e2 (Методички к лабам)

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫФИЗИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИБеззубов Ю.И., Гладков Н.А., С.Н.Тараненко,М.Б.Челноков, М.А.Яковлев.Методические указания к лабораторной работе Э-2 по курсу "Общая физика"Под редакцией В.Н.КорчагинаИздательство МГТУ, 1991Описаны типы электроизмерительных приборов, используемых в физической лаборатории МГТУ. Приведены рекомендации по их эксплуатации.ВВЕДЕНИЕВыполнение большинства лабораторных работ в физическом практикуме сопровождается измерением тока, напряжения, частоты, сопротивления и других электрических величин, что позволяет изучить сущность исследуемого физического процесса или определить параметры установки.

Грамотное использование имеющихся в лаборатории электроизмерительных приборовобеспечит правильность получаемого результата.Основные средства электрических измерений в физическом практикуме следующие: показывающие стрелочные и цифровые амперметры и вольтметры; универсальные цифровые вольтметры; универсальный осциллограф; генератор сигналов низкочастотный.КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВЭлектроизмерительные приборы можно классифицировать следующим образом:1) по функциональному признаку (собирающие, обрабатывающие и (предоставляющие измерительную информацию; аттестующие и поверяющие );2) по способу представления результатов измерения (показывающие и регистрирующие);3) по методу измерения (непосредственно оценивающие и сравнивающие);4) по способу применения и конструкции (щитовые, переносные, стационарные);5) по точности измерения (измерительные, в которых нормируются погрешности; индикаторные или внеклассные, в которых погрешность измерения больше предусматриваемой стандартами; указывающие, в которых погрешность не нормируется);6) по принципу действия или физическому явлению, положенному в основу работы прибора(электромеханические, электронные, электрохимические).ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИНДля измерения различных электрических величин, например тока или напряжения, наибольшеераспространение имеют методы непосредственной оценки и метод сравнения.Непосредственная оценка.

Проводят с помощью амперметров и вольтметров - приборов сострелочным или цифровым способом отсчета.Амперметры включают в разрыв цепи с измеряемым током IИЗМ. Их собственное сопротивле2ние RA и потребляемая мощность Р=RAI ИЗМ должны быть незначительными по сравнению сполным сопротивлением и мощностью измеряемой цепи.Вольтметры подключают к точкам цепи, разность электрических потенциалов U между которыми следует определить. Чтобы не исказился режим работы цепи, входное сопротивление2вольтметра RV должно быть большим, а потребляемая мощность P=U /RV малой.Наиболее высокую точность измерений получают в цепях постоянного тока.

На переменномтоке точность зависит от частоты и с повышением ее снижается.Метод сравнения. Позволяет измерять напряжение и ЭДС с более высокой точностью. Этот метод используют в компенсационных схемах и электронных вольтметрах. Компенсационныйпринцип измерения напряжения позволяет косвенным путем измерять ток с высокой точностью. Суть метода сравнения состоит в том, что измеряемая величина, например напряжение,сравнивается в приборе с напряжением высокостабильного источника, и в момент их равенствапроизводится индикация полученного значения.В настоящее время широкое распространение получили электронные цифровые вольтметры приборы с цифровым отсчетным устройством и аналого-цифровым преобразователем, в котором измеряемая физическая величина (напряжение, ток, сопротивление и т.д.) автоматическипреобразуется в числовой код.

Такие вольтметры имеют ряд преимуществ по сравнению сострелочными приборами. Они обладают широким диапазоном измеряемых напряжений - отединиц мкВ до 1000 В, быстродействием - от одного измерения в 2-3 с до нескольких тысяч в 1с, а также позволяют проводить измерения с малыми погрешностями (0,01...0,005), так какпринцип действия этих приборов, как правило, основан на методе сравнения, а цифровой отсчетисключает погрешность считывания.ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВИзмерительные приборы характеризуются диапазоном измерений, чувствительностью, ценойделения шкалы и классом точности.Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности прибора.

Приборы, имеющие несколько диапазонов измерений, называются многопредельными. Диапазон измерений изменяют при помощи переключателей илидобавочных устройств, например шунтов, сопротивлений.Информацию о процессе, т.е. результаты измерения, наблюдатель получает, как правило, визуально. Для этого в измерительных приборах имеются отсчетные устройства. Например, в аналоговых приборах, непрерывно измеряющих или регистрирующих измеряемую величину, естьшкала (или несколько шкал) и указатель. Шкалой называется совокупность отметок, изображающих ряд последовательных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины.

Врезультате измерения могут перемещаться шкала или указатель. Чувствительностью E прибораназывают отношение перемещения указателя к вызвавшему его изменению измеряемой величины. Перемещение указателя может выражаться в линейных или угловых величинах. Такимобразом,E =dldxилиE =dϕdxгде dl, dφ - линейное и угловое перемещение указателя соответственно; dx - изменение измеряемой величины.В зависимости от вида функции l=f(x) или φ=f(x) чувствительность может быть постояннойвеличиной (если l~х и φ~х) или величиной, зависящей от x.

В первом случае прибор имеет линейную шкалу, во втором - нелинейную.Порог чувствительности (или пороговая чувствительность) - минимальное изменение измеряемой величины, которое может быть зарегестрировано прибором. Чем больше чувствительностьE, тем ниже ее порог. Порог чувствительности зависит и от условий наблюдения (возможностьразличать малые отклонения, стабильность показаний, величину трения и т.д.).Цена деления шкалы прибора - изменение измеряемой величины, вызывающее перемещениеуказателя на одно деление. Как следует из определения,C =dxdlилиC =dxdϕЦена деления обычно выбирается превышающей абсолютную погрешность показания прибора∆. У многих приборов С=2∆∆ или С = 4∆∆.Погрешности и классы точности электроизмерительных приборов. Значения какой-либо вели-чины, полученные в результате измерений с помощью измерительного прибора, отличаются отистинного значения на некоторое число, называемое погрешностью прибора.

Эта погрешностьвключает в себя систематическую и случайную составляющие. Соотношения между ними могут быть различными и поэтому общая погрешность имеет неопределенное, но заключенное взаданных пределах значение.Погрешности измерительных приборов определяются поверкой, т.е. сравнением показаний поверяемого прибора с показаниями более точного, образцового прибора при измерении ими одной и той же величины. Значение измеряемой величины, определенное по образцовому прибору, принято считать действительным. Однако действительное значение отличается от истинного на погрешность, присущую данному образцовому прибору.Абсолютная погрешность - это разность между величиной x измеренной прибором, и действительным ее значением а :∆ = x - a,(1)Относительная погрешность - это отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, выраженное в относительных единицах или в процентах:ε=∆а(2)Приведенная погрешность - это отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению aN измеряемой величины:γ =∆aN(3)Величина aN определяется диапазоном показаний шкалы (рис.

1).Класс точности K - обобщенная характеристика измерительного прибора, определяющая пределы допустимых основных и дополнительных погрешностей:основная погрешность - это погрешность прибора в условиях эксплуатации, которые рекомендованы данному прибору;дополнительная погрешность - это погрешность прибора, возникающая при его эксплуатации вусловиях, отличающихся от рекомендуемых.Класс точности прибора не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этого прибора.

Для электроизмерительных приборов класс точности куказывается в вида числа, равного максимальной допустимой основной приведенной погрешности (в %), т.е.(4)K = γmax ·100%Согласно ГОСТ 1845-59, электроизмерительные приборы делят на 8 классов по точности: 0,05;0,1; 0,2 - образцовые приборы; 0,5; 1,0 - лабораторные; 1,5; 2,5; 4,0 - технические приборы. Образцовые приборы считаются более высокого класса точности по отношению к лабораторным и12342010010300AaN=5 A52030mBaN=60 мВРис.1техническим приборам, а лабораторные - по отношению к техническим.Так, при классе точности 1,0 основная приведенная погрешность не превышает 1 %, а это означает, что в общем случаеγ ≤ K/100.По классу точности показывающих приборов южно определить максимальную абсолютную погрешность Δmax, которую может иметь прибор в любой точке шкалыΔ max = aN γ max =aN K100(5)Относительная погрешности при этом определяется из сравнения выражений (2) и (3) ;ε =γa Na(6)С учетом (4) и того, что а ≈ x на основании показаний прибора и его класса точности можнополучить оценку верхнего значения εε≤KaNa≈K Nx ⋅ 100a ⋅ 100(7)Как следует из (7), для повышения точности измерения прибор надо выбирать так, чтобы, вопервых, он имел более высокий класс точности, и чтобы, во-вторых, предел измерения был близок к значению измеряемой величины.Определив ε, результат измерения в общем вида записывают так:X = x ± Δ.П р и м е р .