71729

Использование электроизмерительных приборов для измерения электрических величин

Лабораторная работа

Физика

Закрепить умения измерения физических величин косвенными методами на основе прямых измерений нескольких величин. Величины характеризующие прохождение электрического тока по цепи и единицы их измерения.

Русский

2014-11-11

697 KB

29 чел.

41

Лабораторная работа №3

Использование электроизмерительных приборов

для измерения электрических величин

Цель работы: 1. Научиться пользоваться электроизмерительными приборами.

2. Закрепить умения измерения физических величин косвенными методами на основе прямых измерений нескольких величин.

Литература

Агапов Б.Т., Максютин Г.В., Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. Учеб. пособие – М.: Высшая школа, 1982г. §§32-34.

Вопросы входного контроля

  1.  Что такое электрический ток? Условия существования электрического тока в цепи.
  2.  Источник постоянного тока. ЭДС источника.
  3.  Величины, характеризующие прохождение электрического тока по цепи и единицы их измерения.
  4.  Закон Ома для участка цепи, для замкнутой цепи.
  5.  Виды соединения проводников.
  6.  Действие электрического тока при прохождении по проводнику.
  7.  Закон Джоуля-Ленца.
  8.  Магнитное поле, создаваемое проводником с током. Взаимодействие магнитных полей.
  9.  Переменный электрический ток.
  10.  Амплитудное и действующее значение переменного электрического тока.

1. Краткая теория

Современные физиологические, диагностические и физиотерапевтические исследования часто требуют измерения различных электрических величин. Например: измерение биопотенциалов, измерение сопротивления биологических тканей электрическому току, измерение параметров тока при воздействии на организм человека и т.д. Кроме того, многие неэлектрические величины для удобства их регистрации также преобразуют в электрические величины. Например: пьезодатчики, преобразующие механические колебания в ЭДС; термодатчики, преобразующие передаваемое количество теплоты в электрическое сопротивление или ЭДС и т.д.

В большинстве подобных случаев измерения проводят при помощи электроизмерительных приборов, т.е. приборов, позволяющих непосредственно при подключении к электрической цепи измерять различные электрические параметры: сопротивление участка цепи, силу тока, мощность, частоту переменного тока и другие.

Электроизмерительные приборы классифицируются по ряду признаков:

  •  назначению (вольтметры, амперметры, омметры, ваттметры, частотометры и др.);
  •  роду измеряемого тока (постоянный, переменный, импульсный);
  •  принципу действия (магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные и др.);
  •  классу точности;
  •  принципу считывания показаний (стрелочные, цифровые);
  •  условиям эксплуатации и т.д.

Большинство приборов показывают значения электрической величины, соответствующие моменту измерения. Эти приборы называют показывающими. Некоторые приборы показывают суммарное значение измеряемой величины за определенный промежуток времени, например, счетчики электроэнергии или дозиметры. Эти приборы называют интегрирующими.

1.1. Основные части электроизмерительных приборов

У большинства приборов, независимо от их принципа действия, есть общие по назначению части.

Корпус прибора служит для защиты измерительного механизма от механических повреждений.

К зажимам прибора присоединяют провода для подключения его к электрической цепи.

Корректор нужен для установки стрелки на нулевую отметку шкалы.

По шкале прибора отсчитывают значение измеряемой величины.

Отметку шкалы, соответствующую нулевому значению измеряемой величины, называют нулевой. Интервал между двумя соседними отметками шкалы носит название деления шкалы, а значение величины, приходящееся на одно деление шкалы называется ценой деления. Шкалы бывают равномерные (расстояние между отметками шкалы одинаковые) и неравномерные. Внешний вид шкалы и нанесенные на нее условные обозначения зависят от назначения и конструкции прибора (рис.1).

Переключатели рода измеряемого тока (постоянный, переменный) и рода измеряемой величины (амперметр, вольтметр, омметр и т.п.) позволяют настроить многофункциональный прибор на характер данного измерения.

Переключатель пределов измерения предназначен для расширения диапазона измерения электроизмерительных приборов.

Измерительный механизм – главная часть прибора – представляет собой преобразователь электрических величин в неэлектрические, в частности, в отклонение стрелки.

Некоторые приборы, например, омметры, снабжены автономными источниками электропитания.

Рис. 1. Внешний вид панели стрелочного электроизмерительного прибора:

1 – зажимы (клеммы) для подключения прибора к электрической цепи;

2 – стрелка;

3 – винт корректора;

4 – шкалы для измерения в цепях переменного () и постоянного () тока;

5 – обозначение на шкале, показывающее, что при измерении шкала прибора должна быть горизонтальной;

6 – переключатели рода измеряемого тока;

7 – переключатель рода измеряемой величины (напряжение V или сила тока А(мА) и пределов измерения;

8 – обозначение класса точности прибора при измерениях в цепи переменного тока (1,5) и постоянного (1,0) тока.

1.2. Класс точности прибора

Одной из основных характеристик прибора является степень точности, с которой можно производить измерения при помощи этого прибора. По степени точности электроизмерительные приборы делятся на несколько классов точности. Класс точности определяется в зависимости от предела допустимой погрешности прибора, вызванной особенностями его устройства.

Абсолютной погрешностью прибора А называют разность между показанием прибора Ап и действительным значением Ад измеряемой величины:

А = Ап  - Ад .

Относительной приведенной погрешностью прибора Е называют выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности прибора к пределу измерения Ак, который соответствует положению на конечной отметке шкалы прибора в соответствии с выбранным пределом измерения:

Класс точности прибора (К) определяется наибольшей допустимой приведенной погрешностью прибора.

Класс точности определяет абсолютную приборную погрешность пр в процентах от наибольшего значения величины, которое может быть измерено прибором при данном пределе измерения:

Например, амперметр (рис. 2), имеющий класс точности К=1,5 (на рисунке выделен цифрой 1) установлен на предел измерения Ik=5А (выделен цифрой 2). Значит, абсолютная погрешность при измерении силы тока на этом пределе измерения будет составлять 1,5% от 5Ампер, т.е.

Рис. 2.

1.3. Общие правила выполнения измерений в электрических цепях

При подготовке прибора и выполнении измерений необходимо придерживаться следующей последовательности действий:

  1.  Выбрать электроизмерительный прибор с учетом измеряемой величины, требуемых условий измерения и степени точности.
  2.  Установить переключатели прибора на вид измеряемой величины, постоянный или переменный ток в измеряемой цепи и нужный предел измерения (если порядок измеряемой величины не известен, прибор первоначально устанавливают на максимальный предел измерения).
  3.  Расположить прибор в требуемом правилами эксплуатации направлении (вертикально, горизонтально) и, если необходимо, установить стрелку на нулевую отметку шкалы при помощи винта корректора.
  4.  Включить прибор в цепь согласно схеме измерения. (При наличии перегрузки прибора, когда стрелка упирается в ограничитель шкалы справа, «зашкаливает», цепь следует отключить от источника тока, и увеличить предел измерения прибора).
  5.  Определить цену деления шкалы при выбранном пределе измерения.
  6.  Отсчитать число делений шкалы, на которое отклонилась стрелка, и получить результат измерения с учетом цены деления шкалы.   
  7.  Вычислить абсолютную погрешность измерения, используя класс точности прибора.
  8.  По окончании работы отсоединить прибор от других элементов цепи.

Помните! Включать электроизмерительный прибор в электрическую цепь и отключать его из цепи можно только при выключенном источнике тока!

1.4. Способы измерения основных электрических величин

Силу тока измеряют с помощью амперметра. Его включают в цепь последовательно с тем участком, где необходимо произвести измерения (рис.3). Амперметр обладает малым электрическим сопротивлением, поэтому он не изменяет заметно силу тока в цепи. Одним и тем же амперметром, если к нему подключить шунт (рис.4), можно измерять силу тока в различных пределах. Шунт – это проводник, имеющий, как правило, очень малое сопротивление. Шунты могут быть встроены внутрь корпуса амперметра, у таких приборов на корпусе установлен переключатель пределов измерения.

                                                  

            Рис. 3.                                                          Рис. 4.

Напряжение измеряют с помощью вольтметра. Его включают параллельно тому участку цепи, на котором измеряют напряжение (рис.5). Вольтметр заметно не изменяет напряжение в цепи, так как его сопротивление обычно очень велико. Для расширения пределов измерения вольтметром применяют добавочные резисторы (рис.6). Добавочный резистор представляет собой проводник, имеющий значительное сопротивление. Добавочные резисторы могут быть помещены внутри корпуса прибора, у таких вольтметров на корпусе имеется переключатель пределов измерения.

               

             Рис. 5.                                                     Рис. 6.

 Электрическое сопротивление может быть измерено косвенно с помощью амперметра и вольтметра. Согласно закону Ома для участка цепи R=U/I. Для непосредственного измерения электрического сопротивления применяют омметры. В качестве измерительного прибора в омметре используют миллиамперметр магнитоэлектрической системы с автономным источником тока. При подключении к зажимам проводника, сопротивление которого нужно измерить, ток в цепи определяется по формуле:

где I – ток в цепи, U – фиксированное напряжение автономного источника, Rп – сопротивление прибора, Rxизмеряемое сопротивление.

Из приведенной формулы видно, что о значении измеряемого сопротивления можно судить по силе тока, показываемой амперметром. Поэтому нулевая отметка шкалы омметра находится справа: ведь при наименьшем сопротивлении сила тока в цепи будет наибольшей (рис. 7а).

Рис. 7а.

Для измерения сопротивления шкалу амперметра градуируют непосредственно в омах. Омметр включают параллельно тому участку цепи, сопротивление которого нужно измерить (рис. 7б). Измерение сопротивления участков цепи производиться только при отключенном токе.

              Рис. 7б.

1.5. Измерение электрических величин тестером (авометром)  

Одним из примеров стрелочного прибора являются комбинированные электроизмерительные приборы типа Ц4342, Ц4352, которые предназначены для измерения электрического сопротивления, силы и напряжения постоянного тока, действующего значения силы и напряжения переменного тока и некоторых других величин. Часто подобные приборы называют общим термином авометр или тестер, т.е. прибор, предназначенный для тестирования электрических цепей.

Для проведения измерения тестером необходимо установить переключатель пределов измерения и кнопки переключения рода работ в соответствующее характеру измеряемой величины положения (рис.8). Переключатель пределов измерения первоначально устанавливают в положение, соответствующее максимальному пределу измерения данной величины, затем, если это необходимо, уменьшают предел так, чтобы стрелка прибора располагалась, по возможности, во второй половине шкалы.

Рис. 8. Схематичное изображение лицевой панели авометра (заштрихованная клавиша нажата):

1 – шкала; 2 – обозначение класса точности; 3 – стрелка; 4 – переключатель пределов измерения; 5 – переключатели рода измеряемого тока.

Пусть, например (рис. 8), при измерении в цепи постоянного тока прибор был переключен в режим амперметра с пределом измерения Imax=500мА. Шкала прибора содержит 25 делений. Значит цена одного деления i=500:25=20мА. Стрелка отклонилась на 20 делений. Значит показания прибора I0=i·n=20(мА)·20(делений) = 400мА. Класс точности прибора при измерении в цепях постоянного тока К = 2.5, поэтому приборная погрешность

Окончательный результат измерения представим в виде:

I=I0I=(40012,5)мА.  

После окончания измерения размыкают электрическую цепь, отсоединяют тестер от цепи, все клавиши возвращают в первоначальное (отжатое) положение, переключатель пределов измерения ставят в нейтральное положение (рис.9).

         

          Рис. 9.

1.6. Измерение электрических величин мультиметром

Примером цифрового прибора является мультиметр - комбинированный электроизмерительный прибор, который предназначен для измерения величины электрического сопротивления, напряжения в цепи постоянного тока, действующего значения напряжения переменного тока и его частоты.

Переключение рода работ и пределов измерения прибора производится соответствующими кнопками. Прибор включается в цепь параллельно тому участку, в котором измеряется искомый параметр (рис.10).

Значение искомой величины высвечивается на экране прибора. За приборную погрешность берут половину единицы последнего разряда в записи показаний, соответствующих данному измерению (при нестабильных показаниях допускается за погрешность принимать и целую единицу).

Рис.10. Лицевая панель мультиметра (нажаты заштрихованные клавиши):

1 – экран индикации,

2 – клавиши переключения род а работ,

3 – клавиши переключения пределов измерения,

4 – клеммы для подключения прибора в

электрическую сеть.

Например (рис. 10), при измерении напряжения на участке цепи постоянного тока при пределе измерения 200В на экране появилось число 85,4. Это значение измеряемой величины (U0=85,4В). Последний регистрируемый разряд – десятые доли числа. Значит, приборная погрешность будет равна: U=0,1/2=0,05(В). Окончательный результат измерения будет иметь вид: U=U0U=(85,40,05)В.

2. Практическая часть

  1.  Фронтально-демонстрационная работа.

Задание 1.1. Познакомиться с работой мультиметра. Провести измерения электрического сопротивления резисторов.

Оборудование: мультиметр, набор резисторов, соединительные провода.

Ход работы:  

  1.  Переключаем мультиметр в режим работы «омметра» (клавиша «к») и выбираем наибольший предел измерения (клавиша «2000»).
  2.  Подключаем омметр к измеряемому резистору по схеме (рис.11).
  3.  Включаем мультиметр в сеть.
  4.  Отмечаем показания цифрового табло и, изменяя предел измерения (клавиши «2» – «2000»), получаем наиболее точное значение сопротивления R0 измеряемого резистора.
  5.  По пределу измерения определяем приборную погрешность R.
  6.  Записываем результат измерения R=(R0R)кОм. 

                                     

                      Рис. 11.                                                       Рис. 12.

Задание 1.2. Познакомиться с работой тестера.

Провести измерения силы постоянного тока.

Оборудование: тестер, источник постоянного тока, резистор, соединительные провода.

Ход работы:

  1.  Тестер переключаем в режим измерения силы постоянного тока (клавиша « - » и переключатель пределов измерения вправо).
  2.  Собираем схему для эксперимента (рис.12).
  3.  Включаем источник постоянного тока в сеть.
  4.  Уменьшая предел измерения амперметра, добиваемся расположения стрелки правее середины измерительной шкалы.
  5.  Определяем цену деления шкалы амперметра и фиксируем показание силы тока I0, отмеченное стрелкой.
  6.  Пользуясь классом точности прибора, вычисляем приборную погрешность в данном измерении I.
  7.  Записываем конечный результат в виде I=(I0I)А.

  1.  Индивидуально-групповая работа.

Задание. Провести прямые и косвенные измерения электрических величин с использованием цифровых и стрелочных элетроизмерительных приборов (по индивидуальному заданию преподавателя).

Оборудование: источник постоянного тока, генераторы переменного (синусоидального и прямоугольного) тока, мультиметр, тестер, набор резисторов, соединительные провода, карточки с индивидуальным заданием.

Ход работы:

  1.  Измерение электрического сопротивления.

     1.1. Измерить сопротивление каждого резистора и всей платы в целом.

1.2. Записать результаты измерений с учетом погрешностей: Ri=(R0iRi).

  1.  Проверить правильность измерения с учетом характера соединения резисторов на плате при последовательном () или  параллельном  () соединении резисторов.
  2.  Измерение напряжения.

2.1. При помощи мультиметра выставить выходное напряжение на источнике постоянного тока U0 по заданию преподавателя.

2.2. Учесть погрешность U, с которой выставлено напряжение.

  1.  Косвенные измерения сопротивления и количества теплоты, выделяемой на сопротивлении.

3.1. Собрать электрическую цепь по схеме (рис.13).

Рис.13.

3.2.Измерить напряжение на резисторе с учетом погрешности вольтметра Ui=(U0iUi)В.

  1.  Измерить силу тока в цепи с учетом погрешности амперметра Ii=(I0iIi)А.
    1.  По измеренным Ri и  Ui вычислить силу тока в цепи, используя формулу закона Ома I=U/R, с учетом погрешности косвенных измерений.

3.5. Сравнить измеренное и вычисленное значение силы тока.

  1.  По измеренным значениям Ri и Ii вычислить, используя формулу закона Джоуля-Ленца Q=I2Rt, количество теплоты, выделяющееся на проводнике при прохождении по нему постоянного электрического тока за время t с учетом погрешности косвенных измерений.
  2.  Измерение частоты.

4.1.При помощи мультиметра в режиме частотометра измерить диапазон частоты, вырабатываемой генератором переменного тока.

4.2.Выставить заданную частоту на выходе генератора. Результат показать преподавателю.

В отчете описать выполнение всех заданий фронтальной и индивидуальной работы. Обязательно во всех заданиях нарисовать электрическую схему измерения.

Вопросы выходного контроля

  1.  Какие электроизмерительные приборы используются для измерения силы тока, напряжения, сопротивления, мощности, частоты электрического тока?
  2.  Как включаются в электрическую цепь омметры, амперметры, вольтметры, частотометры при измерении электрических величин?
  3.  Как снять показания с цифрового электроизмерительного прибора?
  4.  Как определить погрешность при измерениях цифровым электроизмерительным прибором?
  5.  Для измерений каких электрических величин можно использовать мультиметр?
  6.  Как можно измерить силу тока в цепи, имея только мультиметр?
  7.  Как определить цену деления стрелочного прибора?
  8.  Как определить приборную погрешность при известном классе точности прибора?
  9.  Как правильно выбрать предел измерения при использовании стрелочного измерительного прибора?
  10.  

Записать значения физических величин с учетом приборной погрешности по показаниям приборов (рис.14) .

Рис. 14.

EMBED PBrush


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79762. Основные составляющие экономической стратегии 39.5 KB
  Все они ориентированы на внешнюю и внутреннюю сферы деятельности фирмы. Товарная стратегия фирмы. Вырабатывает правила и приемы исследования потенциальных рынков товаров и услуг отвечающих миссии фирмы. Товарная стратегия определяет методы поиска наиболее предпочтительных для фирмы стратегических зон хозяйствования СЗХ методы образования и управления наборами СЗХ обеспечивающими внешнюю гибкость фирмы.
79763. Стратегический контроллинг 56.5 KB
  При определении количественной цели необходимо не только разработать систему плановых показателей но и определить их величину и приоритеты. Анализ всех этих областей должен дать совокупность основных важнейших подконтрольных показателей подлежащих управлению в системе контроллинга. Например развитие подконтрольных показателей представлено в табл. Развитие показателей...
79764. Основы методики оценки кредитоспособности фирмы в стратегической перспективе 214 KB
  Оценка кредитоспособности фирмы потенциального клиента банка постоянная проблема с которой сталкиваются подразделения любого банка связанные с реализацией его кредитной политики. На основе такой оценки определяются условия предоставления как краткосрочного так и особенно долгосрочного кредитов банка. Такой анализ представляет собой по существу внешний контроллинг по отношению к фирмеклиенту банка. С другой стороны стратегический контроллинг проводимый банком будет способствовать устойчивости финансового состояния самого банка.
79765. Бизнес-план предприятия. Оформление и стиль бизнес-плана 120.5 KB
  Любое новое дело нуждается в принятии важных предварительных решений о его развитии. Бизнес-план - это очень хорошее средство для их осмысления. В условиях становящегося российского бизнеса уже работающие предприятия и люди, еще недавно далекие от хозяйственной деятельности
79766. Финансовое планирование в экономической организации 244.5 KB
  Значение финансового планирования для внутренней среды организации определяется тем что оно: облекает выработанные стратегические цели в форму конкретных финансовых показателей; устанавливает стандарты для организации финансовой информации; определяет приемлемые границы затрат необходимых для реализации всей совокупности планов фирмы; в части оперативного финансового планирования дает очень полезную информацию для разработки и корректировки общефирменной стратегии...
79767. Общая концепция внутрифирменного планирования 147.5 KB
  Планирование является важнейшей частью предпринимательской практики. Важность планирования выражена в известном афоризме: Планировать или быть планируемым. Смысл высказывания заключается в том, что фирма, которая не умеет или не считает...
79768. Содержание и организация внутрифирменного планирования 294.5 KB
  Планирование в организации может относиться к тому или иному типу в зависимости от признака, по которому происходит классификация. Признаками, определяющими тип планирования
79769. Стратегическое планирование в экономической организации 651.5 KB
  Стратегическое планирование - относительно молодой вид деятельности фирм. Его предтечей стало долгосрочное планирование, которое бизнес начал применять в 50-х годах нашего столетия. Уже долгосрочное планирование оказалось большим шагом вперед
79770. Стратегический менеджмент: сущность и основные составляющие 89 KB
  Понятие стратегического управления. Стратегические проблемы развития производства и трудности стратегического управления. Составляющие стратегического управления и связь между ними. Понятие стратегического управления Слово стратегия греческого происхождения и означает искусство развертывания войск в бою...