Муромский институт (филиал)
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Владимирский государственный университет
Имени Александра Григорьевича и
Николая Григорьевича Столетовых»
Кафедра: «ФПМ»
Дисциплина: Физика
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5.06
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Утверждена на методическом семинаре кафедры ФПМ
Зав. кафедрой___________
Лабораторная работа №5.06
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Цель работы: изучение устройства, принципов действия и правил применения электроизмерительных приборов и методики измерения на них.
Приборы и принадлежности: различные электроизмерительные приборы, реостаты, магазин сопротивлений, источники тока. провода.
Электроизмерительные приборы принято классифицировать по нескольким признакам: 1) по принципу действия, 2) по роду измеряемой величины, и др.
По принципу действия электроизмерительные приборы подразделяются на несколько систем:
1. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ. Их действие основано на взаимодействии постоянного магнитного поля подковообразного магнита и проводника с током (катушкой). Достоинства таких приборов:
большая точность, равномерная шкала, высокая чувствительность. слабое влияние внешних магнитных полей, мало собственное потребление энергии.
Недостатки-.применение только в цепях постоянного тока. Однако применение различного типа выпрямителей позволяет использовать их для переменных токов. Чувствительны к перегрузкам.
2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ. Они основаны на взаимодействии магнитного поля катушки, по которой проходит ток, с ферромагнитным (железным) сердечником. Их достоинства.' Применение в цепях постоянного и переменного тока. выносливость в отношении к перегрузкам. механическая прочность и простота конструкции. Недостатки: Неравномерная шкала, небольшая точность, сильное влияние внешних магнитных полей, большое собственное потребление энергии.
|
3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ. Основаны на взаимодействии двух катушек с током. Их достоинства: применение в цепях переменного и постоянного тока, высокая точность, (особенно для переменных токов промышленной частоты). Недостатки: неравномерная шкала, подвержены влиянию внешних магнитных полей, значительное собственное потребление энергии.
4. ТЕПЛОВЫЕ ПРИБОРЫ. Основаны на тепловом действии тока. В настоящее время встречается очень редко.
5. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ. Основаны на взаимодействии электростатических полей и неподвижных зарядов. На практике в заводских лабораториях встречаются редко.
По роду измеряемой величины электроизмерительные приборы делятся на несколько видов:
1. АМПЕРМЕТРЫ. (Миллиамперметры, микроамперметры)-это приборы для измерения силы тока. Они включаются последовательно и по этой причине должны обладать малым сопротивлением.
2. ВОЛЬТМЕТРЫ, -приборы для измерения напряжения между двумя токами цепи. Они включаются параллельно участку цепи и по этой причине должны обладать большим сопротивлением, чтобы через них проходил небольшой ток.
3. ВАТТМЕТРЫ-это приборы для измерения мощности тока. Это как правило приборы электродинамической системы.
|
4. ГАЛЬВАНОМЕТРЫ-это приборы для измерения малых токов, напряжений и количеств энергии или как нулевые приборы, т.е. как приборы, устанавливающее отсутствие тока на определенном участке измерительной цепи. Гальванометры обладают высокой чувствительностью. Подвижная часть таких приборов легко подвержена даже незначительным механическим воздействиям(резкие толчки, тряски и др.). По этому с гальванометрами следует обращаться осторожно.
РЕОСТАТЫИ ПОТЕНЦИОМЕТРЫ
![]() |
Реостаты служат для регулирования тока в цепи. Существует несколько типов реостатов. Наибольшее распространение получили реостаты со скользящим контактом. На реостатах обычно указывается величина его сопротивления и значение тока.на который рассчитан реостат, поэтому при включении реостата в цепь надо учитывать эти параметры.
Потенциометры или делители напряжения служат для регулировки напряжения, подаваемого на участок измерительной цепи (проводник, диод. триод и т. п.) Простейшим потенциометром может служить реостат «Е» со скользящим контактом, включенный по схеме рисунок 1. Реостат R2 - регулирует ток.
Провода от источника тока «Е» (Батарея, выпрямитель, аккумулятор и т.п.) подключаются к нижним клеймам реостата R. С помощью подвижного контакта «б» в измерительную цепь снимается напряжение с участка «аб» потенциометра. Изменяя положение контакта «б», можно в измерительную цепь подавать напряжение в пределах от
О до U max Е (ЭДС источника тока). При сборе измерительных цепей контакт «б» потенциометра ставит в такое положение, когда в цепь подается минимальное напряжение(и=0, а реостат R2 устанавливают на максимальное сопротивление
|
МАГАЗИНЫСОПРОТИВЛЕНИЙ И ЕМКОСТЕЙ
При выполнении различных измерений в измерительную цепь необходимо ввести точные значения сопротивлений. Это можно сделать с помощью магазинов сопротивлений, состоящих из некоторого числа включенных последовательно катушек с заданными сопротивлениями.,Их включают или с помощью штепселей (штепсельные) или с помощью рычажков(рычажные магазины).
Магазины емкостей состоят из набора конденсаторов известной емкости. Их устройство аналогично устройству магазинов сопротивлений.
ШУНТЫИ ДОБАВОЧНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ. МНОГОПРЕДЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ.
|
![]() |
При измерениях силы тока не всегда целесообразно, чтобы весь измеряемый ток проходил через амперметр. Тогда амперметр любой из отмеченных ранее систем снабжается шунтом. Параллельно измерительному механизму амперметра подключается известное сопротив
![]() |
ление Р (рис.2). В этом случае только определенная часть тока. проходящего в цепи, ответвляется в прибор (Ya< Y-Yg). Зная сопротивление прибора Ra и шунта Rg, можно точно измерить ток в цепи. Проградуировав амперметр с учетом точки Yg через шунт. Обычно шунты монтируются внутри корпуса амперметра. Однако их можно подключать и снаружи. Для расширения возможностей амперметра его часто снабжают несколькими шунтами, вмонтированными в прибор. Такой амперметр может быть использован для измерения различных токов. Он называется многопредельным.
![]() |
Рис. 3
При измерении напряжения с помощью вольтметра также не всегда желательно, чтобы измеряемое напряжение полностью подводилось к клеммам вольтметра. Тогда последовательно с ним включают известное добавочное сопротивление R (рис.3),которое монтируется внутри корпуса прибора, а вольтметр градуируется с учетом добавочного сопротивления. Если внутрь вольтметра вмонтировать несколько соединенных последовательно добавочных сопротивлений, то им можно измерять напряжение в разных пределах. Такой вольтметр называется многопредельным. Многопредельный прибор (амперметр или вольтметр) имеет одну шкалу. Включая его на разные пределы измерения, необходимо каждый раз найти цену деления.
Например. Вольтметр имеет четыре предела измерения: 1.5 В; 15В;
150 В; 350 В. Шкала имеет 150 делений. Надо включить прибор на 1.5 В. Это означает, что можно измерять напряжение от 1.5 В до 0. Чтобы найти цену деления «в», необходимо указанный предел(1.5 В) поделить на число делений шкалы
Зная цену деления, легко найти напряжение. Допустим, стрелка прибора стоит на делении 15, тогда напряжение
КЛАССЫТОЧНОСТИ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ.
Все электроизмерительные приборы снабжаются указателем «класса точности» (цифра в кружке на шкале приборов). Класс точности определяется максимальной ошибкой прибора, выраженной в процентах от полной ветчины шкалы. Так, амперметр класса 1.5 с полной шкалой I А измеряет протекающий через него ток с ошибкой, не превосходящей (1.5/100)*1A=15mA. Легко видеть, что ошибка 15 мА составляет небольшую долю от измеренного тока лишь при измерении токов порядка 1 А, т.е. при отклонении стрелки на всю шкалу. При отклонении стрелки на 1/2 шкалы ошибка составит уже 3% от измеряемой величины, а при измерении еще меньших токов может составить 10% или даже 20% от величины измеряемого тока. Поэтому если нужно произвести измерения с хорошей точностью, рекомендуется выбирать такой прибор, на котором измеряемый ток вызовет отклонение больше чем на половину шкалы.
Приведенный способ определения ошибки прибора по его классу точности оговорен государственными стандартами, и указывает величину максимальной погрешности, с которой прибор может быть выпущен с завода. Практически погрешности приборов всегда оказываются несколько меньше. Более того, обычно можно считать, что класс точности определяет ошибку не в долях полной шкалы, а в долях измеренного тока. Таким образом, при измерении тока величиной 0.5 А практически можно считать, что ошибка составит 1.5 % не от всей шкалы прибора, соответствующей току в 1 А (что составляет 15 мА), а 1.5 % от тока 0.5 А. т.е. 8 мА.
Точность прибора определяется значением погрешностей измерений. т.е. степенью приближения его показаний к действительному значению измеряемой величины. Различают несколько видов погрешностей:
1. АБСОЛЮТНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ. Она равна разности между показаниями прибора а, и действительным значением измеряемой величины а.
D a=a1-a
Абсолютная погрешность выражается в тех же величинах, что и измеряемая величина. Величина абсолютной погрешности постоянна по всей шкале, независимо от того равномерна она или нет.
2. ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ. Равна отношению абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины
Обычно δа выражается в процентах
3. ПРИВЕДЕННАЯ ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ. Представляет
собой отношение абсолютной погрешности D a к предельному значению измеряемой величины, т.е. к ее наибольшему значению, которое может быть измерено по шкале прибора am
(1)
По величине приведенной погрешности различают несколько классов точности электроизмерительных приборов: 0. 05; 0. 1; 0. 2; 0. 5; 1.0;
2. 5; 4. 0.
Значение класса точности указано на лицевой стороне прибора внутри небольшого кружка, зная класс точности, легко найти наибольшую абсолютную погрешность измерения.
Из (1) следует (2)
Допустим, что мы измеряем силу тока амперметром с пределом 5 А, класс точности которого 1.5. Допустим, что нам потребовалось измерить три значения тока: I = 1А. I = 2А. I = 2.5A.
По формуле (2)
Относительные погрешности измерений
Из этого примера видно, что последнее измерение 1, более точно. Следовательно, необходимо избегать измерений малых величин приборами с большими пределами измерений.
3. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПРИБОРА S. Называется отношение углового или линейного перемещения указателя (например стрелки) Х к значению измеряемой величины
Например: Измеряемый ток = 2.5 А, стрелка прибора показывает 75 делений. Следовательно
S=75/2.5=30дел/А
ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ
ЗАДАНИЕ 1. По указанию преподавателя или лаборанта подобрать 3-4 электроизмерительных прибора (амперметра или вольтметра). Для этих приборов установить: 1) систему побора; 2) класс точности; 3) пределы измерений; 4) цену деления для всех пределов измерения; 5) чувствительность; абсолютную погрешность по (2); 6) внутреннее сопротивление для каждого предела измерения. Эти данные занести в таблицу.
ЗАДАНИЕ 2. Шунтирование и градуировка амперметра. В качестве шунтируемого прибора используется миллиамперметр или милли-вольтметр(по указанию преподавателя). Максимальная сила тока I
задается преподавателем. Требуется рассчитать сопротивление Rg, шунта из медной проволоки. Для этого надо найти внутреннее сопротивление Ra прибора по предельной величине тока и напряжения,
которые должны быть указаны на шкале прибора.
Разработать и собрать схему для градуировки шунтируемого прибора с помощью контрольного амперметра. По результату измерений построить градуировочный график.
Ym=f(Yk)
ЗАДАНИЕ 3. Расчет добавочного сопротивления и градуировка вольтметра. В качестве исследуемого прибора берем милливольтметр. Находят его внутреннее сопротивление Rb также. как в задании 2. Максимальное напряжение задается преподавателем. По этим данным расчитывается добавочное сопротивлениеRg. Затем следует
Разработать и собрать схему для градуировки исследуемого прибора с помощью контрольного вольтметра. По результатам измерений построить график градуировки.
UK=f(Ug)
ЗАДАНИЕ 4. Разработать и собрать схему для проверки закона Ома для однородного участка цепи с помощью испытуемых в заданиях 2 и
3 приборов. Результаты всех измерений занести в соответствующие таблицы. Сделать вывод.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1. Дайте классификацию электроизмерительных приборов по принципу их действия и по роду измеряемой величины. "
2. Сформулируйте правила пользования амперметрами и вольтметрами.
3. Что регулирует реостаты и потенциометры? Как они включаются в электрическую цепь.
4. Что называется шунтом? Для каких приборов он предназначен? Как найти сопротивление шунта?
5. Что называется добавочным сопротивлением? Где и как оно включается?
6. Что называется приведенной ошибкой прибора?
7. Как определяется класс точности прибора? Как найти по классу точности абсолютную погрешность?
8. Что называется чувствительностью прибора?
9. Что означает градуировка прибора?
10. Сформулируйте закон Ома.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Фриш С.Э...Тиморева А.В. Курс общей физики, т.2,ШИТТЛ-М-Л.. 1949.
2. Яворский Б.М., ДетлафА.А.. Милковская Л.Б. Курс физики. Т.2 Высшая школа. М..1