Файл: Изучение амперметра и вольтметра.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

_______________________________________________

Казанский государственный

энергетический университет

ИЗУЧЕНИЕ АМПЕРМЕТРА И ВОЛЬТМЕТРА

Методические указания

к лабораторной работе

по дисциплине
«Физика»

Казань 2015
УДК 530.145

ББК 22.37

О62

О62

Изучение амперметра и вольтметра: Методические указания к лабораторной работе по курсу «Физика» / Сост.: С.Ф. Малацион, В.А. Еськин – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2013. – 16 с.

Методические указания предназначены для студентов всех специальностей изучающих разделу «Электричество и магнетизм» курса физики. Данное методическое пособие содержит необходимые сведения по классификации, систематизации и методики по практическому использованию измерительных приборов амперметра и вольтмера для измерения силы тока и напряжения при выполнении лабораторных работ. Указаны методики по обработке результатов измерений, анализа погрешностей и оформлению отчета.

УДК 530.145

ББК 22.37


Ó Малацион С.Ф., Еськин В.А.

Ó Казанский государственный энергетический университет, 2014

Цель работы: ознакомиться и изучить основные электроизмерительные приборы и методики измерений на примере амперметра и вольтметра.

Для измерений напряжения и тока в цепях постоянного и переменного тока на практике используются электроизмерительные приборы .

Электроизмерительные приборы классифицируются по роду измеряемой величины: амперметры (миллиамперметры, микроамперметры), вольтметры (милливольтметры, микровольтметры), ваттметры, омметры и т.д.

При включении эти приборы не должны вносить заметных изменений в электрическую цепь, чтобы не менять величины измеряемых токов и напряжений. Это значит, что амперметр должен обладать малым сопротивлением, а вольтметр - большим по сравнению с сопротивлением цепи или ее участка

Основными характеристиками электроизмерительных приборов являются: система, класс точности, пределы измерений и чувствительность к измеряемой величине. Шкала электроизмерительного прибора содержит исчерпывающую информацию о назначении прибора, его характеристиках и способе применения и т.д. (см. Таб.1) Помимо делений для отсчета измеряемой величины, на шкалу наносятся условные обозначения основных характеристик прибора. Они обозначаются на шкале прибора условными знаками (см. Таб.1).

Таблица 1

№ п/п	Система прибора	Условное обозначение системы по шкале
1	Магнитоэлектрическая
2	Электромагнитная
3	Электродинамическая
4	Электростатическая
5	Тепловая
6	Электронная
7	Защита от внешних магнитных полей
8	Защита от внешних электрических полей
9	Горизонтальное положение прибора
10	Вертикальное положение прибора
11	Класс точности	1,0
12	Прибор для измерения в цепи постоянного тока
13	Прибор для измерения в цепи переменного тока
14	Испытательное напряжение изоляции между электрической цепью прибора и корпусом в кВ

1. 
   Устройство и принцип действия.
   

В зависимости от принципа действия измерительного механизма различают системы:, электромагнитную, электродинамическую ,электростатическую. Стрелочные электроизмерительные приборы состоят из подвижной и неподвижной частей. По величине перемещения подвижной части судят о величине измеряемого тока, напряжения, мощности и т.д.

Рассмотрим устройство стрелочного прибора магнитоэлектрической системы. Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии поля постоянного магнита и подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток.

Магнитоэлектрический измерительный механизм (рис. 1а) выполнен в виде постоянного магнита 1, снабженного полюсными наконечниками 2, между которыми укреплен стальной сердечник 3. В кольцеобразном воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и сердечником, помещена подвижная катушка 5, намотанная на алюминиевый каркас 6 (рис. 1б). Катушка выполнена из очень тонкого провода и укреплена на оси, связанной со стрелкой спиральными пружинами 4 или растяжками. Через эти же пружины или растяжки осуществляется подвод тока к катушке и для создания противодействующего момента. На оси подвижной части укреплена стрелка, конец которой перемещается по шкале прибора.

Шкалой называется совокупность ряда отметок (штрихов) и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих значениям или отклонениям измеряемой величины, а также основные характеристики электроизмерительных приборов.


Рис. 1. Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма

Достоинством приборов магнитоэлектрической системы могут считаться: высокая чувствительность к измеряемой величине; высокая точность (класс точности до 0,05), малая чувствительность к внешним магнитным полям, простота и надежность конструкции; небольшое собственное потребление мощности.

В приборах электромагнитной системы в неподвижной катушке, по которой протекает измеряемый ток, создается магнитное поле. В это магнитное поле втягивается, поворачиваясь на оси, ферромагнитный сердечник, намагничиваемый этим же полем.

Достоинством этих приборов могут считаться: простота и надёжность конструкции, малое собственное потребление мощности.

К недостаткам приборов этой системы следует отнести: невысокую чувствительность к измеряемой величине; относительно низкую точность (класс точности до 1,0); большую чувствительность к внешним магнитным полям.

2. Защита измерительных приборов

Все измерительные средства особенно их преобразователи и механизмы защищают от попадания мелких твердых частиц, пыли и воды. Степень защиты измерительных приборов определена и нормируется российским национальным стандартом ГОСТ 14254 и международным стандартом DIN EN 60 529.

Для обозначения степени защиты приборов применяются две цифры:

первая цифра определяет защиту от попадания твердых частиц и пыли;

вторая - от влаги.

Классификация приборов по степени защиты от твердых частиц и влаги приведена в таблице 2.
Таблица 2

Защита от твердых частиц и пыли
Частицы более 1,0 мм	IP4...
Несильное запыление, осадок пыли	IP5...
Сильное запыление, проникновение пыли	IP6...
Защита от влаги
Распыленная вода, мелкие брызги	IP...3
Большие брызги	IP...4
Напор воды	IP...5
Обильное обливание водой	IP...6
Временное погружение в воду	IP...7

Примечание: точками обозначены недостающие цифры в обозначении степени защиты от другого вредного фактора.

Пример. Обозначение степени защиты измерительного прибора и ее пояснение:
IP67 означает, что прибор способен сохранять заданную функциональность в следующих условиях: "Проникновение пыли" и "Временное погружение в воду"

3. Класс точности

Абсолютной погрешностью показания прибора называется разность между истинным известным нам значением измеряемой величины (обозначенным через Х) и показанием прибора (обозначенным через х)

(1.1)

а относительной погрешностью – отношение абсолютной погрешности показания прибора к величине этого показания, выраженное в процентах:

. (1.2)

Государственными стандартами чаще всего нормируется приведенная погрешность.

Класс точности определяет наибольшее допустимое значение приведенной погрешности γ, определяемой по формуле:

, (1.3)

Где х_m – максимальное значение показаний прибора (предел измерения);

Δх – максимальная допустимая абсолютная погрешность, принимаемая одинаковой для всех точек шкалы.

Таким образом класс точности – относительная погрешность измерения, выраженная в процентах от установленного предела измерения прибора. Класс точности указывается на шкале или в паспорте прибора. ГОСТом установлены следующие классы точности измерительных приборов: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0 (%).

Расчет погрешностей электрических измерений существенно отличается от расчета погрешностей механических величин.

Пример. Милливольтметром со шкалой до 50 мВ, имеющим класс точности 0,5, измерено напряжение 5,0 мВ. Максимальная абсолютная погрешность при измерениях любого напряжения в пределах от 0 до 50 мВ равна



Следовательно, относительная погрешность измерения

.

Как следует из определения класса точности, Е_х≥γ. Поэтому при работе с электроизмерительными приборами следует подбирать такие режимы измерений, при которых показания приборов приходились бы на вторую половину шкалы: это обеспечит меньшую относительную погрешность результата. Так, если в рассмотренном примере воспользоваться милливольтметром со шкалой на 10 мВ даже более низкого класса точности (например, равного 1,5), то абсолютная погрешность будет равна

,

а относительная погрешность:

.

Следует иметь в виду, что приведенное выше определение класса точности электроизмерительного прибора не применимо к всевозможным магазинам: магазинам сопротивлений, емкостей, индуктивностей и т.д. Для всех этих приборов класс точности определяет абсолютную погрешность соответствующей величины, набранной на магазине.

Магазином сопротивлений называется прибор представляющий набор сопротивлений различного номинала, из которых можно набрать сопротивление необходимого значения путем их соединения в данном приборе.

Пример. На магазине сопротивлений РЗЗ, имеющего класс точности 0,2 набрано сопротивление 1,5 кОм. Абсолютная погрешность величины этого сопротивления равна



Погрешности измерения цифровыми приборами рассчитываются по формулам, которые приводятся в их технической документации. Причем эти формулы различны для разных измеряемых величин и пределов измерений.

Например, погрешность измерения цифровым прибором определяется по формуле:

,

 - коэффициент, зависящий от пределов измерений и рода измеряемой величины – допустимое значение основной погрешности.

4. Пределы измерений

Электроизмерительные приборы со стрелочной индикацией.

Значение измеряемой величины х, при котором стрелка прибора отклоняется до конца шкалы, называется пределом измерения этого прибора Хm.

Электроизмерительные приборы могут иметь несколько пределов измерений (так называемые многопредельные приборы.) необходимо помнить, что при измерениях таким прибором на различных пределах цена деления будет различна, поэтому необходимо уметь определять цену деления.

С – цена деления прибора – одно наименьшее деление шкалы прибора, выраженое в метрических единицах определяется по формуле:



Пример. Амперметр имеет два предела измерения: 15 и 30 А. шкала прибора имеет 150 делений. Цена деления

для предела 15 А равна ,

для предела 30 А – .

Электроизмерительные приборы с цифровой индикацией.

В электроизмерительных приборах с цифровой индикацией предел, чувствительность и точность измерений прибора оговаривается в паспорте на этот прибор. Если предела измерения паспорт отсутствует, то предел измерения равен наибольшему возможному численному значению цифровой индикации прибора.

С – цена деления прибора – равна наименьшему числу наименьшего разряда цифрового индикатора в измеряемых прибором метрических единицах (В, А, Вт и т. д.).

Пример. На индикаторе прибора значение измеряемой величины равно 99.91 условных измеряемых величин.



Рис.2

Предел измерения прибора - 99.99

Цена деления – 0,01 (В, А, Вт и т. д.).

Диапазон измерения

Значение измеряемой величины, соответствующее всей шкале прибора с нормированной погрешностью, называют диапазоном измерения по шкале прибора. Диапазон измерения по шкале не всегда совпадает с пределом измерения прибора, в этом случае пределом измерения прибора является наибольшая и наименьшая величины, которые могут быть измерены прибором.

Пример. Амперметр с пределом измерения от 50 до 75 А имеет диапазон измерения по штриховой шкале 25 А.

5. Чувствительность

Чувствительность прибора очень важная характеристика, которая оценивается наименьшим изменением значения измеряемой величины, способным вызвать малейшее заметное изменение показаний прибора, и называется порогом чувствительности или разрешающей способностью прибора.

Чувствительностью стрелочного электроизмерительного прибора называется отношение линейного или углового перемещения указателя к измеряемой величине, вызвавшей это перемещение, т.е.

,

где n – угловое или линейное перемещение;

х – измеряемая величина.

Пример. При измерении тока, равного 2,5 А, указатель прибора изменил свое положение на 50 делений. Следовательно, чувствительность прибора по току равна

.

Чувствительность прибора – величина, обратная цене деления S=1/С

6. Параллакс


Рис.3

Параллаксом называется кажущееся смещение указателя относительно штрихов шкалы (рис. 3) при наблюдении в направлении, не перпендикулярном плоскости шкалы. Это явление связано с особенностями строения органов зрения человека и может приводить к значительным погрешностям при считывании показаний с измерительного прибора или инструмента.
Погрешности отсчета, вызываемые параллаксом, особенно ощутимо проявляются у штангенциркулей и часто превосходят величину отсчета по нониусу.
Погрешность параллакса, согласно обозначениям, принятым на рис. 3, будет равна

δ = h tg φ.

Для уменьшения погрешности от параллакса расстояние между отсчетным индексом (стрелкой) и шкалой должно быть минимальным, а отсчет следует производить при наблюдении перпендикулярно плоскости шкалы.

Изучение амперметра и вольтметра

В данной работе изучаются два типа приборов: амперметр и вольтметр.

Амперметр, служащий для измерения силы тока в цепи, включается в цепь последовательно с этим участком цепи Рис 4.



Рис 4 Рис 5

Вольтметр, предназначенный для измерения напряжения на участке цепи, включается параллельно к этому участку Рис 5.

При включении в электрическую цепь эти приборы не должны вносить заметных изменений в значения измеряемых токов и напряжений. Это значит, что амперметр должен обладать малым сопротивлением, а вольтметр – большим по сравнению с сопротивлением цепи или ее участка.

Электроизмерительные приборы часто имеют несколько пределов измерений. Это достигается использованием шунтов (для амперметров) и дополнительных сопротивлений (для вольтметров).

Шунтом называется сопротивление ( Rш ), подключенные параллельно к амперметру

(Рис. 6).



Рис..6

При шунтировании только часть тока I_а от измеряемого I ответвляется в прибор и непосредственно измеряется. Остальной ток I_ш идет через шунт ( Rш ).

Пусть надо измерить ток I в n раз больший, чем максимально допустимый через прибор ток I_а. Внутреннее сопротивление амперметра R_а известно. Определим, пользуясь законом Ома, сопротивление необходимого шунта R_ш.

Падения напряжения на амперметре и шунте одинаковы, так как они соединены параллельно:

. (1)

(2)



Обозначим: I/I_а=n.
(4)

; (5)

Из этих уравнений находим:

. (6)

Следовательно, для расширения предела измерения амперметра в n раз необходимо, чтобы сопротивление шунта было в ( n – 1 ) раз меньше сопротивления прибора.

Если шунт изготовляется из провода, то его длину l рассчитывают по формуле для сопротивления

откуда (7)

где S – площадь сечения провода; ρ – его удельное сопротивление.

Дополнительным сопротивлением ( Rд ) называется сопротивление, подключенное последовательно к вольтметру для увеличения его предела измерений. В качестве вольтметра может быть использован любой электроизмерительный прибор, с известным внутренним сопротивлением R_В, проградуированный в единицах напряжения и включаемый параллельно участку цепи, на концах которого измеряется напряжение (рис. 7).



Рис. 7

Пусть измеряемое напряжение V в n раз больше, чем максимальное допустимое напряжение на вольтметре. Тогда (см. рис. 7) можно так подобрать R_д, чтобы падение напряжения на нем было равно

(8)

Поделив это уравнение на , и обозначив , а так же учтя, что через вольтметр и дополнительное сопротивление идет один и тот же максимальный допустимый для вольтметра ток I_макс, получим:

(9)

, (10)

Следовательно, для расширения предела измерений вольтметра в n раз надо подключить к нему последовательно дополнительное сопротивление, в ( n-1 ) раз большее внутреннего сопротивления вольтметра R_В.

В данной работе в качестве дополнительного сопротивления используется магазин сопротивлений.

ЗАДАНИЕ

Изучить приборы, находящиеся на рабочем месте: амперметр, вольтметр, милливольтметр (миллиамперметр).

Данные амперметра, вольтметра и милливольтметра занести в табл. 4. Если прибор многопредельный, то для каждого предела измерений необходимо заполнить отдельную строку.
Таблица №4

№п/п	Наименование прибора	Заводской номер	Система	Класс точности	Предел измерений	Число делений шкалы	Цена деления	Чувствительность	Абсолютная погрешность	Внутреннее сопротивление на данном пределе измерений
					Хm	n			ΔX
1

Контрольные вопросы:

1. 
   Как определить рабочее положение измерительного прибора и испытательное напряжение изоляции между электрической цепью прибора и корпусом? Как включаются электрические измерительные приборы амперметр и вольтметр?
   

(Нарисовать схему электрическую принципиальную состоящую из источника питания, сопротивления и вольтметра (амперметра).

2. 
   Какими должны быть внутренние сопротивления амперметра и вольтметра и почему?
   
3. 
   Электрическая прочность изоляции прибора?
   
4. 
   Абсолютная погрешность амперметра и вольтметра при измерениях. Относительная погрешность амперметра и вольтметра при измерениях?
   

4) Что такое класс точности прибора и его формула?

5) Как определяется абсолютная погрешность измерения, если известен класс точности

прибора? Привести примеры.

6) Где, в какой половинке шкалы относительная погрешность будет min?

7) Что такое предел измерений, цена деления на многопредельном измерительном приборе.

8) Что такое чувствительность?

9) Что такое шунт (вывести формулу для определения сопротивления шунта Rш). Для чего он служит?

10) Для чего служит дополнительное сопротивление (вывести формулу для определения дополнительного сопротивления Rд?


Задачи:

1. Считая сопротивление вольтметра бесконечно большим, а сопротивление амперметра



рис.20

и ЭДС бесконечно маленьким, определяют сопротивление R по показаниям амперметра и вольтметра в схеме на рис.20.Найти относительную погрешность найденного сопротивления, если в действительности сопротивление вольтметра равно R_V=1000 Ом а R равного: 1) 10 Ом, 2) 100 Ом, 3) 1000 Ом.



рис.21

2.Считая сопротивление амперметра и сопротивление ЭДС бесконечно малым, а R_V бесконечно большим определяют сопротивление резистора R по показаниям амперметра и вольтметра в схеме на рис.21.Найти относительную погрешность найденного сопротивления, если в действительности сопротивление амперметра равно R_А. =0,2 Ом. Задачу решить для R равного: 1) 1 Ом, 2) 10 Ом, 3) 100 Ом.
3. Амперметр, сопротивление которого 0,16 Ом, зашунтирован сопротивлением в 0,04 Ом. Амперметр показывает 8 А. Чему равна сила тока в магистрали?
4. Имеется предназначенный для измерения токов до 10 А амперметр сопротивлением в 0,18 Ом, шкала которого разделена на 100 делений. 1) Какое сопротивление надо взять и как его включить, чтобы этим ампеметром можно было измерить ток до 100 А? 2) Как изменится при этом цена деления амперметра?
5. Имеется предназначенный для измерения разности потонциалов до 30 В вольтметр сопротивлением в 2 кОм, шкала которого разделена на 150 делений. 1) Какое сопротивление надо взять и как его включить, чтобы этим вольтметром можно было измерить напряжение до 75 В? 2) Как изменится при этом цена деления вольтметра?
6. Миллиамперметр со шкалой от 0 до 15 мА имеет сопротивление, равное 5 Ом. Как должен быть включен прибор в комбинации с сопротивлением (и какого значения) для измерения: 1) силы тока от 0 до 0,15 А, 2) разности потенциалов от 0 до 150 В?