Вимірювання електричного струму.

Мета роботи – засвоїти техніку користування електро-вимірювальними 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 поміж 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 як 50 електричних величин: сили струму, напруги, частоти, опору, ємності, індуктивності, потужності і т.п.

 

Амперметром називають прилад, що використовується для вимірювання 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 великі струми і, щоб уникнути перегорання, вмикати його закорочуючи на джерело струму. Струми, що проходять через амперметр I_A, повинні залишатися малими і при вимірюваннях у колі великих струмів I. 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 оточуючого середовища.

Шунт вмикається в коло паралельно амперметру А (рис. 2), внаслідок чого в амперметр відгалужується тільки частина вимірюваного струму.

За першим законом Кірхгофа

I = I_A + I_Ш , (1)

де I_Ш - струм, що проходить через шунт.

 

Рис. 2

Враховуючи, що при паралельному з'єднанні U_A = U_Ш і таким чином I_Ar_A = I_ШR_Ш, звідки маємо . Підставляючи цей вираз в (1), отримаємо

 

(2)

Коефіцієнтом шунтування амперметра називається відношення величини струму I в ділянці до величини струму через амперметр , звідки

I = I_A^.n (3)

 

Порівнюючи вирази (2) і (3), бачимо, що , звідки отримуємо вираз для величини опору шунта (формула 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 струму розширюється в n разів.

 

Вольтметром називається прилад, що використовується для вимірювання напруги (різниці потенціалів). При вимірюваннях вольтметр вмикають паралельно тій ділянці кола, між крайніми точками M i N якої 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 вольтметра (рис. 3). Тоді

U = U_В^. m, (5)

де m - коефіцієнт розширення шкали вольтметра. Напруга на кінцях розглядуваної ділянки кола складається з напруги на вольтметрі U_В і напруги на додатковому резисторі U_Д:

U = U_В + U_Д. (6)

Оскільки струм I у вольтметрі й додатковому резисторі є однаковий, то, застосовуючи закон Ома, отримаємо:

, звідки Підставляючи цей вираз в (6), отримаємо

. (7)

Порівнюючи вирази (5) і (7), бачимо, що , звідки отримуємо вираз для величини додаткового опору (формула 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). В корпусі таких приладів заздалегідь вмонтовані набори шунтів (в амперметрі) або - додаткових опорів (в вольтметрі), які є їх невід'ємними конструктивними елементами. Градуювання приладу в цьому випадку провадиться 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 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 можна 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 і 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, дістала назву ціни поділки приладу і визначається діленням кількості усіх поділок приладу на величину номіналу в відповідних одиницях.

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 функція 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 - вимірювана величина.

Отже для обчислення абсолютної похибки вимірювання сили струму амперметром DI (або - вольтметром DU) необхідно клас точності помножити на 0,01 величини номіналу, тобто

DI = ± g_ЗВ^.0,01^.I_Н (11)

DU= ± g_ЗВ^.0,01^.U_Н

Наприклад, для амперметра, клас точності якого дорівнює 0,5, а номінал -0,5 А, абсолютна похибка DI = ±0,5^.0,01^.0,5 А = 0,0025 А..

Якщо вимірювана величина I дорівнює 0,20 А, то відносна похибка її вимірювання цим амперметром дорівнює

 

= 1,25%.

 

Дослідження шунтованого амперметра.

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

Порядок виконання роботи.

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

Таблиця 1