Лабораторна робота № 1

ТЕМА: Вивчення вимірювальних приладів магнітоелектричної електромагнітної та електродинамічної систем.

МЕТА ЗАНЯТТЯ: Вивчити будову, роботу,конструктивні особливості приладів магнітоелектричної, електромагнітної та електродинамічної систем. Навчитись визначати їх основні технічні характеристики.

Студенти повинні знати:

- поняття „ вимірювання ”;

- способи вимірювання;

- класифікацію вимірювальних приладів;

- принцип дії приладів;

- позначення на вимірювальних приладах.

Студенти повинні уміти:

- визначати ціну поділки вимірювальних приладів;

- читати позначення на вимірювальних приладах, та визначати їх основні технічні характеристики;

- проводити вимірювання величин електричними приладами;

- розрізняти за будовою приладу його систему;

- розширювати межі вимірювання.

Прилади та обладнання

1. Однопівперіодний випрямляч (без фільтра).

2. Зразки приладів різних систем.

3. Прилади для розбирання (магнітоелектричної, електромагнітної, електродинамічної систем).

4. Монтажні проводи.

5. Джерело живлення.

6. Лампа розжарення.

Література

1. Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка. Підручник /Будіщев М.С. – Львів: Афіша, 2001. С. 47-54.

2. Попов В.С., Николаев С.А. Общая электротехника с основами электроники. – М.: Энергия, 1977. С. 150-151.

Теоретичний блок.

Знаходження фізичної величини дослідним шляхом, за допомогою спеціальних технічних засобів називають вимірюванням. Розрізняють такі види вимірювань: прямі, непрямі та сукупні.

До прямих належать такі вимірювання, при яких шукане значення величини знаходять безпосередньо з основних даних вимірювання. При прямих вимірюваннях шукане числове значення величини визначається шляхом безпосереднього порівняння її з мірами або за допомо­гою вимірювальних приладів, відградуйованих у вибра­них одиницях.

Непрямі вимірювання — це такі, при яких шукане значення величини знаходять на основі відомої залеж­ності між цією величиною і величинами, що вимірюють­ся безпосередньо (за допомогою прямих вимірювань). Наприклад, опір провідника постійному струмові можна обчислити, вимірявши, безпосередньо напругу на кінцях провідника та силу струму в ньому і скориставшись фор­мулою закону Ома для однорідної ділянки кола, яка зв'язує згадані величини. До цього класу вимірювань належить більшість вимірювань, які виконуються на практиці.

Сукупні — це виконувані одночасно вимірювання кількох однойменних величин, при яких шукані значення величини знаходять шляхом розв'язування системи рів­нянь, одержаних при прямих вимірюваннях різних комбі­націй цих величин. Простим прикладом сукупних вимі­рювань може бути визначення внутрішнього опору та електрорушійної сили джерела струму за виміряною на­пругою Uна навантаженні (реостаті R ) і силою струму в ньому.

Вимірюванням якої-небудь фізичної величини вва­жається дія, в результаті якої ми дізнаємось, у скіль­ки разів вимірювана величина більша або менша відповідної величини, яку прийнято за одиницю. Резуль­тати вимірювань виражаються числами.

В наш час важко знайти галузь діяльності людини, де б вимірювання електричних величин не мали першо­рядного значення. Для вимірювання електричних величин промисловість випускає велику кількість різноманітних приладів: амперметри - для вимірювання сили струму, вольтметри — для вимірювання напруги, омметри - для вимірювання опорів і т. п. Методи вимірювання різних фізичних величин мають багато спільного, і якщо навчи­тись вимірювати добре якусь одну величину, то потім порівняно легко можна користуватись вимірювальними приладами і для вимірювання інших величин.

Слід мати на увазі, що в завдання вимірювання вхо­дить не лише знаходження самої величини, а й встанов­лення точності її вимірювання. Якщо мати це на увазі, то процес вимірювання можна уявити собі у вигляді та­ких послідовно виконуваних операцій: 1) встановити, для вимірювання якої фізичної величини використовується даний прилад; 2) встановити, на яке максимальне зна­чення вимірюваної величини розраховано прилад; 3) встановити, для якого струму (постійного або змін­ного) можна використовувати прилад; 4) визначити ціну поділки шкали приладу; 5) встановити клас точності приладу; 6) визначити абсолютну похибку вимірювань, виконуваних за допомогою даного приладу; 7) визначити значення вимірюваної величини, яке показує прилад; 8) визначити відносну похибку даного вимірювання.

Класифікація електровимірювальних приладів здійс­нюється:

За стійкістю до кліматичних впливів прилади і до­поміжні пристрої діляться на такі групи: А — призначені для роботи в закритих сухих приміщеннях, які опалюють­ся; Б (Б₁, Б₂ і Б₃) — призначені для роботи в закритих неопалюваних приміщеннях; В (В₁, В₂ і В₃) — призначені для роботи в польових або морських умовах.

За стійкістю до механічних впливів при експлуатації прилади і допоміжні частини діляться на звичайні, звичайні з підвищеною механічною міц­ністю, вібростійкі (нечутливі до вібрацій) і удароміцні. Один і той же прилад може бути виготовлений в кількох варіантах за механічною міцністю.

За способом перетворення електромагнітної енергії, підведеної до приладу, в механічну енергію переміщення рухомої частини і за конструктивними особливостями ви­мірювального механізму прилади діляться на такі: магні­тоелектричні з рухомою рамкою; магнітоелектричні з рухомим магнітом; електромагнітні; електромагнітні поляризовані; електродинамічні; феродинамічні; індук­ційні; магнітоіндукційні; електростатичні; вібраційні (язичкові).

Прилади також класифікуються за типом перетворю­вачів, які використовуються у вимірюваних колах. Тут прилади поділяються на випрямні з напівпровідниковим випрямлячем, випрямні з механічним випрямлячем (для вимірювань в колах змінного струму), термоелектричні з неізольованим (контактним) перетворювачем, термо­електричні з ізольованим (безконтактним) перетворюва­чем, частотоімпульсні і автокомпенсаційні (з негатив­ним зворотним зв'язком).

За кількістю діапазонів вимірювання прилади й до­поміжні частини поділяються на однодіапазонні (з одним діапазоном вимірювання або з одним номінальним зна­ченням) та багатодіапазонні (з двома і більшою кіль­кістю діапазонів вимірювання або кількома номінальни­ми значеннями).

За кількістю вимірювальних механізмів прилади поділяються на одноканальні — з одним вимірювальним механізмом, багатоканальні — з двома і більшою кількі­стю вимірювальних механізмів.

За ступенем захищеності від зовнішніх магнітних та електричних впливів прилади й допоміжні частини поді­ляють на дві категорії.

За захищеністю від впливу навколишнього середовища прилади й допоміжні частини поділяються на звичай­ні, бризкозахйщені, водозахищені, герметичні, газозахищені, захищені від агресивного середовища, вибухозахищені, захищені від дії β- і γ-випромінювання.

За способом створення протидіючого моменту прилади поділяються на прилади з механічним проти­діючим моментом, з магнітним протидіючим моментом і з електричним протидіючим моментом (логометри).

За конструкцією опор рухомої частини прилади поді­ляються на прилади з рухомою частиною на кернах (цапфах) і підп'ятниках (підшипниках), з рухомою частиною на розтяжках і з рухомою частиною на підвісі.

За конструкцією відлічувального пристрою прилади поділяються на прилади з стрілочним покажчиком, з ру­хомою шкалою, з світловим покажчиком, з пишучим пристроєм (самопишучі), з язичковим покажчиком (віб­раційні).

За положенням нульової відмітки на шкалі прилади поділяють на прилади з односторонньою шкалою, з дво­сторонньою симетричною шкалою, з двосторонньою не­симетричною шкалою і на прилади з безнульовою шка­лою.

За характером шкали прилади бувають з рівномір­ною, з нерівномірною, з суттєво нерівномірною шкалою (логарифмічною, гіперболічною, косинусоїдальною або степеневою з показником більше 3 і менше 0,5).

За розмірами лицьової частини корпуса прилади по­діляються на мініатюрні, малогабаритні, середнього і великого габариту.

Допоміжні частини за ступенем взаємозамінюваності поділяються на калібровані, обмежено-взаємозамінні та індивідуальні.

Важливою і перспективною групою сучасних електро­вимірювальних приладів є так звані цифрові прилади. Цифровими називаються прилади, які вимірюють окремі(дискретні) значення безперервної в часі величини і ви­дають результат у цифровій формі. Цифрові прилади відносять до автоматичних приладів порівняння з безпо­середнім відліком. Ці прилади досить складні й дорогі, але дають високу точність вимірювань, можливість авто­матизувати процеси вимірювання значного числа пара­метрів, здійснювати контроль і керування різноманіт­ними технологічними процесами з використанням елек­тронно-обчислювальних машин.

Важливою характеристикою вимірювального приладу є його чутливість — відношення зміни величини на виході вимірювального приладу до зміни вимірюваної величини. Розрізняють абсолютну і відносну чутливість. Абсолютна чутливість визначається за формулою S = ∆L/∆x;

відносна чутливість S₀ = ∆L/∆x/x,

де L— зміна величини на виході; х — вимірювана величина; ∆х — зміна вимірюваної величини.

Досить важливим параметром є поріг чутливості, який визначається як зміна вхідної величини, що викликає найменшу зміну вихідної величини, яку можна виявити за допомогою даного вимірювального засобу без будь-яких додаткових пристроїв.

На лицьовій панелі електровимірювальних приладів зображуються низка умовних позначень, які дозволяють правильно вибрати й експлуатувати прилад. Найпоширеніші умовні позначення подані в таблиці.

Магнітоелектричні прилади. В приладах магнітоелек­тричної системи (рис. 1) є рамка з певної кількості витків 3, яка може обертатись у магнітному полі постій­ного магніту 4. Коли у витках рамки немає струму, то вона утримується в певному положенні за допомогою пружинок 2. За допомогою спеціального пристрою — ко­ректора 1 — у випадку відсутності струму можна встано­вити стрілку приладу на нульову поділку шкали. Пру­жинки не лише утримують рамку і стрілку в певному положенні, а й підводять струм до витків рамки.

Коли по витках рамки протікає струм, то на рамку діє сила з боку магнітного поля. Рамка повертається під дією цієї сили доти, поки сила, що діє на рамку з боку магнітного поля, не буде зрівноважена силою пружності пружинок. Сила, що діє на рамку з струмом, пропорційна силі струму в ній. Тому чим більша сила стру­му в рамці, тим на більший кут відхиляється стрілка приладу, що зв'язана з рамкою. Шкала у приладів магнітоелектричної системи прак­тично рівномірна.

Рис.1

Рис.2

Прилади магнітоелектричної системи чутливі й точні, їх можна безпосередньо використовувати для вимірю­вань лише в колах постійного струму. Тепер вони широко використовуються і в колах змінного струму; при цьому вони поєднуються з напівпровідниковими випрямлячами

або термоелементами.

Магнітоелектричні прилади бояться перевантажень, оскільки мають досить тонку рамку і провідники на рам­ці та пружинки незначного перерізу. Прилади цієї систе­ми в переважній більшості випадків використовуються з шунтами й додатковими опорами. Вони використовують­ся майже в усіх універсальних приладах (авометрах, те­стерах і т. п.).

Електромагнітні прилади. В приладах електромагніт­ної системи (рис. 2) струм пропускають по нерухомій котушці 1. У магнітне поле, що при цьому виникає, втя­гується сердечник 2 з феромагнітного матеріалу, який намагнічується цим полем. На одній осі з сердечником закріплена стрілка. Сердечник втягується у котушку доти, поки дія магнітних сил не врівноважиться дією пружної сили пружинки 3. Пружинка зв'язана з корек­тором, за допомогою якого стрілку у випадку відсутності струму в рамці можна виставити на нульову поділку шкали.

Щоб стрілка швидко встановлювалась на потрібну поділку шкали, у приладах електромагнітної системи є заспокоюючі пристрої — демпфери 4 (такі пристрої мож­на зустріти і в приладах інших систем). Завдяки опору повітря, яке є в коробочці демпфера, коливання стрілки швидко припиняються. В різних приладах демпфери мо­жуть мати певні конструктивні відмінності.

Прилади електромагнітної системи можуть бути вико­ристані як у колах постійного струму, так і в колах змін­ного струму. Справді, якщо в котушці змінити напрям струму, то одночасно зміняться напрям індукції магніт­ного поля і напрям намагнічування сердечника. Внаслідок цього напрям дії магнітних сил залишиться попереднім.

Шкала у приладів електромагнітної системи нерівно­мірна, на початку шкали поділки розташовані густіше, а ближче до кінця — рідше. На самому кінці шкали поділ­ки також можуть бути густішими. На початку шкали по­ділки взагалі можуть бути відсутніми, бо, як ми вже відмічали, точність вимірювань, виконуваних в цьому діапазоні величин, незначна.

Хоч прилади електромагнітної системи менш точні, ніж прилади магнітоелектричні, і за їх допомогою немож­ливо вимірювати слабкі струми, але вони широко засто­совуються, бо дуже прості за будовою, міцні й дешеві. У деяких приладів цієї системи вдається позбутися впливу на показання зовнішніх магнітних полів (астатичні при­лади). В таких приладах використовується дві котуш­ки і два сердечники, розміщені на одній осі.

Електродинамічні прилади. Електродинамічні прила­ди можуть бути використані для вимірювання як у колах постійного,такі в колах змінного струму. В приладах цієї системи (рис. 3) рухома котушка 2 (рамка), по якій проходить вимірюваний струм, взаємодіє з нерухомою ко­тушкою 7, по якій також проходить вимірюваний струм. Стрілка приладу розміщена на одній осі з рухомою ко­тушкою. Вона при вимірюванні відхиляється доти, поки сила взаємодії котушок не зрівноважиться дією пружних сил пружинок 4, Через пружинки подається ї струм до рухомої котушки. За допомогою коректора 5 стрілку при­ладу при потребі ставлять на нульову поділку шкали. В таких приладах застосовуються і демпфери 3.

Шкали електродинамічних приладів у більшості випадків нерівномірні. Проте, коли такі прилади викори­стовуються як ватметри, то їх шкали рівномірні. При­лади мають невелику чутливість, а точність їх може бути

Рис.3

досить високою. В деяких приладах для збільшення чутливості в рухому котуш­ку вводять феромагнітний сердечник (феромагнітна система).

Нерухома котушка вико­нується з товстого дроту, а рухома — з тонкого. Коли прилад використовується як амперметр, то котушки з'єд­нуються паралельно, а ко­ли як вольтметр, котушки з'єднуються послідовно. Ват­метр цієї системи має чо­тири клеми: дві від рухомої котушки (V) і дві від нерухомої (А).В цьому випадку нерухома котушка вмикається в досліджуване коло по­слідовно, а рухома — паралельно.

Хід заняття