Отчёт по лабораторной работе

" Электроизмерительные приборы"

Выполнил: студент 2 курса 513 группы Савельев Влад.

Нижний Новгород, 2016 год.

Цель работы. Исследовать экспериментальным и теоретическим путем свойства потенциометра связанные с перераспределением напряжения в цепи

Теоретическая часть

В зависимости от назначения электроизмерительные приборы имеют различное устройство. Но почти все они имеют подвижную часть, которая может вращаться вокруг оси и при отсутствии тока (или напряжения) удерживается в нулевом положении упругими пружинами. При прохождении электрического тока через прибор (или при создании напряжения между его частями), благодаря действию электрических или магнитных сил на подвижную последняя поворачивается и останавливается в таком положении, при котором действующий на неё момент электромагнитных сил уравновешивается моментом упругих сил со стороны пружины и моментом силы трения.

= _{i (1)}- уравнение движения подвижной части, где - момент количества движения подвижной части, _{i -}момент внешней силы.

_i=0 (2)–условие равновесия подвижной части.

Значение той или иной электрической величины отсчитывают при помощи стрелки, скреплённой с подвижной частью, и шкалы, проградуированной в соответствующих единицах.

В наиболее чувствительных приборах подвижная часть подвешена на тонкой металлической или кварцевой нити. При повороте подвижной части нить закручивается, и в ней возникают упругие силы, уравновешивающие электромагнитное воздействие. Обычно в таких приборах используют световой зайчик, отражённый на шкалу от зеркальца, скреплённого с подвижной частью.

Системы электрических приборов.

По принципу действия электроизмерительные приборы делятся на несколько систем. Систему прибора, а также ряд других сведений, необходимых для работы с ним, можно определить по обозначениям, нанесённым на его шкале и корпусе. Совокупность всех обозначений называется маркировкой прибора.

В магнитоэлектрической системе вращающий момент создаётся за счёт взаимодействия измеряемого тока в подвижной рамке 4 (рис 1) с полем постоянного магнита 1 и прямо пропорционален измеряемому току, так как магнитное поле в зазоре между полюсными наконечниками 2 и цилиндром 3 из мягкого железа всюду одинаково (для данного тока) и направлено вдоль плоскости рамки. Прибор пригоден только для постоянного тока (напряжения) и имеет равномерную шкалу.

В электродинамической системе вращающий момент создаётся за счёт взаимодействия измеряемого тока в подвижной катушке 2 с магнитным полем, создаваемым измеряемым током в неподвижной катушке 1 (рис 2) и пропорционален квадрату измеряемого тока. Шкала прибора неравномерна. Прибор пригоден для измерения постоянного и переменного тока и напряжения, так как при одновременном изменении направления токов в обеих катушках направление сил, действующих на подвижную катушку, не меняется.

В электромагнитной системе вращающий момент создаётся взаимодействием подвижного сердечника 2 из ферромагнитного материала с магнитным полем, создаваемым измеряемым током в неподвижной катушке 1 (рис 3) и пропорционален квадрату тока. При изменении направления тока в катушке меняется одновременно и направление магнитного поля и направление вектора намагничения сердечника, поэтому магнитные силы, действующие на сердечник, не меняют направления. Следовательно, приборы электромагнитной системы можно использовать для измерения силы и напряжения постоянного и переменного тока. Шкала прибора неравномерна.

Рис. 1 Устройство электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы

1-постоянный магнит

2-полюсной наконечник

3-цилиндр

4-рамки

5-пружины

6-корректор (служит для установки стрелки прибора на нуль в отсутствии тока)

Рис 2 Устройство электроизмерительного прибора электродинамической системы

1-неподвижная катушка

2-подвижная катушка

3-демпфер(служит для устранения колебаний)

4-пружины

5-корректор

Рис 3 Устройство электроизмерительного прибора электромагнитной системы

1-неподвижная катушка

2-сердечник

3-пружина

4-корректор

5-демпфер

Рис 4 Устройство электроизмерительного прибора электростатической системы

1-неподвижный электрод

2-подвижный электрод

3-пружина

4-корректор

В электростатической системе вращающий момент создаётся за счёт взаимодействия электростатических полей неподвижного 1 и подвижного 2 электродов, заряженных равноимёнными электрическими зарядами (рис 4) и пропорционален квадрату измеряемого напряжения. При перемене знаков одновременно на обоих электродах направление сил, действующих на подвижный электрод, не меняется. Следовательно, приборы электростатической системы можно использовать для измерения постоянного и переменного напряжения. Шкала неравномерная.

Применение основных электроизмерительных приборов.

Гальванометры – наиболее чувствительные приборы, предназначенные для измерения очень малых токов и напряжений. Такие приборы обязательно снабжены арретиром-приспособлением, закрепляющим подвижную часть и предохраняющую нить от обрыва при переноске и установке прибора.

Для измерения постоянных токов используют почти исключительно приборы магнитоэлектрической системы.

Шкала гальванометра градуируется обычно в процессе измерений. В том случае, когда потребуется установить только наличие или отсутствие тока (так называемый нулевой метод измерения, применяемый, например, при определении неизвестной ЭДС методом компенсации), градуировка вообще не нужна. Для измерения кратковременных импульсов электрического тока употребляются баллистические гальванометры. Если длительность импульса тока значительно меньше периода собственных колебаний подвижной части магнитоэлектрического гальванометра, то амплитуда его первого отброса пропорциональна полному количеству электричества, протекшего через рамку гальванометра за время импульса

Амперметры и вольтметры.

Амперметры служат для измерения силы тока. Чтобы включение амперметра в цепь не изменяло заметно силы тока в цепи, внутреннее сопротивление прибора должно быть значительно меньше сопротивления участка цепи, в котором измеряется сила тока.

Вольтметры служат для измерения разности потенциалов (напряжения) между двумя точками цепи. Чтобы разность потенциалов между концами участка цепи не изменялось при подключении к ним вольтметра, внутреннее сопротивление прибора должно быть значительно больше сопротивления этого участка.

Для измерений токов и напряжений в цепи нужно уметь правильно подбирать приборы. Для этого необходимо:

1.внимательно посмотреть все обозначения на шкале и на корпусе прибора;

2.определить предел измерений - наибольшее значение тока или напряжения, которые можно измерять данным прибором;

3.вычислить цену деления.

Выбранные приборы должны иметь такие пределы измерений, чтобы стрелка при измерениях отклонялась больше, чем на половину шкалы (это уменьшает относительную ошибку измерения), но не выходила за её пределы. Следует проверить соответствие между внутренними сопротивлениями измерительных приборов и сопротивлениями участков цепи, для которых требуется проводить измерения.

Многопредельные и универсальные приборы.

Приборы, снабжённые набором шунтов и дополнительных сопротивлений, которые можно переключать в процессе работы, называются универсальными.

Шунты - калиброванные сопротивления, включённые параллельно измерительному механизму; дополнительные сопротивления - калиброванные сопротивления, включённые последовательно с измерительным механизмом.

Прежде, чем использовать подобные приборы для измерений, необходимо разобраться в способе включения (переключения) шунтов или дополнительных сопротивлений, так как это связано со сменой пределов измерений. Во избежание порчи приборов нужно вначале подбирать такие, чтобы пределы их измерений были наверняка больше максимальных рассчитанных значений сил токов или напряжений. Если в процессе работы окажется, что отклонение стрелки мало, то нужно перейти на шкалу с меньшей ценой деления.

При работе с такими приборами целесообразно записывать показания в делениях шкалы и лишь потом пересчитать их, умножив на соответствующую цену деления, что ограждает от ошибок, связанных с поспешностью вычислений во время работы.

Ваттметры.

Ваттметры служат для измерения мощности, выделяемой током. В лабораториях обычно применяют ваттметры электродинамической системы, пригодные для измерения мощности постоянного и переменного тока. Включение ваттметра в цепь показано на рисунке 5. Одну из катушек cd прибора делают с малым сопротивлением и подключают последовательно к участку цепи ab (как амперметр). Вторая катушка ef с большим сопротивлением подключается параллельно участку цепи ab (как вольтметр).

Так как отклонение стрелки в электродинамическом приборе пропорционально произведению сил токов, текущих по его катушкам, то оно будет пропорционально произведению силы тока в измеряемом участке ab на напряжение между его концами, то есть пропорционально мощности, выделяемой током на этом участке.

Одну из клемм ваттметра, к которой подсоединены концы катушки с малым сопротивлением, обычно помечают буквой I*, а другую – цифрами, указывающими максимальное значение силы тока, которую можно пропускать через эту катушку (5А на рис. 5).

Рис. 5 схема включения ваттметра.

Клеммы, к которым подсоединяют концы катушки с большим сопротивлением, помечены соответственно буквой U*(V*), и цифрами (150В на рис. 5). Произведение I* U* -предел измерений данного ваттметра (750Вт).

Магазины сопротивлений.

Магазин сопротивлений – это набор мер сопротивлений, которые с помощью переключателей можно подсоединить к выходным клеммам прибора в различных сочетаниях. На рис. 6 дана принципиальная схема штепсельного магазина сопротивлений. Выпускаемые магазины сопротивлений предназначаются для работы в цепях постоянного и переменного тока.

Рис. 6 Схема магазина сопротивлений.

Потенциометр -устройство, позволяющее делить напряжение на доли. В качестве потенциометра может служить реостат с подвижным контактом. На рис. 7 дана схема использования реостата в качестве потенциометра.

Рис. 7 схема включения реостата в качестве потенциометра.

АВ - реостат с подвижным контактом, на который подаётся напряжение от источника питания;

Rн - нагрузка, на которую снимается нужная часть напряжения.

Из схемы видно, что напряжение на нагрузке Rн равно напряжению на участке АС; меняя положение движка С, можно снимать на нагрузку любую часть напряжения источника – от 0 до максимального значения.

Ошибки электроизмерительных приборов.

По величине ошибок(погрешностей), которые могут вносить приборы при измерении, они делятся на 7 классов точности: 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1; 1, 5; 2, 5; 4. Цифры класса точности показывают величину возможной относительной ошибки в процентах при отклонении стрелки прибора до последнего деления шкалы. По классу точности можно определить допустимую максимальную абсолютную погрешность измерения.

Например, если у прибора класса точности 1, 0 конечное значение шкалы равно 150, то относительная ошибка при отклонении стрелки на 150 делений составляет 1%, а допустимая абсолютная ошибка такого прибора равна ±1, 0* =±1, 5 делений на любом рабочем участке шкалы. Относительная погрешность при любом другом показании прибора будет больше 1%.

Вот почему для уменьшения относительной погрешности измерений пределы измерений должны выбираться так, чтобы отсчёт производился по второй половине шкалы.

Обозначения класса точности наносятся на видном месте шкалы прибора (для некоторых приборов цифры класса точности помещаются в кружочке)

Для шунтов и дополнительных сопротивлений установлены следующие классы точности: 0, 02; 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0. Класс точности шунта и дополнительного сопротивления определяет допустимое отклонение их сопротивлений от номинальной величины в процентах. Для магазинов сопротивлений установлены следующие классы точности: 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0. Цифры классов точности означают допустимую относительную погрешность в процентах от соответствующих сопротивлений, которые можно получить при помощи данного магазина сопротивлений.

Описание установки.

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 8.

Рис.8 Схема экспериментальной установки.

На рисунке 8 изображена цепь, включающая источник тока (e), потенциометр с нагрузкой (R_р. и R_с., участок AB) и вольтметр (U) для измерения напряжения на нагрузке. В качестве потенциометра используется реостат. В качестве нагрузки взят магазин сопротивлений. Изменяя положение движка C можно снимать любую часть сопротивления в цепи, от нуля до ЭДС источника.

Считая сопротивление вольтметра бесконечным, а сопротивление ЭДС нулевым, схему экспериментальной установки можно перечертить следующим образом.

Рис.9 Схема экспериментальной установки.

Здесь R_р.1+R_р.2=R_р.. Применяя второй закон Кирхгофа для контура e, R_р.1, R_р.2 и контура R_р.1, R_с., а также первый закон Кирхгофа для узла 1, получаем систему уравнений:

, (3)

где I₁, I₂, I соответственно токи через резисторы на схеме R_р.1 и R_р.2, R_с., R_р.2 и R_р.1, R_с. соответственно сопротивления резисторов на схеме R_р.1 и R_р.2, R_с., e - ЭДС.

Учтем также что, ввиду того, что сопротивление равномерно распределено по реостату:

, (4)

где - расстояние, на которое смещён движок C относительно нуля шкалы на реостате,

- длина шкалы на реостате

, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

(9)

(10)

Подставив равенства 4, получим:

. (11)

Практическая часть:

Характеристики магазина сопротивлений.

Класс точности k=0.1. Цена деления c=1 Ом.

ЭДС источника тока e=3 В.

Характеристики вольтметра.

Класс точности . Цена деления Предел измерений 3 В. ( делений). Погрешность (расчетная формула ).

Характеристики реостата.

Цена деления шкалы на реостате c=1 см. Длинна шкалы на реостате L=32 см. Погрешность измерений длинны шкалы на реостате (расчетная формула ). Общее сопротивление реостата R_р.=170 Ом.

Экспериментальные данные представлены в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость напряжения от положения движка.

Результаты эксперимента (в виде точек с погрешностями) вместе с графиками теоретической зависимости представлены на рис.10 (для R_с.=100 Ом.) и на рис. 11 (для R_с.=10000 Ом.)

Вывод: Экспериментальным и теоретическим путем определена зависимость напряжения на нагрузке от смещения движка C относительно нуля шкалы для двух случаев. В одном из них сопротивление нагрузки много меньше общего сопротивления реостата, в другом наоборот.

Литература: 1)Электроизмерительные приборы, описание к лабораторной работе, составитель: Кротикова Н.И., ННГУ им Н. И. Лобачевского, г. Горький, 1974.