ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6. ПОВЕРКА ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Задание. Ознакомьтесь с устройством и принципом действия приборов для измерения силы тока и напряжения и выполните поверку точности приборов. Поверкой измерительного прибора называется определение его погрешности.

Оборудование: приборы для измерения силы тока и напряжения различных систем и классов точности, источник постоянного тока, иабор резисторов, соединительные провода, ключ.

Рис. 105. Устройство электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы

Содержание и метод выполнения работы

Приборы для измерения силы тока и напряжения обычно являются приборами непосредственного отсчета, в которых численное значение измеряемой величины определяется по шкале прибора. Поворот стрелки прибора осуществляется подвижной частью измерительного механизма. Взаимодействие подвижной и неподвижной частей измерительного механизма может быть основано на использовании различных явлений. В соответствии с этим по принципу действия электроизмерительные приборы делятся на приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электростатической и ряда других систем.

В приборе магнитоэлектрической системы (рис. 105) измеряемый ток пропускают через рамку 5, помещенную в магнитное поле постоянного магнита 6. Рамка укреплена на опорах или на растяжках (рис. 106). Для уменьшения погрешностей измерений силы трения должны быть как можно меньше. Поэтому стальные керны 2, которыми оканчивается ось вращения рамки, опираются на подпятники 1, изготовленные из синтетического агата, рубина или корунда. Совершенно исключаются силы трения при использовании подвеса рамки на растяжках.

Рис. 106. Крепление рамки электроизмерительного прибора на растяжках

При пропускании измеряемого тока через рамку на участки проводников рамки, расположенные перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, действует сила Ампера. Если бы подвижная часть измерительного механизма не имела пружины 3, противодействующей ее повороту, то при пропускании тока через рамку происходил бы поворот ее до 180° независимо от силы тока. Но силы упругости, возникающие при закручивании пружины или растяжки, препятствуют повороту рамки. Сила упругости прямо пропорциональна углу закручивания пружины. Угол поворота, при котором наступает равенство момента силы Ампера, вызывающей поворот рамки, и момента силы упругости, возвращающей рамку в исходное положение, оказывается пропорциональным силе тока в рамке, так как сила Ампера пропорциональна силе тока в рамке. Пружины или растяжки обычно используются и для подведения измеряемого тока к рамке или катушке прибора.

При включении прибора в электрическую цепь момент сил, вызывающих поворот подвижной части измерительной системы, значительно превосходит момент сил упругости пружины. Поэтому подвижная часть вращается с ускорением и к моменту достижения угла поворота, при котором наступает равенство моментов сил, приобретает запас кинетической энергии вращательного движения. За счет этой энергии подвижная система должна пройти положение равновесия, испытывая постепенное замедление под действием возвращающей пружины, затем совершить поворот в обратную сторону и так совершать колебания относительно положения равновесия. Для устранения этих колебаний в приборах применяются успокоители. Наиболее распространенными являются магнитно-индукционные успокоители.

В них для торможения подвижной системы применяется тонкая алюминиевая пластина 7, помещенная между полюсами постоянного магнита 8 и закрепленная на оси вращения подвижной системы. При повороте подвижной системы алюминиевая пластина успокоителя движется в поле постоянного магнита. Наводимые в ней при этом индукционные токи согласно закону Ленца имеют такое направление, что своим взаимодействием с магнитным полем препятствуют тому движению, которое послужило причиной их возникновения, т. е. тормозят движение пластины и вместе с тем вращение всей подвижной системы электроизмерительного прибора.

Для того чтобы при любом положении указательной стрелки 4 подвижная часть была уравновешенной в поле силы тяжести, имеются противовесы 9. Установка стрелки на нулевое деление шкалы производится с помощью корректора 10.

Подвижные части приборов других систем имеют аналогичное устройство, только вращение их вызывается другими способами. В приборах электромагнитной системы измеряемый ток пропускается

Рис. 107. Устройство прибора электромагнитной системы

Рис. 108. Устройство прибора электродинамической системы

через неподвижную катушку, а вращение системы вызывается втягиванием в эту катушку стального сердечника, связанного с подвижной системой (рис. 107). В приборах электродинамической системы измеряемый ток пропускается через две катушки, из которых одна неподвижна, а другая входит в подвижную систему. Поворот подвижной системы вызывается взаимодействием токов в этих двух катушках (рис. 108).

В приборах электростатической системы вращение измерительной системы вызывается силами электростатического взаимодействия разноименно заряженных проводников. Поворот стрелки в приборах этой системы пропорционален разности потенциалов между системами подвижной и неподвижной пластин.

Поворот стрелки в приборах магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем пропорционален силе тока, протекающего через измерительную систему прибора, однако шкала прибора может быть отградуирована и в единицах измерения напряжения, так как сила тока, протекающего через измерительную систему прибора, прямо пропорциональна напряжению, приложенному к выводам измерительной системы. Для расширения пределов измерения силы тока внутри прибора может быть помещен шунт с малым сопротивлением, включенный параллельно измерительной системе. Расширение пределов измерения напряжения достигается включением последовательно с измерительной системой дополнительного сопротивления.

Условные обозначения, позволяющие определить систему электроизмерительного прибора, назначение прибора по роду измеряемой величины, рабочее положение прибора при измерениях и его класс точности, приведены в таблице.

Таблица 3. Условные обозначения электроизмерительных приборов (см. скан)

Особого обсуждения заслуживает вопрос о погрешностях измерений электроизмерительных приборов. Первый возможный источник ошибок — это ошибки, допускаемые при снятии показаний прибора. Помимо этого, каждый прибор вносит погрешности, обусловленные невозможностью абсолютно точно проградуировать прибор при изготовлении и получить абсолютно одинаковые показания при повторных измерениях в одинаковых условиях.

Как известно, оценку точности измерений можно производить по абсолютной или относительной погрешности. Абсолютная погрешность показаний электроизмерительного прибора обычно имеет примерно одинаковое значение как в начале шкалы прибора, так и у ее конца, следовательно, относ и тельная погрешность измерения уменьшается по мере приближения значения измеряемой величины А к наибольшему значению, которое доступно измерению с помощью данного прибора. Поэтому при наличии нескольких измерительных приборов одинаковой точности с различными диапазонами измерений или при возможности изменения пределов измерения с помощью переключения встроенных в прибор шунтов или дополнительных сопротивлений следует использовать прибор, у которого отклонение стрелки будет во второй половине шкалы.

Точность электроизмерительных приборов характеризуется отношением абсолютной погрешности к максимальному значению

величины измеряемому с помощью данного прибора, выраженным в процентах:

Эта величина называется приведенной погрешностью прибора. Очевидно, что относительная погрешность прибора равна приведенной погрешности при отклонении стрелки на всю шкалу. При измерении меньших значений измеряемой величины относительная погрешность превышает приведенную погрешность прибора.

По приведенной погрешности электроизмерительные приборы делятся на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Кроме погрешности отсчета и собственной погрешности прибора, ошибка измерений может возникать в результате изменений, вносимых включением в электрическую цепь измерительных приборов. Этими изменениями можно пренебречь в том случае, если сопротивление измерительной цепи для измерения силы тока значительно меньше электрического сопротивления цепи, в которую включается измерительный прибор.

Напряжение на участке цепи, параллельно которому включается прибор для измерения напряжения, практически не изменяется, если сопротивление измерительной цепи прибора значительно больше сопротивления участка цепи.

Кроме изменений в электрической цепи, вносимых включением одного измерительного прибора, в ряде случаев необходимо учитывать погрешности, возникающие при одновременном включении в цепь приборов для измерения силы тока и напряжения.

Пусть, например, требуется измерить напряжение на резисторе в цепи постоянного тока и силу тока в цепи. Возможны два способа включения измерительных приборов в цепь, представленные на рисунке 109. При первом способе включения приборов амперметр измеряет силу тока, протекающего через резистор но вольтметр измеряет сумму падений напряжения на резисторе и амперметре

Рис. 109. Два способа включения электроизмерительных приборов

Рис. 110. Схема поверки приборов для измерения силы тока

Во втором случае вольтметр измеряет напряжение на резисторе но через амперметр протекает ток, являющийся суммой силы тока через резистор и силы тока через вольтметр:

Порядок выполнения работы

1. По обозначениям на шкалах электроизмерительных приборов, предложенных вам для изучения, определите назначение приборов и основные их характеристики.

2. Определите, какой из приборов для измерения силы тока имеет наиболее высокий класс точности, и подберите другие приборы для измерения силы тока, показания которых можно проверить с помощью первого прибора. Выберите резистор, включение которого последовательно с имеющимся источником постоянного тока обеспечит значение силы тока в цепи, необходимое для поверки приборов для измерения силы тока.

3. Соберите электрическую цепь по схеме, представленной на рисунке 110, и снимите показания приборов для измерения силы тока. Приняв показания прибора более высокого класса точности за верные, определите относительную погрешность измерений поверяемого прибора.

4. Аналогичным способом выполните поверку вольтметра по прибору более высокого класса точности.

Контрольные вопросы

1. Приборы каких систем пригодны для измерений силы тока и напряжения только в цепях постоянного тока?

2. Каким образом можно учесть погрешности измерений, возникающие при включении приборов по схеме, представленной на рис. 109?