Аналоговые и цифровые электроизмерительные приборы

АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

 

Лабораторная работа № 1

 

 

Минск, 2012

УДК 621.317.7.(076.5)(075.8)

ББК 31.221.я7

М 54

 

Составители:

В.В. Черный, Э.Н. Александрова, Д.С. Доманевский, В.Э. Малаховская, Ю.В. Развин.

 

Рецензенты:

К.Л. Тявловский, И.К. Султанова

 

М 54. Аналоговые и цифровые электроизмерительные приборы. Сост. В.В. Черный [и др.] – Мн.: БНТУ, 2012. – 26 с.

 

Пособие содержит описание (теоретическую часть, схемы измерительных приборов и задание) лабораторной работы, посвященной изучению аналоговых и цифровых электроизмерительных приборов.

Пособие предназначено для студентов инженерных специальностей, изучающих раздел “ Электричество и магнетизм ” курса общей физики.

 

 

 

 

ISBN 978-985-479-581-2 ã. БНТУ, 2012

Лабораторная работа №1.

Аналоговые и цифровые электроизмерительные приборы

 

Цели работы:

1. Изучить физические принципы действия, основные характеристики и схемы включения аналоговых электроизмерительных приборов.

2. Изучить физические принципы действия и основные характеристики цифровых электроизмерительных приборов.

Задачи работы:

1. Определить основные характеристики аналогового и цифрового электроизмерительных приборов.

2. На основе электромеханического аналогового прибора собрать и исследовать миллиамперметр постоянного тока и вольтметр постоянного напряжения и определить их классы точности.

 

Введение

 

Измерения силы электрического тока и напряжения являются наиболее распространенными видами электрических измерений. В зависимости от вида тока, его формы, частоты применяются различные методы и приборы для измерения. Наиболее часто используются методы непосредственной оценки и сравнения.

При непосредственной оценке используют электроизмерительные приборы со стрелочным или цифровым способом отсчета. Метод сравнения реализуется в различных компенсационных устройствах. Принцип этого метода состоит в том, что неизвестное напряжение уравновешивается (компенсируется) известным напряжением. Данный метод обладает более высокой точностью.

Измерительным прибором называется средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме,

доступной для непосредственного наблюдения.

Приборы делятся на аналоговые (стрелочные) и цифровые. В аналоговом измерительном приборе показания являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Различают электромеханические и электронные аналоговые приборы. Цифровой измерительный прибор автоматически вырабатывает дискретные сигналы измерительной информации в цифровой форме.

При изучении электрических и магнитных явлений наиболее часто приходится измерять значения таких физических величин, как сила тока и напряжение. Приборы, предназначенные для этих измерений, называются соответственно амперметрами и вольтметрами.

 

Аналоговые электромеханические электроизмерительные приборы.

 

В электромеханических измерительных приборах измеряемая электрическая величина x непосредственно преобразуется в показание отсчетного устройства. Прибор состоит из измерительного механизма и отсчетного устройства, предназначенного для наблюдения и отсчета значений измеряемой величины. Оно включает в себя шкалу и указатель (стрелку), расположенные на лицевой стороне прибора. Измерительный механизм является основным элементом прибора и служит для преобразования электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части прибора. Чаще всего происходит поворот (вращение). Таким путем измеряемая электрическая величина преобразуется в силу, создающую вращающий момент М _ВР. Чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовал определенный угол поворота подвижной части измерительного механизма, необходимо вращающий момент уравновесить противодействующим моментом М _пр, зависящим от угла поворота a. В этом случае М _пр = Wa, где W – удельный противодействующий момент, зависящий только от упругих свойств используемых пружин или растяжек. Зависимость a = f(x) между углом поворота подвижной части измерительного механизма a и измеряемой физической величиной x называется основным уравнением электроизмерительного прибора или уравнением шкалы прибора.

В зависимости от способа создания вращающего момента различают системы аналоговых электромеханических приборов: магнитоэлектрическую, электромагнитную, электродинамическую, электростатическую.

 

Рис. 3. Устройство приборов электромагнитной системы: 1– катушка; 2 – сердечник; 3 – ось; 4 – спиральная пружина; 5 - стрелка; 6 – шкала.

 

 

Выпрямительные приборы

 

Как отмечалось, магнитоэлектрические приборы пригодны только для измерений в цепях постоянного тока. Возможность измерений в цепях переменного тока с помощью таких приборов достигается путем преобразования переменного тока с в пульсирующий ток (направление тока постоянно, а величина изменяется). Это достигается с помощью выпрямителей на основе полупроводниковых диодов. В схеме однополупериодного выпрямителя (рис 4а) через измерительный механизм проходит только положительная полуволна, что определяется включением полупроводникового диода в соответствующей полярности. В двухполупериодной схеме выпрямителя (рис 4б) ток проходит через измерительный механизм в обе половины периода.

 

Рис. 4. Выпрямитель переменного тока; а,б,в – однополупериодная схема; г,д,е – двухполупериодная схема.

 

Выпрямительные приборы измеряют некоторое усредненное значение силы тока или напряжения. При использовании двухполупериодного выпрямителя величина измеренной постоянной силы тока (или напряжения), называемой средневыпрямленной, определяется формулой:

 

 

Для синусоидального тока I_c = 0,637* I_m, где I_m - амплитудное значение тока. На практике используют среднеквадратичное значение тока или напряжения,

называемое действующим или эффективным:

 

 

Действующим называют такой постоянный ток (напряжение), который выделяет такую же тепловую мощность на активном сопротивлении, что и переменный ток.

Величины I_эф и I_с связаны соотношением: I_эф @1.11* I _с. Шкала выпрямительных приборов нелинейна.

 

Шунты к амперметру

 

Ток, вызывающий отклонение подвижной части прибора на всю шкалу, называется током полного отклонения I₀. Если с помощью амперметра необходимо измерить силу тока I больше, чем I₀, к нему параллельно подключается дополнительное сопротивление R_ш, называемое шунтом (рис 8)

.

Рис. 8. Подключение шунта к амперметру.

 

Измеряемый ток разветвляется и только часть его проходит через измерительный прибор. Так достигается расширение предела измерений амперметра. По первому правилу Кирхгофа величины токов связаны соотношением:

 

, (12)

 

где I – сила измеряемого тока, I_p – сила тока, текущего через измерительный механизм (рамку) прибора, I_ш – сила тока, текущего через шунт.

По второму правилу Кирхгофа имеем:

 

, (13)

 

где r - сопротивление рамки амперметра, R_ш – сопротивление шунта. Из (12) и (13) следует, что

 

. (14)

 

Выражение (14) позволяет определить R_ш, при котором отклонение стрелки измерительного прибора на всю шкалу будет соответствовать требуемому пределу измерения силы тока I_пр. Иначе говоря, при I = I_пр ток через амперметр I_р будет равен току полного отклонения: I_р = I₀. В таком случае выражение (14) принимает вид:

 

. (15)

 

На практике используют коэффициент шунтирования (или коэффициент растяжения предела измерений) n для данного значения I_пр, который равен

(16)

Тогда выражение (15) принимает вид:

 

. (17)

 

С данным шунтом цена деления амперметра также возрастет в n раз.

 

Задание

 

1. Определить основные характеристики аналогового прибора.

2. Определить характеристики цифрового вольтметра.

3. По формулам (16) и (17) определить коэффициент шунтирования n и сопротивление шунта R_ш для создания на основе стрелочного прибора амперметра с пределом измерения I_пр = 1,5 мА. Исследовать данный амперметр.

4. По формуле (19) определить величину добавочного сопротивления для создания вольтметра постоянного тока с пределом измерения U_пр = 5В. Исследовать данный вольтметр.

 

Контрольные вопросы.

 

1. Что такое аналоговые и цифровые приборы?

2. Приведите основные характеристики электроизмерительных приборов.

3. Принцип действия и устройство электромеханических измерительных приборов.

4. Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров постоянного и переменного тока.

5. Каков принцип действия и устройство цифрового вольтметра с времяимпульсным преобразованием?

6. Как расширить пределы измерения амперметра и вольтметра? Получите формулы для сопротивления шунта и для добавочного сопротивления.

7. Как расширить предел измерения вольтметра? Получите формулу для добавочного сопротивления.

 

Литература

 

1. Хромой Б.П., Моисеев Ю.П. Электрорадиоизмерения. – М.:Радио исвязь, 1985. – с. 30 – 70.

2. Детлаф А.А.,Яворский Б.М. Курс физики. – М.:Высш. шк., 2001, с. 293 – 296.

3. Мирский Г.Я. Электронные измерения. – М.: Радио и связь, 1986, с. 152 – 207.

4. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. – М.: Мир. 1990, с. 112 – 146.

5.

 

АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

 

Лабораторная работа № 1

 

 

Минск, 2012

УДК 621.317.7.(076.5)(075.8)

ББК 31.221.я7

М 54

 

Составители:

В.В. Черный, Э.Н. Александрова, Д.С. Доманевский, В.Э. Малаховская, Ю.В. Развин.

 

Рецензенты: