Лабораторные измерительные приборы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Измерение - это экспериментальное определение численного значения физических величин с помощью специальных технических средств. Процесс измерения - это проведение операции, состоящей в сравнении физической величины с некоторым её значением, принятым за единицу.

В процессе измерения необходимо выполнить ряд логических и вычислительных действий и представить результат измерений в числовой форме с указанием его точности.

Электрические величины измеряются электроизмерительными приборами, которые классифицируются по нескольким признакам:

- по назначению,

по принципу действия, по конструкции, по условиям работы,

- по другим признакам.

В данной работе ограничимся рассмотрением электроизмерительных приборов общего назначения, предназначенных для измерений электрического тока, электронапряжения и электросопротивления, которые далее будут именоваться приборами. Это хотя и достаточно узкий класс электроизмерительных приборов, но он наиболее широко используется в учебном процессе при проведении лабораторных работ, на производстве в научных исследованиях и в быту. Для изучения специальных электроизмерительных приборов (например, приборов, предназначенных для измерения мощности электрического тока, пиковых токов, сдвига фаз и т.д.) следует обратиться к специальной литературе [1,2].

Выделенный нами класс приборов делится по методу измерений на два вида: приборы компенсационные и приборы непосредственной оценки измеряемой величины. Компенсационные приборы (или измерительные мосты) конструктивно состоят из двух частей:

1. эталонных сопротивлений (магазина сопротивлений) или эталонных источников

эдс,

2. устройства сравнения.

На устройство сравнения подаются значения эталонной и измеряемой величины.

Путём увеличения (или уменьшения) в известное количество раз (к) измеряемая величина приравнивается к эталонной.

Зная величину эталона (U_3T) и коэффициент увеличения (уменьшения) - к, находится значение измеряемой величины:

U_x=k-U_эm; J_x=k.J_эm; R_x=k-R_эm.

Главным достоинством измерительных мостов является высокая точность измерения и отсутствие влияния прибора на результат измерения (что имеет место при измерении приборами непосредственной оценки). Главный недостаток - длительность процесса измерения.

Применение измерительных мостов и методики измерений изучаются в отдельных лабораторных работах данного курса. В приборах непосредственной оценки значение измеряемой величины определяется непосредственно с помощью отчётного устройства, например по положению стрелки-указателя относительно шкалы или цифрового табло.

Основной элемент прибора непосредственной оценки есть особое устройство, которое называется чувствительным элементом или измерительным устройством. По принципу работы чувствительные элементы (и сами приборы) делятся на два класса: электромеханические и электро-цифровые.

Рассмотрим работу чувствительного элемента отдельно для электромеханических и электронно-цифровых приборов.

В электромеханических приборах чувствительный элемент - это устройство, в котором энергия электрического тока, протекающего через специальный проводник, преобразуется в энергию перемещения подвижной части, в виде поворота её на некоторый угол, величина которого пропорциональна величине тока.

Наиболее распространены два вида электромеханических чувствительных элементов: магнитоэлектрические и электромагнитные.

В магни|1о<электрической системе специальный проводник представляет собой катушку из нескольких десятков витков провода в форме рамки, помещённой в поле постоянного магнита.

На оси рамки закреплена стрелка - указатель-с одной стороны и упругий элемент, противодействующий вращению с другой (рис. 1). Когда в катушке-рамке течёт электрический ток, за счёт взаимодействия магнитного поля магнита с электрическим током в рамке возникает момент сил, вращающий рамку со стрелкой. Величина угла отклонения рамки со стрелкой пропорциональна силе тока в катушке-рамке.

Символ, обозначающий магнитно-электрическую систему, представлен на рисунке (Рис.2). Он наносится на корпус соответствующего прибора.

Достоинства магнитоэлектрической системы следующие: равномерная шкала, и слабое влияние прибора на результат измерения, вследствие малого сопротивления катушки-рамки.

Недостатки: неустойчивость к токовым перегрузкам и измерение только постоянных токов.

В электромагнитной системе специальный проводник, по которому течёт измеряемый ток, представляет собой неподвижную катушку из нескольких сотен витков провода. Внутри катушки имеется полость, в которой может перемещаться, сердечник из магнигнитовосприимчивого материала. С одного конца оси сердечника закреплена стрелка-указатель, с другого элемент, противодействующий вращению (Рис. 3.).

Когда в катушке протекает ток, внутри катушки и в полости возникает магнитное поле, которое втягивает сердечник вовнутрь катушки, создавая момент сил вращения оси сердечника со стрелкой.

По величине угла отклонения судят о величине тока. Символ (Рис.4), обозначающий электромагнитную систему, наносят на корпус прибора.

Достоинства электромагнитной системы: измерение, как постоянных токов, так и переменных токов, устойчивость к токовым перегрузкам.

Недостаток: неравномерная шкала, значительное электрическое сопротивление катушки, неустойчивое положение стрелки.

На основе одного чувствительного элемента того или иного вида можно построить целый класс приборов для измерения электрического тока, напряжения и электрического сопротивления в широком интервале значений измеряемых величин. На примере конкретного чувствительного элемента рассмотрим, как это можно сделать.

Пусть магнитоэлектрический элемент изготовлен таким образом, что при протекании по катушке-рамке электрического тока 1 мА и электрическом сопротивлении катушки 1 Ом отклонение стрелки будет максимальным в данной конструкции (допустим 75 делений на шкале).

Такую конструкцию можно использовать, как измеритель тока в диапазоне 0 ÷ 1мА. Очевидно, что если на выход катушки-рамки подать напряжение 1мВ, то в катушке возникает ток

Следовательно, напряжение 1 мВ такжевызовет максимальное отклонение стрелки. Следовательно, данный чувствительный элемент можно использовать как вольтметр в диапазоне 0 ÷ 1 мВ.

Электроизмерительные приборы в которых используется только чувствительный элемент принято называть гальванометром.

Рассмотрим создание на основе данного чувствительного элемента амперметр с диапазоном измерений 0 ÷ 1А и вольтметр в диапазоне 0 ÷ 1В.

Для решения первой задачи надо составить измерительную цепь из двух параллельно соединённых проводников. Один из этих проводников есть катушка-рамка, через которую при измерении максимального тока диапазона должен протекать ток 1 мА (вызывающий максимальное отклонение стрелки). Через другой проводник с сопротивлением R_ш, должен протекать остальной ток (рис.5) (1000мА -1мА=999мА).

Величина R_ш, рассчитывается. В параллельных электрических цепях выполняется соотношение

Тогда

Проводник R подключённый параллельно к рамке-катушке называется шунтом

амперметра. Шунт представляет собой мини катушку из нескольких витков провода или протяжённый брусок или цилиндр, изготовляемые с высокой точностью.

Для решения задачи создания вольтметра для измерения в диапазоне 0 -г-1В надо составить измерительную цепь, состоящую из двух, последовательно соединённых проводников. Один из этих проводников есть катушка-рамка. При измерении максимального напряжения в данном диапазоне (1В), по катушке-рамке должен течь ток 1мА, вызывающий максимальное отклонение стрелки. Другой проводник измерительной

цепи (Рис.6) имеет сопротивление Я_д. Величина Я_д рассчитывается из соотношения:

тогда

Проводник R_д, подключённый последовательно к катушке-рамке называется

дополнительным сопротивлением. Он представляет собой мини катушку, цилиндр или брусок.

Таким образом, рассчитывая сопротивления шунтов и добавочные сопротивления и составляя из них соответствующие измерительные цепи, можно на основе данного чувствительного создавать амперметры и вольтметры в широком диапазоне измеряемых величин.

При создании на основе данного чувствительного элемента прибора для измерения электрического сопротивления - омметра в измерительную цепь вводится эталонный источник питания - U_э с известной ЭДС, набор дополнительных сопротивлений - R_oi и сопротивления R_x величину которого следует определить.

Для данного диапазона измерений, R_oi подбирается таким образом, что выполняется соотношение

где тогда

В серийных омметрах R_x не рассчитывается, а определяется по положению стрелки на проградуированной шкале.

Однопредельные и многопредельные электроизмерительные приборы.

Приборы, в конструкции которых используется единственный шунт или добавочное сопротивление, называются однопредельными приборами. Предел измеряемой величины единственный и строго фиксированный (например 0-г- 1). Шкала однопредельных приборов проградуирована в единицах измеряемой величины.

Приборы, в конструкции которых имеется несколько шунтов и добавочных сопротивлений, к которым можно поочерёдно подключиться, называются многопредельными приборами. Число пределов или диапазонов измерений равно числу подключаемых шунтов или добавочных сопротивлений.

Подключаться шунты или добавочные сопротивления могут посредством отдельных клемм на панели прибора (Рис.8) или посредством ручки переключений диапазонов (Рис.9).

В многопредельных приборах может быть несколько шкал, соответствующих числу диапазонов измерений или одна шкала с определённым числом делений (например 100 делений). При наличии одной шкалы с делениями для определения численного значения определяемой величины следует проделать некоторые расчёты. Во-первых, определить цену деления прибора, то есть определить сколько единиц измеряемой величины содержится в одном делении шкалы прибора. Для этого следует максимальное значение величины в данном диапазоне поделить на число делений шкалы.

Например: диапазон 0:1А, число делений-100

Цена деления=1А/100=0.01A=10мА.

Далее для определения значения измеряемой величины следует умножить цену деления на число делений, указанных стрелкой прибора.

Например: стрелка прибора указывает на 80 делений, тогда измеряемый ток J=80 цену деления=80 10мА=800мА=0,8А.

Q-величина, обратная цене деления прибора называется чувствительностью прибора

На практике термин «чувствительность» используется редко, как правило при измерении предельно малых токов и напряжений.

Погрешность приборов.

При проведении любых измерений следует определять их погрешность. То есть представить результаты измерений в виде:

J=J_изм ± J

Где J_изм - отсчёт по шкале прибора, J - погрешность измерений.

В практике измерений исправным прибором со стрелочным указателем погрешность прибора не превышает ±0,5 цены деления прибора.

В рассмотренном выше примере по измеренный ток следует представить:

J=J_изм ± J=800mA± 5mA = (800 ± S)mA

Точность измерений характеризуется приведённой погрешностью измерений данного прибора - р.

По определению приведённая погрешность есть:

где - погрешность измерения,

i_max - верхнее значение диапазона измерений.

пример:

Приведённая погрешность в процентах (р х 100%).

Определяет класс точности приборов. Существует семь классов точности: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4.

Класс точности прибора обычно указан на корпусе прибора (цифра в кружочке вблизи шкалы).

Маркировка приборов.

Согласно гос. стандарту на корпусе электромеханических приборов помещены следующие условные обозначения.

1. Тип прибора, марка завода, заводской номер и год изготовления.

2. Символы, измеряемой данным прибором величины: «1»-электрический ток, «U»- напряжение, «R» - сопротивление.

3. Обозначение вида тока (напряжения):

«=»-постоянный,

«~»-переменный,

«»- постоянный и переменный. 4.Символ системы чувствительного элемента. 5.Класс точности приборов. Возможны и другие символы, несущие специальную информацию о приборе [1,2].

Электронно-цифровые измерительные приборы.

Основной элемент электронно-цифровых измерительных приборов (чувствительный элемент) есть специализированное измерительное электронное устройство микросхема БИС АЦП (большая интегральная схема с аналого-цифровым преобразователем). При подаче на вход микросхемы электронного сигнала (в частности напряжения) микросхема преобразует сигнал, измеряет и результат измерения выводит в цифровой форме на табло. В приборах общего назначения если при измерении не требуется высоких временных характеристик используется микросхема БИС АЦП типа КР 572, ПВ5 или её иностранные аналоги. Данная микросхема, соединённая с цифровым

индикатором преобразует постоянное напряжение, данное на вход в интервале от 0 до 199,9 мВ в цифровую форму, высвечивающуюся на табло. Микросхема выполнена в виде пластикового корпуса размера 1,5 х 2см. с восемью выходами-ножками (Рис.10). Описание микросхемы и способы её подключения приведены в специальной литературе [3].

Рис. 10

Подключая к входу микросхемы измерительную цепь, состоящую из эталонного сопротивления, системы шунтов и добавочных сопротивлений (аналогично подключению для электромеханических систем) получают электронно-цифровые измерительные приборы в широком интервале измеряемых величин. Вид измерений (J,U,R) и диапазон измерений выбирается поворотом соответствующей ручки и высвечивается на табло. Кроме того, в корпусе приборов помещён блок питания микросхем и индикатора и система защиты от перегрузок и ошибок пользователя.

Погрешность при измерении электронно-цифровым прибором (если не оговорена специально в инструкции прибора) принимается ± 1 последней значащей цифры.

Например: 1824± 1; 12,64± 0,01; 132,1±0,1.

Контрольные вопросы:

1) Как можно увеличить пределы измерения приборов?

2) Как включаются в сеть вольтметр и амперметр?

3) Что показывает цена деления прибора и как ее определить?