14

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № Ф 2 - 0

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Цель работы:

1. Изучить принцип действия электроизмерительных приборов.

2. Научиться определять технические характеристики приборов.

3. Освоить методику определения показаний приборов и погрешностей измерений.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Электроизмерительные приборы по способу преобразования входной величины разделяются на две большие группы: аналоговые и цифровые.

Преобразование измеряемой величины в аналоговых приборах происходит непрерывно в вид удобный для отсчета. В цифровых приборах отсчеты измеряемой величины производятся через некоторые промежутки времени, либо фиксируется определенный уровень входной величины (т.е. измеряемая величина квантуется по времени или уровню). Результат измерений представляется в цифровой форме. Применение приборов той или иной группы зависит от цели и условий конкретной задачи. Необходимо отметить, что цифровые приборы обладают высоким быстродействием, удобством представления результата, возможностью вывода результата на ЭВМ или цифропечатающее устройство.

Тем не менее, применение аналоговых приборов вполне оправдано при проведении научного эксперимента, в технологических процессах для контроля определенных параметров, в ходе выполнения лабораторных работ.

Электроизмерительные приборы служат для измерения электрических величин. Для измерения силы тока применяются амперметры, напряжения - вольтметры и гальванометры, сопротивления - омметры, мощности - ваттметры. Проектирование и эксплуатация приборов производится в соответствии с нормативной документацией, которая определяет условия применения и эксплуатации прибора, а также точность измерения.

Для правильного применения конкретного прибора необходимо знать принцип его действия, назначение, диапазон измеряемых величин. Необходимые для работы прибора сведения можно узнать, если уметь читать условные обозначения, вынесенные на лицевую панель (шкалу) прибора. Классификация электроизмерительных приборов осуществляется по нескольким признакам: по роду измеряемой величины , т.е. приборы для измерения тока, напряжения, сопротивления, мощности и т.д.; по роду измеряемого тока, т.е. приборы могут работать на постоянном, переменном, трехфазном токе; по условиям эксплуатации (группы А, В, В1, В2, Т), группа эксплуатации определяет температурный режим, влажность окружающей среды, рабочее атмосферное давление, рабочее положение.

Для устранения влияния на работу приборов внешних электрических и магнитных полей предусматриваются конструктивные элементы (экраны), устраняющие помехи. Существует четыре группы защиты, которые обозначаются римскими цифрами.

В основе конструкции прибора заложен принцип преобразования электрической величины, действующей на входе прибора, в механическое смещение, поворот стрелки прибора или, если это цифровой прибор, в другую электрическую величину.

По принципу действия аналоговые прибора подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, ферродинамические, индукционные, тепловые. Рассмотрим принцип действия наиболее часто применяемых приборов.

Приборы магнитоэлектрической системы.

Механизм прибора состоит из постоянного магнита с двумя полюсными башмаками (рис.1) и подвижной рамки, закрепленной на неподвижном металлическом цилиндре с помощью пружин. Рамка представляет собой несколько слоев медной проволоки, намотанной на алюминиевый каркас. Каркас имеет две полуоси, вокруг которых может вращаться рамка. К полуосям прикреплены указательная стрелка и один из концов спиральных пружин, другой конец пружин закреплен неподвижно.

Пружины удерживают рамку в первоначальном положении и возвращают ее в первоначальное положение после проведения измерений.

При пропускании электрического тока по рамке прибора со стороны магнита на рамку начинает действовать сила Ампера, которая создает вращающий момент:

(1)

где I - ток в рамке; B - магнитная индукция в зазоре; S - площадь рамки;

N- число витков рамки.

Рис. 1

С другой стороны при закручивании пружины в ней возникает момент упругих сил, который противодействует моменту сил Ампера.

(2)

где k- коэффициент жесткости пружины;  -угол поворота рамки.

Если упругий момент равен моменту сил Ампера, то рамка останавливается, останавливается и стрелка прибора, по которой снимается отсчет измеряемой величины. Из условия равенства моментов следует, что сила тока, протекающего по рамке, пропорциональна углу поворота рамки.

(3)

или

(4)

Коэффициент S_I=B S N/ k называется токовой чувствительностью прибора и является величиной постоянной, поэтому шкала данного прибора равномерная.

Достоинствами приборов магнитоэлектрической системы являются высокая чувствительность, точность и равномерность шкалы. Внешние поля слабо влияют на показания приборов данной системы. К недостаткам относятся недостаточная устойчивость к перегрузкам и работа только на постоянном токе.

Приборы электромагнитной системы.

Конструкция прибора состоит из неподвижной катушки и подвижного стального сердечника, который соединен со стрелкой прибора (рис.2).

Необходимой частью приборов данной системы является демпфер (успокоитель), который служит для гашения колебаний стрелки и скорейшего установления равновесия. К оси , на которой находятся стрелка и сердечник прикреплен один конец стальной пружины, в которой при отклонении стрелки возникает механический упругий момент.

1-катушка, 2- сердечник, 3 – магнитопровод, 4 – стрелочный механизм.

Рис. 2.

Если по катушке пропустить измеряемый ток, то на стальной сердечник начнет действовать вращающий момент:

(5)

где k₁ - постоянная, зависящая от материала, формы и расположения сердечника.

При повороте стрелки в пружине возникает момент упругих сил:

(6)

k₂ - коэффициент упругости пружины;  - угол поворота стрелки.

При наступлении равновесия моменты M₁ и M₂ равны, откуда получим, что

(7)

где k = k₁ k₂.

Таким образом, угол поворота пропорционален второй степени силы тока, что указывает на неравномерность шкалы приборов электромагнитной системы и является недостатком данных приборов. К недостаткам также относится невысокая точность (из-за гистерезиса в сердечнике) и чувствительность к внешним магнитным полям.

Достоинством данной системы является простота конструкции, механическая прочность, стойкость к перегрузкам, работа как на постоянном, так и на переменном токе.