Електровимірювальні прилади.

ВИМІРЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

 

Мета роботи – навчитися користуватися електровимірювальними приладами, вивчити методи розширення меж вимірювання амперметра і вольтметра, дослідити шунтований амперметр.

Прилади та устаткування: джерело постійної напруги на 6 ¸ 8 В, два повзункові реостати на 200 Ом, два амперметри на 0.5 ¸ 1.0 А, вимикач, з’єднувальні дроти, шунт.

 

Теоретичні відомості

 

Вивчення електричних, оптичних, теплових та інших явищ, визначення кількісних співвідношень між окремими електричними величинами потребує виконання вимірювань та застосування електровимірювальних приладів. Електричними називаються прилади й технічні засоби, призначені для виявлення або вимірювання в електричному колі будь-якої фізичної величини, що характеризує її електричний стан. У наш час випускають прилади для вимірювання більш ніж 50 електричних величин: сили струму, напруги, частоти, електричного опору, електроємності, індуктивності, потужності і т.д.

 

Амперметром називається прилад, який використовується для вимірювання сили струму. Переміщення покажчика (стрілки приладу) відносно шкали зумовлено дією вимірюваного струму, що проходить по нерухомій котушці (електромагнітна система), через рухому рамку (магнітоелектрична система) або по двох котушках, рухомій і нерухомій (електродинамічна система).

Рис. 1.

При вимірюваннях амперметр вмикають у коло послідовно зі споживачем електричної енергії, тобто так, щоб увесь вимірюваний струм проходив через амперметр. Тому амперметри повинні мати малі опори, щоб вмикання їх не змінювало силу струму в колі (рис. 1).

Оскільки обмотки (особливо для рухомої рамки) виготовлені з тонкого дроту й містять велику кількість витків з малим опором, через амперметр не можна пропускати електричні струми великої сили і, щоб уникнути перегорання, вмикати його, закорочуючи на джерело струму. Тому для розширення меж вимірювання амперметрів використовують шунти.

Шунт – це точно вивірений опір, виготовлений з дроту або пластини манганіну (сплав 86% міді, 12% марганцю, 2% нікелю). Позначимо опір шунта через R_Ш. Манганін має великий питомий опір і малий термічний коефіцієнт, у зв'язку з чим опір шунта практично не залежить від нагрівання його струмом і зміни температури навколишнього середовища.

Шунт вмикається в коло паралельно амперметру А (рис. 2), внаслідок чого через амперметр проходить тільки частина вимірюваного струму. За першим законом Кірхгофа:

I = I_A + І_Ш, (1)

де І_А – сила струму, що проходить через амперметр;

I_Ш – сила струму, що проходить через шунт.

 

Рис. 2.

 

Враховуючи, що при паралельному з'єднанні U_A = U_Ш і таким чином I_A·r_A = I_Ш·R_Ш, звідки маємо . Підставляючи цей вираз в (1), отримаємо:

 

. (2)

 

Коефіцієнтом шунтування амперметра називається відношення величини сили струму I, який проходить через ділянку електричного кола, до величини сили струму І_А, що проходить через амперметр: ,

звідки: I = I_A·n. (3)

 

Прирівнюючи праві частини формул (2) і (3), отримаємо вираз для знаходження опору шунта:

. (4)

 

 

Отже, для вимірювання амперметром в n разів більшого струму, необхідно застосувати шунт, опір якого в n –1 разів менший за опір амперметра. Очевидно, що при вмиканні шунта, межа вимірювання сили струму розширюється в n разів.

 

Вольтметром називається прилад, який використовується для вимірювання напруги (різниці потенціалів). Під час вимірювань вольтметр вмикають паралельно до тої ділянки кола, на якій потрібно виміряти напругу (див. рис. 1). Щоб вольтметр помітно не спотворював вимірюваної напруги, його опір має бути великим порівняно з опором ділянки кола, на якій вимірюється напруга.

Амперметри і вольтметри можуть мати вимірювальні механізми однакової принципової будови (на основі магнітоелектричної, електромагнітної і електростатичної систем), але вони відрізняються параметрами й конструктивним виконанням.

 

Рис. 3.

Якщо необхідно виміряти напругу U між точками M і N, що перевищує номінальне значення приладу U_В в m разів, то застосовують додатковий резистор R_Д, який підключають послідовно до вольтметру (див. рис. 3). Тоді:

U = U_В·m, (5)

де m – коефіцієнт розширення шкали вольтметра.

Напруга на кінцях даної ділянки кола складається з напруги на вольтметрі U_В і напруги на додатковому резисторі U_Д:

U = U_В + U_Д. (6)

Оскільки сила струму I у вольтметрі та додатковому резисторі є однаковою, то, застосовуючи закон Ома, отримаємо:

, звідки .

Підставляючи отриманий вираз для U_Д в формулу (6), отримаємо:

. (7)

Прирівнюючи праві частини формул (5) і (7), отримаємо вираз для знаходження додаткового опору:

. (8)

Отже, щоб виміряти вольтметром в m разів більшу напругу, необхідно взяти додатковий резистор, опір якого R_Д в m –1 разів більший від опору вольтметра.

Оскільки при повсякденному застосуванні електричних приладів виникає необхідність у приладах з різноманітними межами вимірювання, то вигідно виготовляти багатомежні прилади (амперметри, вольтметри). У корпусі таких приладів заздалегідь вмонтовані набори шунтів (в амперметрі) або – додаткових опорів (у вольтметрі), які являються їх невід'ємними конструктивними елементами. Градуювання приладу в цьому випадку проводиться разом з шунтами (додатковими опорами).

Для зміни меж вимірювання на корпусі приладу є перемикач або виводи (клеми) від усіх додаткових елементів (шунтів або додаткових опорів).

Найбільше значення сили струму або напруги на кожній межі вимірювання, яке відповідає останній поділці шкали, називається номінальним значенням величини, або номіналом.

При наявності багатьох меж вимірювання на шкалі приладу не можливо нанести відповідні значення вимірюваної величини, тому що вони змінюються при зміні номіналу. Тому на приладі зазначаються тільки номінали кожної межі вимірювання. Перемикання меж вимірювання в багатомежному приладі, тобто зміна номіналу, призводить до зміни величин, що визначають якість електровимірювальних приладів, а саме – чутливості та точності вимірювання.

Отже, якість електровимірювальних приладів визначається чутливістю, похибками вимірювання, реагуванням на зовнішні електричні й магнітні поля та зміну температури, межами вимірювання, стійкістю щодо перевантажень тощо.

Чутливістю електровимірювального приладу називається відношення лінійного або кутового зміщення покажчика приладу Da до зміни вимірюваної величини Dx, що зумовила це зміщення: S = Da/Dx.

Величина с= 1 /S, обернена до чутливості, називається ціною поділки приладу і визначається відношенням номіналу до кількості усіх поділок приладу.

Для характеристики точності електровимірювального приладу використовується так звана зведена похибка приладу:

,

де Dx – абсолютна похибка вимірюваної величини;

x_н – верхня межа вимірювань (шкали) приладу – його номінальне значення.

Електровимірювальні прилади відповідно до величини їх зведеної похибки поділяються на вісім класів точності: 0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.5; 4. За показником класу точності, що нанесений на шкалу вимірювального приладу, визначається абсолютна похибка вимірювання:

. (9)

 

Прилади класів точності 0.05; 0.1; 0.2; 0.5 використовуються, головним чином, для точних лабораторних вимірювань і називаються прецизійними; прилади класів точності 1.0; 1.5; 2.5; 4 мають назву технічних.

Оскільки Dx є функцією номіналу, то для зменшення абсолютної похибки, а разом з тим – для збільшення точності вимірювань, доцільно використовувати найменший з доступних номіналів (тобто найбільша точність досягається при відліку в кінці шкали).

Відносна похибка вимірювання електричної величини обчислюється за формулою:

, (10)

де x – значення вимірюваної величини.

Отже, для обчислення абсолютної похибки вимірювання сили струму DI амперметром необхідно клас точності приладу () помножити на 0.01 величини номіналу (), тобто:

 

DI = ± g_зв ·0.01· I_Н. (11)

 

Наприклад, для амперметра, клас точності якого дорівнює 0.5, а номінал – І_Н = 0.5А, абсолютна похибка: DI = ±0.5·0.01·0.5А = ±0.0025А.

Якщо виміряна величина сили струму I =0.20А, то відносна похибка її вимірювання цим амперметром дорівнює:

 

.

 

Дослідження шунтованого амперметра

Для дослідження шунтованого амперметра в даній роботі його з'єднують послідовно з еталонним амперметром (див. рис. 4). Одночасне вимірювання декількох значень сили струму в електричному колі цими двома амперметрами дозволяє визначити основні характеристики приладу з шунтом: I_Н, c, n, R_Ш та похибки вимірювання. Необхідно прийняти до уваги, що при шунтуванні приладу його клас точності не змінюється.

 

Рис. 4.

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитись з амперметрами та занести в табл. 1 їх основні характеристики.

Таблиця 1