мультиметр.

Для проведения  необходимых исследований по градуированию амперметра и вольтметра измерим сопротивления приборов используемых в опыте, ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.

Для этого, при помощи электронного мультиметра измерим:

- Электродвижущую силу (ЭДС) источника питания - 4,45В;

- Сопротивление амперметра - 0,2Ом;

- Сопротивление вольтметра - 5,9кОм.

1.Внутреннее сопротивление источника найдем, собрав электрическую цепь в соответствии со схемой 1.

схема 1.

При помощи вольтметра измерим ЭДС источника при разомкнутом ключе. Подключив известное сопротивление и замкнув ключ, измерим силу тока в цепи и напряжение на концах проводника. Далее вычислим внутреннее сопротивление источника тока (r), получив значение ЭДС()=4,45 В, силы тока I=0,36А и подключив резистор с известным сопротивлением R=12Ом (из набора).

Искомые значения подсчитаем по формуле (2), которая является следствием Закона Ома для полной цепи (1)

  (1)

  (2)

Это значит, что внутреннее сопротивление источника равно разности отношения ЭДС источника к силе тока и внешнего сопротивления цепи.

Вычислим значение внутреннего сопротивления источника тока (r):

2. Для проведения опыта будем использовать проволоку из сплава "Нихром", марки Х20Н80, диаметром d=1,2 мм. Согласно справочным данным удельное сопротивление нихрома  . Для того, чтобы производить расчеты  необходимо узнать длину проволоки, которая создает сопротивление 1 Ом. Для этого будем использовать формулу (3), позволяющую рассчитать сопротивление любого проводника

,

где q - это удельное сопротивление нихрома,

l-  длина проволоки,

s - площадь её поперечного сечения.

Из формулы сопротивления проводника получим формулу длины проволоки известного сопротивления (4):

, 

площадь поперечного сечения получим из формулы (5), позволяющей рассчитать площадь круга:

,

где =3,14; – радиус проволоки. По формуле (5) подсчитаем площадь поперечного сечения исходного проводника

S = 3,14*(0,5*1.2)2 = 1,13мм2.

Таким образом, используя формулу(4), получаем

, т. е. чтобы создать сопротивление в 1Ом,  нужно 1,03 метра проволоки из сплава "Нихром", марки Х20Н80. Отсюда следует, что для создания необходимого сопротивления в 2 Ом нужно 1,03*2=2,06 метра проволоки и т. д.

3.2 Градуирование амперметра.

3. Возьмем минимальное сопротивление (1Ом) и высчитал силу тока по закону Ома для полной цепи (6):

в этой формуле r - сопротивление источника, а r'- сопротивление амперметра=0,2Ом.

Но предел измерений амперметра  - 2А, а подсчитанные  показания - 2,75А, поэтому и сопротивление нужно создать большее, чтобы не выйти за пределы измерения, градуироваемого амперметра.

4. Рассчитаем величину сопротивления и длину проволоки, необходимые для получения величины силы тока - 2А. Сопротивление высчитаем по формуле (7), являющейся следствием закона Ома для полной цепи (6):

  (7)

,

тогда длина проволоки, необходимая для создания сопротивления при котором ток в цепи 2А

l=1,8Oм*1,13мм2/1=1,85м.

5. Принимаем решение градуировать амперметр с шагом значений шкалы - 0,2А. Результаты расчётов приведены в таблице:

Таблица 1.

Ток, А	Сопротивление, Ом	Длина, м.
2	1,8	1,85
1,8	1,84	1,9
1,6	2,15	2,21
1,4	2,54	2,61
1,2	3,1	3,18
1	3,8	3,9
0,8	4,9	5,03
0,6	6,7	6,9
0,4	10,4	10,7
0,2	21,4	22

На диаграмме графически представлена зависимость тока от сопротивления.

Зависимость не линейная, так как в цепи еще участвуют внутреннее  сопротивление амперметра и источника. При малых значениях сопротивления они будут играть большую роль. И наоборот, при больших значениях сопротивления сопротивление источника и амперметра влияют на показания амперметра меньше. Поэтому если продлить график, он будет все более прямолинейным.

6. Соберем электрическую цепь в соответствии со схемой 2,

схема 2.

где присутствовал амперметр, источник и проволока из сплава "Нихром", марки Х20Н80,  с отметками длин в соответствии с таблицей.

На проволоке сделаем отметки расчётных длин согласно  таблице. Снимем с амперметра крышку. В промежуток между стрелкой и заводской шкалой вставим чистый бумажный лист. Отметим карандашом нулевое положение стрелки. С помощью зажимов замкнем электрическую цепь на участке соответствующем показанию - 2А. Зафиксируем положение стрелки прибора.  Замыкаем цепь кратковременно, чтобы не разряжать источник, в нашем случае батарею. После чего замыкаем цепь на следующем участке длины, отмечаем положение стрелки прибора. То же самое проделываем и с другими известными по таблице длинами, отмечая на амперметре значения. В результате исследования  получаем проградуированную шкалу амперметра. При сравнении с заводской шкалой амперметраполучаются минимальные отличия.