Приборы различаются по следующим признакам:
1. По конструкции – аналоговые и цифровые.
2. По роду измеряемой величины – амперметры, вольтметры, омметры, ваттметры и многие другие.
3. По роду тока – для работы на переменном токе, на постоянном токе или на обоих.
4. По принципу работы измерительного механизма – магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, электродинамические, ферродинамические и др.
5. По способу предъявления информации – показывающие, регистрирующие, интегрирующие.
Последняя классификация получила название системы электроизмерительных приборов. В данной лабораторной работе мы рассмотрим только магнитоэлектрическую и электромагнитную системы.
Принцип работы электроизмерительных приборов магнитоэлектрической системы заключается во взаимодействии магнитного поля легкой подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток, с магнитным полем неподвижного постоянного магнита. Подвижная катушка механически соединена со стрелкой прибора.
Достоинством приборов этой системы являются:
- Высокая чувствительность и точность измерения
- Равномерная шкала
- Малое потребление мощности.
Существенным недостатком можно считать невозможность работы в цепях переменного тока (без использования выпрямителей).
Принцип работы электроизмерительных приборов электромагнитной системы заключается во взаимодействии ферромагнитного сердечника, соединенного со стрелкой, с магнитным полем неподвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток.
Достоинством приборов этой системы являются:
- Простота и надежность конструкции
- Возможность использования в цепях постоянного и переменного тока
- Низкая чувствительность ко внешним магнитным полям
Недостатки приборов электромагнитной системы:
|
|
- Малая чувствительность
- Неравномерная шкала.
Изо всех типов электроизмерительных приборов в данной работе нас будут интересовать только вольтметры и амперметры.
Амперметр служит для измерения силы тока в электрической цепи и включается в цепь последовательно.
Вольтметр предназначен для измерения напряжения на участке цепи и включается в цепь параллельно этому участку.
При включении приборы не должны вносить заметных изменений в параметры цепи. Это значит, что амперметр должен обладать как можно меньшим сопротивлением, а вольтметр – как можно большим.
Основными параметрами электроизмерительных приборов являются:
1. Система
2. Предел измерения – максимальное значение величины, соответствующее отклонению стрелки прибора до конца шкалы. Измеряется предел измерения в тех единицах, которые обозначены на шкале прибора. Электроизмерительные приборы могут иметь несколько пределов измерения – многопредельные приборы. Выбор нужного предела производится переключателями пределов в соответствии с ожидаемыми значениями измеряемой величины. Рекомендуется начинать измерения всегда с больших пределов, постепенно увеличивая чувствительность прибора до необходимого уровня. В противном случае можно легко уничтожить прибор, если его предел измерения будет выбран слишком малым, а значения измеряемой величины окажутся неожиданно высокими.
3. Цена деления шкалы прибора – это отношение значения измеряемой величины к числу делений шкалы, на которое отклонилась стрелка прибора. Вычисляется цена деления прибора по формуле
|
|
(7)
где C - цена деления шкалы, A - значение измеряемой величины, n- число делений, на которое отклонилась стрелка прибора. Измеряется цена деления в единицах шкалы на деление, например, у вольтметра 
. Следует помнить, что цена деления многопредельных приборов на каждом пределе различна!
4. Чувствительность прибора – это отношение линейного перемещения стрелки прибора к значению измеряемой величины, вызвавшей это перемещение. Вычисляется чувствительность прибора по формуле
(8)
где S- чувствительность прибора,A- значение измеряемой величины,n- число делений, на которое отклонилась стрелка прибора. Измеряется чувствительность в делениях на единицу шкалы, например, у вольтметра 
. Как видно из формул (7) и (8), чувствительность прибора и цена деления шкалы являются взаимно обратными величинами. Чувствительность многопредельных приборов также своя для каждого предела измерения.
5. Абсолютная погрешность прибора – величина, равная модулю разности показания прибора и истинного значения измеряемой величины. Вычисляется абсолютная погрешность по формуле
(9)
где ∆A- абсолютная погрешность прибора, Ā - истинное значение измеряемой величины,A- измеренное с помощью прибора значение величины. Измеряется абсолютная погрешность в тех же единицах, что и сама измеряемая величина.
6. Относительная погрешность прибора – это отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины
(10)
где δA- относительная погрешность прибора, ∆A - его абсолютная погрешность, Ā - истинное значение измеряемой величины. Относительную погрешность прибора принято выражать в процентах. На шкалах электроизмерительных приборов символ процента, как правило, не ставится.
|
|
7. Класс точности прибора представляет собой его приведенную относительную погрешность. Вычисляется класс точности по формуле
(11)
где Ɣ- класс точности прибора, ∆A - его абсолютная погрешность прибора, 
- предел измерения. Класс точности прибора принято выражать в процентах. На шкалах электроизмерительных приборов символ процента, как правило, не ставится.
Из формулы (11) видно, что при малом отклонении стрелки прибора точность измерений уменьшается. Для повышения точности рекомендуется проводить измерения таким образом, чтобы стрелка прибора находилась во второй половине шкалы.
Расширенные возможности использования электроизмерительных приборов достигаются за счет их многопредельности. Многопредельность – это разбиение одного диапазона измерения физической величины на несколько поддиапазонов, в каждом из которых прибор имеет свою чувствительность. Использование нескольких диапазонов измерений делает прибор более универсальным, в каждом диапазоне чувствительность прибора может быть сделана наиболее оптимальной. Технически многопредельность приборов достигается двумя способами:
- Шунтированием
- Применением измерительных трансформаторов.
Для расширения предела измерения амперметра параллельно ему подключается резистор (шунт), сопротивление которого связано с внутренним сопротивлением амперметра соотношением
(12)
где Rш– искомое сопротивление шунта, Rа– внутреннее сопротивление амперметра,I– новое значение предела измерения прибора,I0– номинальное значение предела измерения прибора.
Для расширения предела измерения вольтметра последовательно с ним включается добавочный резистор, сопротивление которого связано с внутренним сопротивлением амперметра соотношением
(13)
где Rд– искомое добавочное сопротивление, RV– внутреннее сопротивление вольтметра, U- новое значение предела измерения прибора,U0- номинальное значение предела измерения прибора.
Предлагаем читателям вывести формулы (12) и (13) самостоятельно, используя закон Ома для участка цепи и соотношения для цепей с последовательным и параллельным соединением.
Использование измерительных трансформаторов для расширения пределов измерения приборов выходит за рамки настоящей лабораторной работы. Информацию по данному вопросу можно найти в литературе по электротехнике.
Рассмотрим простой способ измерения сопротивления проводника с помощью амперметра и вольтметра. В основе этого метода лежит использование закона Ома для участка цепи: измеряя величину тока, протекающего по проводнику, и напряжение на нем, по закону Ома можно рассчитать величину сопротивления:
(14)
Для повышения точности обычно проводится несколько измерений и строится вольтамперная характеристика исследуемого проводника. Для металлических, графитовых и некоторых других проводников вольтамперная характеристика является линейной. Этим мы и воспользуемся при измерении сопротивления резистора в данной работе.
Для оценки погрешности измерения воспользуемся формулой (14), из которой получим выражение для вычисления относительной погрешности сопротивления. Применяя методы оценки погрешности косвенных измерений, прологарифмируем выражение (14)
(15)
Теперь продифференцируем каждое слагаемое по своей переменной:
(16)
Переходя от бесконечно малых приращений к конечным величинам и воспользовавшись свойством, что погрешность разности равна сумме погрешностей, получим окончательно:
(17)
где 
- абсолютные погрешности соответственно сопротивления, напряжения и тока, а 
- их измеренные значения. Дробь в левой части формулы (17) – это и есть искомая относительная погрешность измерения сопротивления.