Измерение электрических величин
Изучение электроизмерительных приборов. Методы расширения пределов измерения электроизмерительных приборов.
Цели работы:
1. Ознакомиться с методами расширения пределов электроизмерительных приборов;
2. Рассчитать шунт для амперметра и дополнительное сопротивление для вольтметра, проградуировать приборы.
3. Изготовить омметр и провести измерение сопротивлений с его помощью.
Приборы:
1. Гальванометр (миллиамперметр 50-100-200мА);
2. Амперметр (1-2) А;
3. Вольтметр (15-60) В;
4. Реостат (30 Ом);
5. Магазин сопротивлений типа Р-33;
6. Источник напряжения (типа ВС-24);
7. Проволока для изготовления шунта (медь);
8. Масштабная линейка;
9. Микрометр;
10. Соединительные провода
Примечание: Технические характеристики приборов записать в рабочую тетрадь.
Введение
Электрические измерения
Средства измерений – это особые технические средства, приводимые во взаимодействие с материальным объектом. Результатом измерений является значение физической величины. Физические величины подразделяют на непрерывные (аналоговые) и дискретные (квантованные). Большинство физических величин являются аналоговыми (напряжение, сила тока, температура, длина и т.д.). квантованной величиной является, например, электрический заряд.
Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Существуют следующие основные группы средств для измерения электрических, магнитных и неэлектрических физических величин:
- аналоговые электромеханические и электронные приборы
- цифровые измерительные приборы и аналого-цифровые преобразователи
- измерительные преобразователи электрических и неэлектрических величин в электрические сигналы
- регистрирующие приборы (самопишущие приборы, осциллографы, магнитографы и др.
- измерительные информационные системы и вычислительные комплексы и т.д.
Все приборы делятся на аналоговые измерительные приборы (например, электроизмерительный прибор с отсчетным устройством в виде стрелки, перемещающейся по шкале с делениями) и цифровые измерительные приборы (показания представляются в цифровой форме). Цифровые снабжены цифровым дисплеем, который показывает измеренное значение величины в виде числа. Цифровые приборы более точны, более удобны при снятии показаний и, в общем, более универсальны. В них измеряемая величина (например, напряжение) автоматически сравнивается с эталонной величиной, после ряда преобразований результат сравнения выдается на экран в виде светящегося числа. Цифровые универсальные измерительные приборы («мультиметры») и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также напряжения и силы переменного тока.
Для самых точных измерений сопротивления и полного сопротивления (импеданса) существуют измерительные мосты и другие специализированные измерители. Для регистрации хода изменения величины во времени применяются региотрирующие приборы – ленточные самописцы и электронные осциллографы, аналоговые и цифровые. В цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный, вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управление встроенного микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на одной интегральной схеме.
Аналого-цифровые преобразователи. Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий, последовательного приближения и параллельный. Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по времени. Из трех перечисленных типов это самый точный, хотя и самый «медленный». Время преобразования интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,01 до 50 с и более, погрешность составляет 0,1 – 0,003 %. Погрешность АЦП последовательного приближения несколько больше (0,4 – 0,002 %), но зато время преобразования от ~ 10мкс до ~ 1мс.
Параллельные АЦП – самые быстродействующие, но и наименее точные: их время преобразования порядка 0,25 нс, погрешность – от 0,4 до 2%.
По роду измеряемой величины электроизмерительные приборы делят на следующие группы: амперметры (для измерения величины тока), вольтметры (для измерения напряжения), омметры (для измерения сопротивления), ваттметры (для измерения мощности), частотомеры (для измерения частоты), фазометры ( для измерения сдвига фаз в электрических цепях) и т.д.
По способу представления результатов измерений приборы и устройства можно разделить на показывающие и регистрирующие. По методу измерения средства электроизмерительной техники можно разделить на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения (уравновешивания). По способу применения и по конструкции электроизмерительные приборы и устройства делятся на щитовые, переносные и стационарные. По точности измерения приборы делятся на измерительные (в которых нормируются погрешности); индикаторы, или внеклассные приборы (погрешность измерений больше предусматриваемой соответствующими стандартами), и указатели (погрешность не нормируется).
По принципу действия или физическому явлению можно выделить следующие укрупненные группы: электромеханические, электронные, термоэлектрические и электрохимические. В зависимости от способа защиты схемы прибора от воздействия внешних условий корпуса приборов делятся на обыкновенные, водо-, газо-, и пылезащищенные, герметические, взрывобезопасные.
Измерение электрических величин
Гальванометр – электроизмерительный прибор с неградуированной шкалой, имеющий высокую чувствительность к току или напряжению и предназначенный для измерения весьма малых токов, напряжений, величины заряда. Используя комбинацию гальванометра с различными шунтами и добавочными сопротивлениями, можно изготовить приборы для измерения различных электрических величин (амперметры, вольтметры и т.д.)
Измерение токов
Для непосредственного измерения тока в цепи применятся амперметры, которые включаются в цепь так, чтобы через них проходил весь измеряемый ток, т.е. последовательно тем участкам цепи, где необходимо измерить ток. Амперметр должен иметь малое сопротивление, чтобы его включение в цепь не могло заметно изменить величину тока в цепи. Существуют четыре схемы включения амперметра в цепь. Первые две (рис. 1а, 16) предназначены для измерения постоянного тока, а две вторые схемы
(1в,1г) – для измерения переменного тока.
Вторая и четвертая схемы (рис 16,1 г) применяются в тех случаях, когда номинальные данные амперметра меньше измеряемой величины тока. В этом случае при определении истинного значения тока нужно учитывать коэффициент преобразования.
Для расширения пределов измерения амперметра параллельно ему необходимо присоединить проводник, называемый шунтом. Признаком параллельного соединения является разветвление тока. В данном случае электрический ток I0 разветвляется на два тока I0 и Im (рис.2), где Rr – сопротивление гальванометра (исходного амперметра), Ir – ток, протекающий через гальванометр (исходный амперметр), Rm – сопротивление шунта, Iш – ток, протекающий через шунт, I0- ток, измеряемый амперметром с шунтом («новый» прибор).
Из закона сохранения зарядов следует, что:
Ia = Im+Ia (1)
Напряжение при параллельном соединении в ветвях одинаково, поэтому можно записать:
U= ImRm=IaRa
Откуда следует, что
(2)
При параллельном соединении проводников токи в отдельных проводниках обратно пропорциональны их сопротивлениям, т.е. чем меньше сопротивление шунта по сравнению с сопротивлением приборов, тем большая часть измеряемого тока отводится через шунт.
Коэффициентом шунта называется число, показывающее, во сколько раз предельный ток, измеряемый амперметром с шунтом, больше предельного тока, измеряемого гальванометром (исходной амперметром) без шунта:
(3)
где n – коэффициент шунта.
Рассчитать шунт к гальванометру (исходному амперметру) – значит определить сопротивление шунта по известному сопротивлению гальванометра (исходного амперметра) и коэффициенту шунта.
Разделив обе части равенства (1) на Ir, получим:
(4)
Но, так как
и
,
Равенство (4) можно записать так:
n = Rr / Rш +1
Отсюда сопротивление шунта равно:
Rш = 
(5)
Таким образом, чтобы измерить амперметром в n раз больший ток, необходимо взять сопротивление шунта в (n-1) меньше сопротивления исходного амперметра.
Зная сопротивление шунта (5), можно рассчитать длину проводника для изготовления шунта по формуле:
(6)
где ρ – удельное сопротивление материала шунта,
L - длина проводника
S = 
/ 4 – площадь поперечного сечения проводника, из которого изготовлен шунт
d – диаметр проволоки
Обычно шунты изготавливают из манганина, имеющего большое удельное сопротивление и малый термический коэффициент сопротивления.
Измерение напряжений
Для измерения напряжений в цепи применяются вольтметры, которые включаются в цепь параллельно (к тем точкам цепи, между которыми измеряется напряжение). Вольтметр должен иметь очень высокое внутреннее сопротивление, чтобы не влиять заметно на режим исследуемой цепи. Измерение напряжения производится вольтметром. Здесь также возможны четыре различных схемы подключения прибора (рис.3).
В этих схемах также используются методы расширения пределов измерения напряжения (вторая и четвертая схемы рис.3б, 3г), для расширения предела измерения вольтметра последовательно с ним включается добавочное сопротивление R0 (рис.4).
По закону Ома:
или 
(7)
При последовательном соединении сила тока в проводниках одинакова:
,
где 
или 
откуда следует 
(8)
Таким образом, чем больше добавочное сопротивление по сравнению с сопротивлением вольтметра, тем больше падение напряжения будет на 
, меньше – на вольтметре.
Переводным множителем называется число, показывающее во сколько раз напряжение в цепи больше предельного напряжения, на которое рассчитан исходный вольтметр.
(9)
где m – переводной множитель,
U0 – напряжение в цепи,
Ub – предельное напряжение, на которое рассчитан исходный вольтметр
- напряжение на добавочном сопротивлении,
Rb – сопротивление исходного вольтметра (гальванометра)
- добавочное сопротивление.
Разделив обе части равенства (7) на 
, получим:
Принимая во внимание, что 
и 
, запишем равенство 
(11),
Откуда добавочное сопротивление
(12)
Это означает, чтобы измерить вольтметром в n раз большее напряжение, нужно взять добавочное сопротивление в (n-1) раз большее сопротивление вольтметра.
Проградуировать прибор – это значит определить цену деления «нового» прибора, и сопоставить его показания с показаниями контрольного прибора.
Порядок выполнения работы
Примечание : во всех трех упражнениях данной работы используется один и тот же исходный прибор – гальванометр (миллиамперметр); из него «изготавливают» амперметр на измерение больших токов (с шунтом), вольтметр для измерения больших напряжений (с дополнительным сопротивлением), омметр.