2687

Электроизмерительные приборы

Лабораторная работа

Энергетика

Цель работы: Изучить физические принципы действия и основные характеристики электроизмерительных приборов. На основе электромеханического стрелочного прибора М-93 собрать и исследовать миллиамперметр постоянного тока и вольтметры для измерения...

Русский

2013-01-06

217 KB

282 чел.

Цель работы: 1. Изучить физические принципы действия и основные характеристики электроизмерительных приборов.

2. На основе электромеханического стрелочного прибора М-93 собрать и исследовать миллиамперметр постоянного тока и вольтметры для измерения постоянного и переменного напряжений на заданные пределы измерения.

Введение

Измерительным прибором называется средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного наблюдения.

Приборы делятся на аналоговые (стрелочные) и цифровые. В аналоговом измерительном приборе показания являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. различают электромеханические и электронные аналоговые приборы. Цифровой измерительный прибор автоматически вырабатывает дискретные сигналы измерительной информации в цифровой форме.

При изучении электрических и магнитных явлений наиболее часто приходится измерять значения таких физических величин, как сила тока и напряжение. Приборы, предназначенные для этих измерений, называются соответственно амперметрами и вольтметрами.

Основные характеристики электроизмерительных приборов.

Электроизмерительные приборы характеризуются целым рядом свойств и величин.

Назначение прибора позволяет определить, какие величины могут быть измерены с помощью данного прибора. Приборы, позволяющие выполнять измерения различных физических величин, называются универсальными.

Система прибора указывает, какие физические принципы положены в основу работы данного прибора.

Предел измерений xпр – это есть значение измеряемой величины, при котором указатель отсчетного устройства перемещается до конца шкалы. Электроизмерительные приборы, как правило, имеют несколько пределов измерений, которые указываются на корпусе или на шкале прибора. в таком случае приборы называются многопредельными.

Важнейшей характеристикой электроизмерительного прибора является чувствительность S – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора d к вызывающему его изменению измеряемой величины dx:

Величина, обратная чувствительности С=1/S, называется ценой деления и определяется как число единиц измеряемой величины, приходящейся на одно деление шкалы.

Иногда удобно характеризовать прибор порогом чувствительности, под которым понимают изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение показания прибора, различимое без дополнительных устройств.

Одним из важнейших вопросов измерения является оценка абсолютной погрешности измерений, выполненных с помощью электроизмерительных приборов. Характеристикой, позволяющей осуществить такую оценку, является обобщенная характеристика точности прибора – класс точности. Классом точности называется безразмерная величина, численно равная наибольшей допустимой приведенной (относительной) основной погрешности измерительного прибора, выраженной в процентах, т.е.

где ∆x – максимальная абсолютная основная погрешность электроизмерительного прибора, допускаемая на используемом пределе измерений, при обеспечении требуемых условий измерения; xN – нормирующее значение величины.

Для приборов с равномерной шкалой, у которых нулевая отметка находится на краю шкалы, нормирующее значение принимается равным предельному, т.е. xN = xпр.

На электромеханические амперметры и вольтметры ГОСТ устанавливает следующее классы точности: 0.05; 0.1: 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.0; 2.5; 4; 5. Класс точности обычно указывается на шкале прибора или в его паспорте.

Для характеристики приборов используется еще целый ряд величин – вариация, входное сопротивление, выходное сопротивление, потребляемая мощность, стабильность, надежность, быстродействие и т.д.

Аналоговые электромеханические электроизмерительные приборы.

В электромеханических измерительных приборах измеряемая электрическая величина x непосредственно преобразуется в показание отсчетного устройства. Прибор состоит из измерительного механизма и отсчетного устройства. Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Включает в себя шкалу и указатель, расположенные на лицевой стороне прибора. Измерительный механизм является основным элементом прибора и служит для преобразования электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части прибора, чаще всего углового (вращения). Таким образом измеряемая электрическая величина преобразуется в силу, создающую вращающий момент МВР. Чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовал определенный угол поворота подвижной части измерительного механизма, необходимо вращающий момент уравновесить противодействующим моментом, зависящим от угла поворота - Мпр. В этом случае Мпр=W, где W – удельный противодействующий момент, зависящий только от упругих свойств используемых пружин или растяжек. Зависимость между углом поворота подвижной части измерительного механизма и измеряемой физической величиной x-=f(x) называется основным уравнением электроизмерительного прибора или уравнением шкалы прибора.

В зависимости от способа создания вращающего момента различают системы приборов: магнитоэлектрическую, электромагнитную, электродинамическую, электростатическую.

Приборы магнитоэлектрической системы

Принцип действия приборов с измерительным механизмом магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и подвижной катушки, по которой происходит измеряемый электрический ток (рис 1).

Катушка 1 в форме прямоугольной рамки помещена в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками 2 постоянного магнита 3 и цилиндрическим сердечником 4. В зазоре создается однородное радиально направленное магнитное поле. Рамка крепится на двух полуосях 5. Здесь же крепится стрелочный указатель 6, перемещающийся при повороте рамки над шкалой 7. Две спиральные пружины 8 создают противодействующий момент и одновременно используются для подвода измеряемого тока. В высокоточных измерительных механизмах рамка крепится на растяжках.

 MBP=BISn, (вращающий)

где В – индукция магнитного поля в зазоре; S – площадь рамки; n – число витков катушки; I – сила тока, протекающего по катушке.

 MПР=W, (противодействующий)

где - угол поворота подвижной катушки; W – удельный противодействующий момент.

Установившееся отклонение определяется равенством двух моментов. Следовательно

где  – чувствительность прибора по току.

При включении следует соблюдать полярность, так как при изменении направления тока в катушке изменяется, и направление вращения подвижной части.

где r – сопротивление катушки; U – напряжение на катушке; --- – чувствительность по напряжению.

Таким образом, магнитоэлектрические приборы могут применяться в качестве амперметров (А), вольтметров (V) и гальванометров (G). Гальванометр – высокочувствительный прибор, предназначен для измерения малых токов и напряжений, а также количества электричества. Гальванометры часто используются в качестве нулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока в цепи.

Достоинства: в высокой чувствительности (до 3.10-11 А) высокая точность (до класса 0.05), малом потреблении мощности от измеряемой цепи (~10-9 Вт).

Недостатки: чувствительность к перегрузкам, сложность изготовления и ремонта и относительно высокая стоимость.

Приборы электромагнитной системы

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток, и подвижного железного сердечника, эксцентрично расположенного на оси и соединенного с указательной стрелкой, который, поворачиваясь, втягивается в катушку (рис 2).

В приборах такого типа =kI2. Шкала прибора не линейна. Зато прибор может использоваться для измерения как постоянного, так и переменного тока.

Достоинства: простота конструкции, низкая стоимость, высокая надежность.

Электродинамические приборы

Принцип действия приборов электродинамической системы заключается во взаимодействии магнитных полей подвижной и неподвижной катушек, по которым протекает измеряемый ток. Подвижная катушка 1 (рис 3) может поворачиваться относительно неподвижной 2, состоящей из 2 частей, разделенных воздушным зазором. Под действием вращающего момента стрелка 4, укрепленная на оси 5, перемещается относительно шкалы 3.

Шкала прибора такого типа нелинейная. Прибор пригоден для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

Электростатические приборы

Принцип действия электростатических приборов основан на взаимодействии двух или нескольких заряженных проводников, один из которых является подвижным, и угол отклонения указателя приборов такого типа равен =kU2.

Наибольшее распространение получили 2 вида механизмов: с измеряющейся рабочей площадью пластин (рис 4а) и с изменяющимся расстоянием между пластинами (рис 4б).

Шкала приборов такого типа нелинейная.

Выпрямительные приборы

Пригодны только для измерений в цепях постоянного тока. В схеме однополупериодного выпрямителя (рис 5а) через измерительный механизм проходит только положительная полуволна, что определяется включением диода в соответствующей полярности. В двухполупериодной схеме выпрямителя (рис 5б) ток проходит через измерительный механизм в обе половины периода.

Величины U и Uср.в связаны соотношением: U1.11Uср.в

Шкала выпрямительных приборов нелинейна.

Аналоговые электронные электроизмерительные приборы

На рисунках 6 и 7 приведены упрощенные структурные схемы электронных вольтметров постоянного и переменного напряжений.

В электронном вольтметре постоянного напряжения измеряемое напряжение подается на делитель напряжения (ДН), позволяющий установить требуемый предел измерений, а затем усиливается электронный усилителем постоянного тока (УПТ) до величины, достаточной для работы измерительного механизма магнитоэлектрического индикатора (МЭИ).

В случае вольтметра переменного напряжения измеряемое переменное напряжение после делителя (ДН) усиливается электронным усилителем (У) и затем преобразуется в постоянное с помощью выпрямительного устройства (ВУ), которое поступает на магнитоэлектрический измерительный механизм индикатора (МЭИ).

Цифровые электронные электроизмерительные приборы

Такие приборы имеют ряд преимуществ перед аналоговыми: удобство отсчитывания значений измеряемой величины, возможность полной автоматизации процесса измерений, регистрация результатов измерения с помощью цифропечатающих устройств и перфораторов, возможность вводить измерительную информацию в цифровую ЭВМ.

Существует несколько методов построения цифровых приборов. Остановимся на одном из них – времяимпульсном, основанном на преобразовании измеряемой величины во временной интервал. Структурная схема приведена на рис 8.

измерение осуществляется циклами, длительность которых устанавливается управляющим устройством УУ. В начале каждого цикла с помощью УУ происходит сброс на нуль показания цифрового индикатора. Одновременно со сбросом запускается генератор ГЛН, формирующий линейно изменяющееся напряжение UA, которое поступает на устройства сравнения УС1 и УС2. УС1 выдает импульс, который скрывает временной селектор ВС., пропускающий на вход электронного счетчика Эсч короткие импульсы с периодом TK. Счетные импульсы формируются в специальном генераторе ГсчИ и имеют постоянную частоту следования, а следовательно и период. За время – на вход счетчика проходит число импульсов N, связанное с Ux соотношением:

Цифровые вольтметры позволяют измерять также постоянные токи и сопротивления, так как эти величины могут быть легко преобразованы в соответствующее измеряемой величине напряжение. Также цифровые вольтметры называются универсальными.

Измерение силы тока и напряжения

При непосредственной оценке для измерения силы тока используются амперметры, для измерения напряжения – вольтметры.

В зависимости от вида тока (напряжения), его величины, частоты, формы, требуемой точности измерения, сопротивления цепи, в которой производится измерение, используются различные типы приборов.

Включение электроизмерительных приборов в электрическую цепь

При измерении силы тока на участке цепи сопротивлением R амперметр включается последовательно с R в разрыв цепи (рис 9а). Тогда сила тока, текущего через измерительный прибор и участок с сопротивлением R, будет одинаковой.

Вольтметр подсоединяется параллельно участку цепи с сопротивлением R, напряжение на котором измеряется (рис 9б). При параллельном подключении напряжение на измерительном приборе и участке цепи R одинаково.

Последовательное подключение: R'=R+RA>R

Параллельное подключение: R''=RRB/(R+RB)<R

Шунт к амперметру

Если с помощью амперметра необходимо измерить силу тока IПР больше, чем ток, вызывающий отклонение подвижной части прибора на всю шкалу – IU ПР, к нему параллельно подключается дополнительное сопротивление, называемое шунтом, - Rш (рис 10).

I=IU+Iш, где I – сила измеряемого тока, IU – сила тока, текущего через измерительный механизм прибора, Iш – сила тока, текущего через шунт.

IшRш=Iur,

Обычно шунты используют в амперметрах магнитоэлектрической системы.

Добавочные сопротивления к вольтметру

Предел измерения вольтметра зависит от силы тока полного отклонения подвижной части прибора Iu пр и его внутреннего сопротивления r. Для расширения пределов измерения вольтметра добавочного сопротивления Rg, которое подключается к измерительному механизму прибора (рис 11).

U=Uu+Ug

Набор добавочных сопротивлений позволяет создать многопредельный вольтметр. Используется как раздельное, так и ступенчатое включение добавочных сопротивлений. Применяются также и наружные по отношению к прибору добавочные сопротивления.


Ход работы:

I=1.5 мА

Uпр=5V

r=1629 Ом

Jпр=50 мкА

C=Uпр/N

С=5/50=0.1

С=1.5/50=0.03

γ=1%

∆=0.05/5=0.01

Iпр=1.5 мкА, Rш=56 Ом, С=0.03, γ=1%                      Uпр=5В, Rg=98 кОм, С=0.1, γ=1%

I (расч)

I (обр)

I

U(расч)

U(обр)

U

5

0.15 

0.15

0

5

0.5

0.471

0.03

10

0.3

0.31

0.01

10

1

1

0

15

0.45

0.45

0

15

1.5

1.54

0.04

20

0.6

0.61

0.01

20

2

2.05

0.05

25

0.75

0.76

0.01

25

2.5

2.55

0.05

30

0.9

0.92

0.02

30

3

3.01

0.01

35

1.05

1.07

0.02

35

3.5

3.6

0.1

40

1.2

1.22

0.02

40

4

4.03

0.03

45

1.35

1.36

0.01

45

4.5

4.52

0.02

50

1.5

1.52

0.02

50

5

5.02

0.02

Вывод: В результате выполненной работы мы изучили принципы действия и основные характеристики электроизмерительных приборов, собрали и исследовали миллиамперметр переменного тока и вольтметр для измерения постоянного и переменного напряжения.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11890. Корни многочленов 87 KB
  Лабораторная работа №5 по дисциплине: Проектирование автоматизированных систем на тему: Корни многочленов Цель работы: вычислить корни многочлена не выше 20го порядка и восстановить многочлен по заданным корням. Общие сведения: Вычисление корней мн
11891. Обратное преобразование Лапласа 47 KB
  Лабораторная работа №6 по дисциплине: Проектирование автоматизированных систем на тему: Обратное преобразование Лапласа Цель работы: вычислить аналитическое выражение для обратного преобразования Лапласа дробнорациональной функции и построить график.. ...
11892. Выбор типа камеры и условий съемки в зависимости от задачи исследования и характера исследуемого объекта 4.35 MB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 Выбор типа камеры и условий съемки в зависимости от задачи исследования и характера исследуемого объекта Рентгеновские камеры Рентгеновской камерой называют устройство позволяющее регистрировать на фотопленке рентгеновские максим
11893. Определение кальция методом стандартных добавок 443.5 KB
  Лабораторная работа №104 Определение кальция методом стандартных добавок. Краткое теоретическое введение: Фотометрия пламени вид эмиссионного спектрального анализа в котором источниками возбуждения спектров являются пламена различных видов: ацетиленвоздух...
11894. Определение фосфора (ортофосфатов) в виде фосформолибденованадиевой гетерополикислоты 204 KB
  Лабораторная работа №107 Определение фосфора ортофосфатов в виде фосформолибденованадиевой гетерополикислоты. Краткое теоретическое введение: Методы молекулярной спектрометрии позволяют наблюдать результаты взаимодействия электромагнитного излучения с мо...
11895. Титрование цинка (II) раствором ЭДТА в присутствии индикатора эриохрома черного Т. 244 KB
  Лабораторная работа №110 Титрование цинка II раствором ЭДТА в присутствии индикатора эриохрома черного Т. Краткое теоретическое введение: Методы молекулярной спектрометрии позволяют наблюдать результаты взаимодействия электромагнитного излучения с молекула
11896. Определение хлоридов в растворе 68 KB
  Лабораторная работа №113 Определение хлоридов в растворе. Краткое теоретическое введение: Фототурбидиметрия и фотонефелометрия основаны на явлении рассеяния света дисперсными системами суспензиями или золями получаемыми в результате аналитических реакций. П...
11897. Анализ очищенного рассола для производства хлора и каустической соды 138.5 KB
  Лабораторная работа №203 Анализ очищенного рассола для производства хлора и каустической соды Краткое теоретическое введение: Общая характеристика метода. В основе потенциометрии лежит зависимость равновесного электродного потенциала от активности концент
11898. Кулонометрическое титрование кислот 154.5 KB
  Лабораторная работа №211 Кулонометрическое титрование кислот Краткое теоретическое введение: Кулонометрия объединяет методы анализа основанные на измерении количества электричества израсходованного на электрохимические реакции приводящие к количественному ...