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

47348. Обчислення в середовищі MS Excel з використанням функцій 887.98 KB
  Поряд з розглянутими способами адресації комірок і діапазонів робочого аркуша, в MS Excel існує можливість посилання на комірки, діапазони,діаграми та інші об’єкти за допомогою імен, які визначає користувач. Взагалі кажучи, адреси комірок і діапазонів можна розглядати як імена, які надає їм MS Excel за замовчуванням.
47350. Расчет припусков на механическую обработку 59 KB
  Расчет припусков на обработку начинается с определения минимального припуска , (6) удаление которого с обрабатываемой поверхности технически необходимо для обеспечения требуемой точности и эксплуатационных свойств детали.
47351. Управління списками та базами даних в середовищі MS Excel 797.39 KB
  MS Excel як засіб організації бази даних. Способи введення даних у список та перевірки цих даних Засоби сортування даних списків Поняття структури та структуризації робочих листів. Автоматичне обчислення поміжних підсумків MS Excel як засіб організації бази даних. Способи введення даних у список та перевірки цих даних
47352. Болота. Особенности земляных работ в болотистых месностях 23.4 MB
  Проектирование автомобильных дорог в болотистых районах требуют предварительного изучения и исследования болота, важное значение имеет строение болота, условие формирования болота, а также соотношение прочности его слоёв. Согласно СНИП 2.05. 02 -85 различают 3 типа болот...
47353. Проектирование заготовки 108.5 KB
  Определить вид заготовки, используемый для изготовления данной детали; определение метода получения заготовки; является функцией специалиста – технолога литейщика или давленца; Наметить расположение плоскости разъема; которое определяет распределение напусков, формовочных, штамповочных уклонов;
47354. Фільтрація та консолідація даних в середовищі MS Excel 319.52 KB
  Пошук та фільтрація – це операції, які найчастіше виконуються над базами даних (списками). Для цього програмою MS Excel надається набір засобів.
47355. Аналіз даних в середовищі MS Excel 110.18 KB
  Ознайомити з засобами аналізу даних в середовищі MS Excel, можливостями аналізу за допомогою функцій і таблиць підстановок; набути навичок проведення аналізу за допомогою зведених таблиць...
47356. ІСТОРІЯ ШОРТ, ТА ЇХ ДЕТАЛЬНЕ СТВОРЕННЯ 981.49 KB
  Як тлумачить словник, шортами називаються укорочені брюки зручні для літнього відпочинку. Шорти старше брюк! Вже так повелося, що спочатку всі люди ходили в спідницях. Потім до стародавніх дизайнерів прийшла думка зробити розріз посередині і зшити частини тканини. Так спідниця перестала обмежувати ноги при ходьбі. Але це ще не були шорти. Історія походження шорт тільки починалася.