e2 (физика лабы 2 курс 3-й семестр (методички))

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 .

Ток силой 2,5 А измеряют двумя амперметрами, класс точности которых соответственно 0,5 и 1,0. Диапазон измерений первого амперметра 25 А, а второго 5 А. Оценить относительную погрешность измерения тока в обоих случаях и записать результаты измерений в общем виде. По формуле (7) имеемε 1 = 0 ,5255= 0 ,05 ; ε 2 = 1 ,0= 0 ,022 ,5 ⋅ 1002 ,5 ⋅ 100Результаты измерений с учетом правил округления нужно представить какI1 = (2,5 ± 0,1) A; I2 =(2,50 ± 0,05) А.Из примера видно, что измерение амперметром более низкого класса точности может быть более точным. Следовательно, для достижения заданной точности измерения можно варьироватьклассом точности прибора и его диапазоном измерений.Следует правильно формулировать предложение, в котором дана количественная оценка погрешности. Например: "Измерение тока с абсолютной погрешностью до 1 мА", "Измерение тока с относительной погрешностью до 1 %.

(Выражение "Измерение тока с точностью до 1 мА"неправильно.)ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВПринцип работы приборов зависит от вида действия электрического тока или напряжения. Всоответствии с этим электроизмерительные приборы различают по системам. (При работе сприбором необходимо знание его системы, так как от этого зависят способы его применения.)Магнитоэлектрическая система. Принцип работы приборов данной системы основан на взаимодействии контура с током и магнитного поля постоянного магнита. На рис. 2 показан измерительный механизм прибора магнитоэлектрической системы. Он состоит из постоянного магнита1, полюсных наконечников 2 и неподвижного цилиндрического сердечника 3, выполненного измягкого железа.