Основные теоретические положения.

Доц., к.ф.м.н. Охулков С.Н., ст. преп., Ершова Е.А.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ПОВЕРКА ТЕХНИЧЕСКОГО ВОЛЬТМЕТРА МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

1.1.Цель работы:

1.1.1. Ознакомиться с принципом действия вольтметра магнитоэлектрической системы и научиться производить измерения постоянных напряжений с его помощью;

1.1.2. Изучить схему поверки вольтметра;

1.1.3. Определить класс точности поверяемого вольтметра;

1.1.4. Изучить методы поверки измерительных средств.

1.2. Классификация электроизмерительных приборов

Электроизмерительными приборами называются устройства, предназначенные для измерения электрических величин – силы тока, напряжения, мощности, частоты, сдвига фаз, сопротивления и т. п. К основным техническим требованиям, предъявляемым к электроизмерительным приборам, относятся их малая потребляемая мощность и отсутствие заметных изменений в электрической цепи.

Электроизмерительные приборы классифицируются по следующим основным признакам :

По способу сравнения: на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения. В первом случае измеряемая величина отсчитывается по показаниям предварительно проградуированных приборов, во втором случае в процессе измерения производится прямое сравнение с эталоном (мосты, компенсаторы, потенциометры).

По виду выдаваемой информации: на стрелочные приборы, показания которых определяются механическим перемещением указателя, являющееся непрерывной функцией изменения измеряемой величины, и цифровые приборы, в которых непрерывная измеряемая величина преобразуется в дискретную и результат измерения выдается в цифровом коде (десятичном для визуального наблюдения и двоичном для ЭВМ и цифропечати).

В соответствии свыше приведенной классификацией и принципом действия на шкалах приборов наносятся следующие обозначения:

Символ, указывающий род измеряемой величины: А - амперметр, V- вольтметр W - ваттметр и т. д.

Род тока: постоянный ( ), переменный ( ), постоянный и переменный ( ).

Установка прибора: – вертикально, – горизонтально.

Пробивное напряжение изоляции

Класс точности 0.1, ... ,4.0.

Основные теоретические положения.

Для оценки параметров отдельных физических величин использу­ются контрольно-измерительные средства. Качество измерительных средств характеризуется совокупностью показателей, определяющих его работоспособность, точность, надежность и эффективность приме­нения.

Для обеспечения гарантированной точности измерений проводится периодическая поверка измерительной аппаратуры.

Поверка измерительного средства - это определение соответст­вия действительных характеристик измерительного средства техниче­ским условиям или государственным стандартам. При осуществлении поверки применяются измерительные средства поверки - специально предусмотренные средства повышенной точности по сравнению с пове­ряемыми измерительными средствами. Методы поверки - совокупность поверочных измерительных средств, приспособлений и способ их при­менения для установления действительных метрологических показате­лей поверяемых измерительных средств.

В практике поверки измерительных приборов нашли применение два способа:

- сопоставление показаний поверяемого и образцового приборов;

- сравнение показаний поверяемого прибора с мерой данной вели­чины.

При поверке первым способом в качестве образцовых приборов выбираются приборы с лучшими метрологическими качествами.

Для поверки приборов постоянного тока в качестве образцовых принимаются магнитоэлектрические приборы, а для поверки приборов переменного тока - электродинамические. В последнее время исполь­зуются цифровые приборы.

Верхний предел измерений образцового прибора должен быть та­ким же, как и поверяемого или не превышать предел измеряемого прибора более чем на 25%.

Допустимая погрешность образцового при­бора должна быть 3...5 раз ниже погрешности поверяемого прибора.

Погрешность выражают в виде абсолютных и отно­сительных величин.

Различают:

а) абсолютную погрешность измерительного прибора:

Х = Х_П – Х_Д ,

где Х_П (показания прибора ИП) и Х_Д (показания прибора А2) - соответственно показание прибора и действительное значение измеряемой величины образцовым прибором;

б) относительную погрешность средства измерения, часто выражаемую в процентах:

DХ

g_о = ----- 100%,

Хо

где DХ - абсолютная погрешность.

Для оценки многих средств измерений широко применяется приведенная погрешность, выражаемая в процентах:

DХ

g_о.п. = ------ 100%,

Х_н.з.

где Х_н.з - нормирующее значение, т.е. некоторое значение, по отношению к которому рассчитывается погрешность.

Часто в качестве нормирующего значения для приведенной погрешности принимают верхний предел измерения прибора. Для многих средств измерений по приведенной погрешности устанавливают класс точности прибора. Например, прибор класса 0,5 может иметь основную приведенную погрешность, не превышающую 0,5%.

Многопредельные приборы поверяют на одном, двух основных пределах, а на других в некоторых точках.

В результате поверки устанавливают приведенную погрешность и по ней класс точности прибора.

Вольтметры и амперметры магнитоэлектрической системы применяются для измерений токов в цепях постоянного напряжения.

Рис. 1. Устройство прибора магнитоэлектрической системы.

Магнитная цепь прибора состоит из постоянного магнита, полюсных наконечников, неподвижного цилиндра. В воздушном зазоре между поверхностями полюсных наконечников и цилиндра создается радиальное поле, которое в силу малости воздушного зазора можно считать равномерным. Рамка с обмоткой крепится на полуосях и может поворачиваться в зазоре.

Принцип действия магнитоэлектри-ческих приборов (рис.1) основан на взаимодействии поля постоянного магнита 1 и проводников в виде рамки 2, расположенных на стальном сердечнике 4, по которым протекает измеряемый ток I. Сила F, с которой магнитное поле постоянного магнита (N-S) действует на рамку с током I, зависит от величины тока I и магнитной индукции поля B = S×F, где S – площадь рамки, а F - магнитный поток. В результате силового воздействия постоянного магнитного поля на рамку с током создается вращающийся момент

М_вр = с×F×I = Y_оI,

(где с – коэффициент пропорциональности), который заставляет рамку 2 вращаться; Y_о - постоянная прибора, зависящая от числа витков и площади обмотки и от индукции в зазоре.

Поскольку стрелка 3 измерительного прибора жестко связана с осью рамки, стрелка прибора начинает перемещаться. Момент М_вр при определенном угле поворота уравновешивается противодействующим моментом М_пр, создаваемым пружиной 5. Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при равенстве моментов М_вр = М_пр. Угол поворота стрелки:

a = с·I

прямо пропорционален величине измеряемого тока I, следовательно, шкала магнитоэлектрического прибора равномерная.

Направление вращающегося момента, определяемое по правилу левой руки, изменяется, если ток меняет свое направление, поэтому на клеммах прибора обязательно указывается полярность (+ и -) для правильного включения прибора (отклонение стрелки от нуля слева направо (см. рис.1)).

В результате взаимодействия магнитного поля и тока обмотки создается вращающий момент, пропорциональный току:

М_вр.=Y_оI,

где Y_о - постоянная прибора, зависящая от числа витков и площади обмотки и от индукции в зазоре.

Противодействующий момент:

М_пр.= Wa,

где W - удельный противодействующий момент пружины.

Уравнение шкалы прибора:

Y_О

a = ------- I = S_I I,

W

где SI - чувствительность прибора.

Магнитоэлектрические приборы работают только на постоянном токе.

Если магнитоэлектрический прибор включить в цепь переменного синусоидального тока, то на его измерительную катушку (рамку) будут действовать быстро изменяющиеся по величине и направлению силы, среднее значение которых равно нулю. В результате стрелка прибора не будет отклоняться от нулевого положения. Поэтому для измерений в цепях переменного тока магнитоэлектрические приборы можно применять только со специальными преобразователями.

Магнитоэлектрические приборы выполняются в виде амперметров и вольтметров постоянного тока. Достоинства приборов данной системы: высокая точность измерений; равномерная шкала; незначительное потребление энергии; малая чувствительность к посторонним (наведенным) магнитным полям.

Недостатки: необходимость применения специальных преобразователей для измерений в цепях переменного тока; чувствительность к перегрузкам.

1.4. Схемы включения в электрическую измерительную цепь вольтметров магнитоэлектрической системы для их поверки

Для поверки вольтметра магнитоэлектрической системы образцовый и поверяемый вольтметры включают параллельно.

Измерительный механизм магнитоэлектрической системы можно включить в какую-либо электрическую цепь двумя различными способами.

При схеме (рис. 2, а) через обмотку механизма, обозначенного буквой А проходит весь ток нагрузки.

Отклонение подвижной части ее от нулевого положения будет зависеть от значения тока I. В этом случае показание прибора является функцией тока нагрузки, что позволяет проградуировать его шкалу в амперах, и он будет служить амперметром.

Рис. 2. Схемы включения в электрическую измерительную цепь вольтметров магнитоэлектрической системы для их поверки.

Если такой прибор дополнить достаточно большим сопротивлением Rд, соединенным последовательно с обмоткой рамки, и включить прибор, обозначенный буквой V (Рис. 2, б), то через него будет проходить ток I_v, определяемый напряжением и суммой сопротивлений:

Rд + Rр,

где Rр - сопротивление обмотки рамки прибора.

В этом случае:

a = ----- f(Iv),

W

а так как

U

Iv = --------- ,

Rд + Rр

где Rд + Rр - постоянная величина, то можно написать, что

a = ------ f(U).

W

Отсюда видно, что при схеме (рис. 2,б) показания прибора становятся функцией напряжения U, т.е. он служит уже не амперметром, а вольтметром.

Порядок выполнения работы

1.5.1. Ознакомиться с порядком выполнения работы.

1.5.2. Убедиться, что все выключатели стенда выключены (находятся в нижнем положении), а переключатель и_вых ЛАТРа Т1 установлен в положение (10В).

1.5.3. Перед включением стенда установите переключатель ЛАТРа Т1 в начальное положение (10В).

1.5.4. Собрать схему (рис. 3).

Рис. 3. ИП - поверяемый вольтметр; мультиметр - контрольный вольтметр; R_Д – дополнительный регулировочный резистор.

1.5.5. Ознакомиться с приборами, используемыми в лабораторной работе.

1.5.6. Определить цену деления приборов. Заполнить таблицу №1, где V2 -контрольный милливольтметр, ИП - поверяемый прибор.

Внимание!В данной работе в качестве поверяемого вольтметра используется миллиамперметр ИП с добавочным сопротивлением R11 (при этом его максимальное отклонение 50 В), контрольным является мультиметр.

Таблица №1. Измерительные приборы лабораторного стенда.

№ п/п	Наименование	Система прибора	Класс точности	Пределы измерений	Цена деления
1.	Вольтметр (V2)
2.	Вольтметр (ИП)

1.5.7. Переменный резистор R13 установить на максимальное сопротивление (положение max).

1.5.8. Доложить преподавателю о готовности к выполнению работы.

1.5.9. С разрешения преподавателя включить стенд (тумблер «Сеть»).

1.5.10. Включите стенд тумблером «СЕТЬ», затем тумблер включения ЛАТРа Т1 (S7), а тумблер питания цепей постоянного тока (S6) оставьте в выключенном состоянии. Плавная регулировка осуществляется дополнительным регулировочным резистором R_Д.