Изучение электроизмерительных приборов: Лабораторный практикум

Министерство образования Российской Федерации

УДК 621. 317 И39

Омский государственный университет

Рекомендован к изданию учебно-методическим советом ОмГУ. Протокол № 1 от 28 апреля 2004 г.

И39

Изучение электроизмерительных приборов Лабораторный практикум (для студентов физического факультета)

Материал соответствует Государственному образовательному стандарту по специальности 010400 «Физика». Может быть использован студентами других специальностей.

Специальность 010400 «Физика»

Издание ОмГУ

Изучение электроизмерительных приборов: Лабораторный практикум (для студентов физического факультета) / Сост.: Г.М. Серопян, И.С. Позыгун, Е.А. Филатов. – Омск: Омск. гос. ун-т, 2004. – 20 с.

УДК 621. 317

Омск 2004

© Омский госуниверситет, 2004 2

Цель работы: ознакомиться с принципом действия и устройством электроизмерительных приборов; научиться определять характеристики приборов по условным обозначениям, оценивать погрешности электроизмерительных приборов.

Таблица 1

Тип системы электроизмерительного прибора

Приборы и оборудование: набор измерительных приборов различных систем и классов точности. В основе действия электроизмерительного прибора лежит превращение электрической энергии в другие виды энергии, например, механическую, тепловую и т. д. Принципиальная схема электроизмерительных приборов состоит из двух частей: электрической системы и отсчетного механизма. Отсчетный механизм имеет шкалу и указатель (стрелка или световой «зайчик»), который служит для определения точки шкалы, соответствующей отсчету измеряемой величины. В измерительной практике часто встречаются косвенные измерения, в основу которых положены законы, устанавливающие связь между различными физическими величинами. Например, зная сопротивление участка цепи и измерив вольтметром падение напряжения на нем, можно найти величину тока по закону Ома. Измерение может быть абсолютным (с помощью прибора непосредственной оценки) и сравнительным (измерение мостовой схемой). Все электроизмерительные приборы классифицируются по следующим основным признакам (табл. 1 и 2): – по роду измеряемой величины; – по роду тока; – по принципу действия измерительной системы; – по степени точности.

3

С механической противодействующей силой Без механической противодействующей силы

Магнитоэлектрическая система прибора

Электромагнитная система прибора

С контактным преобразователем

Термоэлектрические приборы

С изолированным преобразователем

Электронноламповые приборы Фотоэлектрические приборы С механической противодействующей силой Без механической противодействующей силы

4

Значок системы на шкале прибора

Окончание табл. 1

Без стали

Электродинамическая система прибора

Ферродинамическая система

Индукционная система

Электростатическая система прибора

Таблица 2

Без механической противодействующей силы С механической противодействующей силой С механической противодействующей силой Без механической противодействующей силы

Электроприбор предназначен для работы на постоянном токе Электроприбор предназначен для работы на переменном токе Электроприбор предназначен для работы и на постоянном, и на переменном токе Электроприбор предназначен только для работы на переменном трехфазном токе

С механической противодействующей силой

Величина наиболее оптимального угла наклона электроприбора при его использовании

Без механической противодействующей силы

Электроприбор предназначен только для работы в вертикальном положении Электроприбор предназначен для работы в горизонтальном положении

Класс точности электроизмерительного прибора Величина напряжения пробоя изолированного корпуса электроизмерительного прибора (кВ)

Тепловая система прибора

Защитный магнитный экран

Вибрационная (язычковая) система прибора

Электростатический экран для защиты от внешних полей В работе внутренней схемы электроизмерительного прибора применяются полупроводниковые диоды Наиболее оптимальный рабочий диапазон частот для электроизмерительного прибора 5

0,05; 0,1;0,2;0,5;1;1,5; 2,5;4

6

450 – 550 Гц

Чувствительностью «S» электроизмерительного прибора называется отношение линейного или углового перемещения указателя ∆n к измеряемой величине ΔА, вызывающей это перемещение: S = ∆n/∆A . Величина, обратная чувствительности прибора, определяет его цену деления: С = ∆А/∆n. Цена деления зависит от верхнего предела измерения прибора (Аmax) и от числа делений на шкале (N): С = Аmax / N. Класс точности – это приведенная относительная погрешность, выраженная в процентах: εn =

∆A · 100%, Amax

где Аmax – предел измерений; ∆А – абсолютная погрешность на данном пределе.

Приборы магнитоэлектрической системы Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и измеряемого тока, проходящего по обмотке подвижной катушки (рамки) прибора магнитоэлектрической системы. Катушка (1) (см. рис. 1) из тонкой проволоки, намотанной на алюминиевый каркас, может вращаться между полюсами (2) постоянного магнита (3). При прохождении тока через рамку возникает вращающий момент M1, под действием которого подвижная часть прибора поворачивается на угол ϕ. Противодействующий момент M2 создается спиральными пружинами (4), через которые также подводится ток к рамке, и пропорционален углу поворота рамки ϕ, при равновесии подвижной части прибора М1 = М2. Тогда ϕ – угол поворота стрелки (5). Для приборов магнитоэлектрической системы ϕ ~ I. 7

Рис. 1 Обмотка рамки магнитоэлектрического прибора рассчитана на ток не свыше нескольких десятков миллиампер. Для измерения больших токов, т. е. использования прибора как амперметра, параллельно рамке включается малое сопротивление rш<< rр – шунт (рис. 2). При измерениях амперметр включается в цепь последовательно. Для уменьшения потерь мощности в амперметре его сопротивление должно быть мало по сравнению с сопротивлением цепи.

Рис. 2 8

В многопредельных амперметрах имеется набор шунтов, которые можно переключать в зависимости от величины измеряемого тока. Включая последовательно с рамкой большое добавочное сопротивление (r g>>rp), можно использовать прибор как вольтметр. Вольтметр включается параллельно участку цепи, на котором измеряется падение напряжения U. Для расширения пределов измерения вольтметром применяется набор добавочных сопротивлений, которые включаются последовательно с прибором. Чтобы включение вольтметра существенно не искажало распределение потенциала в цепи, необходимо, чтобы сопротивление вольтметра было намного больше сопротивления участка цепи. Приборы магнитоэлектрической системы применяются только для измерения в цепях постоянного тока. Достоинства приборов магнитоэлектрической системы: высокая точность, равномерная шкала, малая чувствительность к внешним магнитным полям.

Приборы электромагнитной системы

Приборы электродинамической системы Принцип работы таких приборов основан на взаимодействии двух катушек (подвижной и неподвижной), по которым протекает ток. Подвижная катушка, находящаяся внутри неподвижной катушки, может вращаться вокруг оси, на которой закреплена стрелка отсчетного механизма. Противодействующий момент создается спиральными пружинами, закрепленными на этой оси. В зависимости от назначения прибора катушки соединяются или параллельно, или последовательно. При равновесии вращающий момент уравновешивается противодействующим моментом упругости пружин, который пропорционален углу поворота указателя ϕ.

Приборы электростатической системы Устройство приборов этой системы основано на взаимодействии двух или нескольких электрически заряженных проводников. Под действием электрического поля подвижные проводники перемещаются, что позволяет фиксировать напряжение.

Принцип действия приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток I, и подвижного железного сердечника. При пропускании тока I по катушке сердечник втягивается внутрь, при этом закручивается пружина и поворачивается стрелка прибора на угол ϕ. Шкала приборов электромагнитной системы неравномерная (ϕ ~ I2). С изменением направления тока меняются направление магнитного поля и полярность намагничивающегося сердечника. Поэтому приборы электромагнитной системы применяются для измерений как постоянных, так и переменных токов.

Прибор, основанный на тепловом действии тока, содержит тонкую проволоку, закрепленную на концах, через которую пропускают измеряемый ток. При прохождении по проволоке тока она нагревается, и ее удлинение используют для измерения величины тока. Такие приборы могут быть использованы и на постоянном, и на переменном токе.

9

10

Приборы тепловой системы

Условные обозначения на электрических схемах различных радио-электроэлементов цепи В табл. 3 приведены условные обозначения на электрических схемах различных радио-электроэлементов цепи и их назначение. Таблица 3 Условное обозначение на электрорадиосхеме

Название элемента цепи Источник питания постоянного тока (эл. батарея, аккумулятор), любой источник постоянного напряжения Любой источник переменного напряжения (сигнала). Однофазный Выключатель (ключ) одно- и двуполярный. Тумблер включениявыключения цепи или устройства Вольтметр на постоянное и переменное напряжение (включается параллельно!) Амперметр на постоянный (1) или переменный (2) ток (включается в цепь только последовательно) 3. Гальванометр Омметр (1) и ваттметр (2). Омметр включается последовательно измеряемому сопротивлению. Ваттметр 11

Роль и назначение радио-электроэлемента цепи Питание электрорадиосхем и отдельных устройств постоянным напряжением Питание электрорадиосхем и отдельных устройств переменным сигналом Размыкание-замыкание цепи; включение-выключение отдельных участков цепи; различная коммутация Измерение напряжения в электрорадиоцепях и устройствах Измерение силы тока в электрорадиоцепях и устройствах. 3. Индикация направления тока в цепях Омметром измеряют сопротивление электро-радиоэлементов цепи. Ваттметром измеряется значение

включается и параллельно, и последовательно двумя парами разных клемм Соответственно милли-, микроамперметры

мощности в электроцепи

Соответственно милли(10-3)-, микро(10-6)-, киловольтметры

см. «амперметр» выше

Конденсатор металлобумажный, керамический, слюдяной, воздушный, постоянной емкости Конденсатор электролитический двуполярный

Накопление электрического заряда, фильтрация сигнала в цепях переменного тока Накопление электрического заряда, фильтрация сигнала в цепях переменных помех в цепях постоянного тока Установление нужной величины электрического тока в цепях Установление в радио-электроцепях нужной величины силы тока или напряжения (потенциометр) в зависимости от включения в цепь. Для контроля тока последовательно, для регулировки напряжения – параллельно

Электрическое постоянное сопротивление (резистор) Электрическое переменное сопротивление. Реостат или потенциометр

12

см. «вольтметр» выше

Конденсатор переменной емкости

Соответственно катушка индуктивности с наборным сердечником, катушка индуктивности с цельным сердечником (соленоиды) Электротрансформатор, состоящий из двух катушек, связанных между собой индуктивно, имеющий первичную и вторичную обмотки (I и II) Электропредохранитель

Для настройки радиосистемы на нужную частоту, например, ручка настройки радиоприемника Сдвиг фазы в электроизмерителях и устройствах. Фильтр в цепях переменного тока. Электромагнит Понижение или повышение переменного напряжения в электрических цепях

Защита элементов цепи от перегрузки по току

Электродвигатель на постоянный ток Микрофон

Служит для преобразования мех. колебаний в электромагнитные

Электродвигатель на переменный ток

1. Громкоговоритель (динамик или звуковая колонна) 2. Телефон (наушник)

13

Служат для преобразования электромагнитных колебаний в механические (звуковые)

Клемма или контур защитного заземления

Радиоантенна принимающая 1. Соединение (контакт) проводников в цепи 2. Огибание (отсутствие контактов) проводников в цепи Двухэлектродная электронная лампа (диод) с прямым (1) и косвенным (2) подогревом 1. Трехэлектродная электронная лампа (триод) 2. Пятиэлектродная электронная лампа (пентод) Полупроводниковые: 1. Диод 2. Стабилитрон односторонний

Полупроводниковые триоды (транзисторы) 1. p-n-p типа 2. n-p-n типа 14

1. Снятие потенциала с металлических корпусов приборов в целях соблюдения техники безопасности 2. Устранение радиопомех в радиоустройствах Устройство для принятия радиосигналов в радиоустройствах

Преобразование переменного тока в постоянный (выпрямление) Усиление сигнала в электрорадиоустройствах

1. Служат для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямление тока) 2. Служит для стабилизации напряжения Служат для усиления электрического сигнала

1. Фотодиод 2. Светодиод

Термосопротивление (терморезистор или термистор)

Электронно-лучевая трубка или осциллограф

1. Проводит электрический ток в зависимости от освещения. 2. Индикация Сильно изменяет своё сопротивление в зависимости от температуры. Применяется для регулировки и измерения температуры Визуальное отображение формы и изменений электрического сигнала

Лампа накаливания

Для освещения

Неоновая лампа

Для индикации и генерирования пилообразных колебаний Для освещения

Люминесцентная лампа Колебательный контур

Для работы с сигналом определенной заданной частоты

Выпрямительный «мост» из четырех диодов

Преобразование переменного тока в постоянный (выпрямление тока)

15

Описание некоторых электроприборов, используемых в лабораторных работах по общему курсу физики 1. Источники питания постоянного тока: батареи аккумуляторные одиночные или наборные; регулируемые источники питания постоянного тока с сетевым подключением. 2. Источники питания переменного тока: ЛАТР – лабораторный автотрансформатор регулируемый; различные устройства, выдающие переменный сигнал (понижающие трансформаторы, звуковые генераторы синусоидального, прямоугольного или пилообразного сигналов и т.д.). 3. Магазин и батарея сопротивления: магазин сопротивлений (R) – это стандартное устройство, представляющее собой набор сопротивлений, соединенных последовательно и сгруппированных в декады. Эти устройства позволяют устанавливать любую величину сопротивления от долей ома до нескольких мегаом. Эти устройства прецессионные, т.е. имеют высокий класс точности. Батарея сопротивлений – это устройство, состоящее из стандартных промышленных сопротивлений, имеющих более грубый шаг регулировки и большую погрешность, нежели магазин сопротивлений. 4. Магазин и батарея емкости (С) устроены аналогично магазину и батарее сопротивлений, только в них используются наборы прецессионных или стандартных промышленных конденсаторов (емкостей). 5. Переменные сопротивления (R): к переменным сопротивлениям относятся реостаты (для регулировки силы тока) и потенциометры (для регулировки напряжения). Реостаты включаются в цепь последовательно, а потенциометры – параллельно. В принципе это одно и то же устройство, называющееся по-разному в зависимости от функций. 6. Электроизмерительные приборы. К ним в первую очередь относятся вольтметры, амперметры, гальванометры, частотомеры, 16

ваттметры, различные измерительные мосты сопротивлений, емкостей и индуктивностей и т.д. Вольтметры измеряют разность потенциалов (напряжение) и включаются в цепь только параллельно источнику питания или сопротивлению нагрузки. Амперметры измеряют силу тока в цепи и включаются только последовательно в место разрыва цепи, ибо амперметры они. Гальванометры показывают направление тока в цепи, ибо имеют ноль в центре шкалы и по своим внутренним характеристикам являются амперметрами. Идеальный вольтметр должен иметь бесконечно большое внутреннее сопротивление, а идеальный амперметр – бесконечно малое внутреннее сопротивление, что значительно снизит величину погрешности измерения и тока. Подобным характеристикам в большей степени соответствуют цифровые приборы, нежели стрелочные (аналоговые). Ваттметр содержит в себе характеристики вольтметра и амперметра. Его включают в цепь одновременно и параллельно, и последовательно. Принцип его действия основан на явлении сдвига фаз между током и напряжением. Ваттметр измеряет значение мощности электрического тока в цепях и устройствах. 7. Осциллографы. Наряду с остальными электроизмерительными приборами осциллографы относятся к основному лабораторному оборудованию для любого типа лаборатории. Некоторые основные типы осциллографов: 1) электронный; 2) графический (самописцы медицинские и лабораторные); 3) запоминающие. Любой осциллограф прежде всего предназначен для визуализации сигнала, а также для наблюдения изменения формы сигнала в ходе эксперимента. При помощи осциллографа можно осуществлять и ряд иных функций, например, измерять величину постоянного и переменного напряжения (осциллографы имеют достаточно высокое входное сопротивление – до одного мегаома и выше), измерять период и частоту электрических колебаний, исследовать сдвиг фаз и т.д. Существуют методики для измерения осциллографом силы тока и сопротивления. Что касается измерения величины переменного напряжения, то осциллограф прежде всего из-

меряет величину амплитудного значения напряжения, в то время как любой вольтметр показывает действующее (эффективное) значение переменного напряжения. 8. Нестандартная оснастка лабораторных работ. К ней можно отнести самодельные или фабричные устройства, смонтированные на лабораторных панелях, стендах, подставках и т.д., часто изготавливаемых учебно-вспомогательным персоналом лабораторий. К нестандартной оснастке относятся конденсаторы, сопротивления, диоды, транзисторы, термисторы, катушки индуктивности, трансформаторы и др., если они целенаправленно изучаются в конкретной лабораторной работе. 9. Генераторы низкой частоты (ГНЧ) предназначены для получения переменных сигналов в диапазоне низких частот – от 1 до 104 герц. ГНЧ генерируют переменные сигналы синусоидальной, прямоугольной и пилообразной форм. Изменение частоты производится вращением шкалы реохорда частот, а также ступенчатым регулированием множителя частоты. 10. Термопара. Достаточно распространенным устройством для измерения температуры во многих лабораторных курсах общей физики является термопара. Она представляет собой два соединенных разнородных металлических проводника. Если из двух этих разнородных металлов составить цепь и в местах соединения поддерживать различные температуры, то в цепи возникнет электродвижущая сила, называемая «термо ЭДС», которую можно зафиксировать при помощи гальванометра или вольтметра. Если иметь предварительно построенный градуировочный график для определенного вида термопары, то в соответствии с показаниями вольтметра, подсоединенного к термопаре, можно определить точное значение температуры в особо труднодоступных местах лабораторных учебных и научных установок.

17

18

Рекомендации и правила по работе с электрическими цепями 1. Перед получением допуска к проведению лабораторной работы необходимо тщательно разобраться в особенностях работы с данной электрической схемой, ее элементами, устройствами и приборами. 2. После получения допуска к лабораторной работе у преподавателя или у учебного мастера необходимо собрать электрическую цепь по схеме, указанной в лабораторном практикуме. Обычно электрическая цепь собирается последовательно, начиная с источника питания. Любая электрическая цепь или устройство имеет какоелибо питание: постоянное или переменное, а следовательно, соответствующий источник питания. Начиная с одного из полюсов источника питания, соберите электрическую цепь последовательно, завершив сборку на другом полюсе источника питания. Затем подключите в электрическую цепь все устройства и приборы, имеющие параллельное включение (например, вольтметр). 3. После сборки электрической цепи необходимо, чтобы преподаватель или учебный мастер проверили правильность ее сбора. Только после этого допускается включение приборов и устройств в сеть. 4. После проведения всех экспериментов необходимо установить все регуляторы и переключатели в минимальной положение и выключить сетевое питание электрической схемы. Разбирать схему также следует с источника питания, так как в некоторых источниках питания постоянного тока на выходных клеммах может оставаться остаточный заряд электролитического конденсатора внутренней схемы источника.

Контрольные вопросы 1. Что такое чувствительность, цена деления электроизмерительного прибора? 2. Как определить погрешность прибора по его классу точности? 3. Объясните принцип действия прибора магнитоэлектрической (электромагнитной, электродинамической…) системы.

Литература 1. Практикум по общей физике / Под ред. В.Ф. Ноздрева. М.: Просвещение, 1971. С. 311. 2. Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по электричеству. М.: Высшая школа, 1971. С. 311.

Технический редактор М.В. Быкова Редактор Л.Ф. Платоненко Подписано в печать 21.05.04. Формат бумаги 60х84 1/16. Печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 200 экз. Заказ 313. Издательско-полиграфический отдел ОмГУ 644077, г. Омск-77, пр. Мира, 55а, госуниверситет

19

20