Электроизмерительные приборы: Методические указания...

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Фи з и ч е с к и й ф а к ул ьт е т

Кафедра общей физики

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ

Измерительный практикум

Часть 1

Новосибирск, 1999

Электроизмерительные приборы

39

Лабораторная работа 2.1 ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Цель работы: ознакомление с принципом действия электроизмерительных приборов и при-обретение навыков работы с ними.

Оборудование: амперметры и вольтметры магнитоэлектрической, электромагнитной, элек-тростатической, цифровой электронной систем, низкочастотный генератор, осциллограф, диод, источник постоянного напряжения.

1. Классификация приборов

К электроизмерительным приборам относятся приборы для измерения величины тока (ам-перметры), напряжения (вольтметры) и мощности (ваттметры) в цепях постоянного и переменного тока.

Электроизмерительные приборы делятся на два основных класса: стрелочные, в которых под действием электромагнитных сил происходит механическое перемещение указателя (стрелки, зер-кальца и т.п.), и цифровые, в которых применяются электронные методы измерения и представле-ния информации без преобразования ее в механическое движение.

В зависимости от принципа действия стрелочные приборы делятся на магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические и другие.

2. Принцип действия основных типов стрелочных приборов

Магнитоэлектрическая система

Приборы этой системы предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях по-стоянного тока. Схема отклоняющего механизма магнитоэлектрического прибора показана на рис.1.

Прямоугольная рамка с n витками изолированного провода (3), по которым проходит изме-ряемый ток J, находится в кольцевом зазоре.


40

Рис. 1

За счет постоянного магнита c полюсными наконечниками (4) и цилиндрического сердеч-

ника (6) в зазоре создается радиальное магнитное поле величиной B→

. Рамка удерживается в зазоре и может вращаться за счет осей (1).При отсутствии тока, рамка, с прикрепленным к ней указателем (5)-стрелка или зеркальце, удерживается на нулевом делении шкалы двумя пружинами (2). В чув-ствительных приборах вместо осей и спиральных пружинок используются две ленточные растяж-ки. Измеряемый ток подводится к виткам через пружинки или растяжки.

При протекании через витки измеряемого тока появляется вращающий рамку момент сил ! ! !

M m B2 = × где →→

= SnJm - магнитный момент рамки с током J, вектор →S - численно равен площади

витка и направлен перпендикулярно их плоскости (в нашей геометрии магнитного поля →S , пер-

пендикулярно B→

при любом повороте рамки) n - число витков в катушке.Угол поворота определя-ется равенством моментов M k1 1= ϕ − момент сил спиральных пружин; M k J2 2= − момент сил, обу-

словленный протеканием тока в рамке. Угол kJJkk

==1

2ϕ пропорционален измеряемому току, в

котором и градуируется шкала прибора.

Характер прихода рамки к равновесию определяется уравнением

21 MkI =++ ϕϕβϕ """ , (1)

делением всех членов уравнения на I оно обычно приводится к виду:

IM 22

0 2 =++ ϕωϕγϕ """ , (1а)

где I - момент инерции рамки с указателем, τγ =1 , τ ~ 0,1с - характерное время затухания коле-

баний. .

ϕβ - зависимость момента сил трения от угловой скорости; JkM 22 = - момент сил, обу-

словленный протеканием постоянного тока в рамке. 1

0 kI=ω - частота собственных колебаний

рамки в отсутствие сил трения. Решение этого уравнения дает следующую зависимость от времени угла поворота рамки:

)sin1()( 0 tet t Ω−= −γϕϕ Здесь 20

0 )(11τω

ω −=Ω частота колебаний подвижной системы, при

наличии трения

При включении постоянного тока рамка приходит к равновесию в режиме затухающего коле-бательного процесса (кривая 2, рис.1).Для сокращения времени установления равновесных пока-заний прибор конструируют так (иногда вводя специальные демпфирующие устройства - воздуш-ные, электромагнитные, смотри рис 1,рис 2), чтобы частота колебаний подвижной системы 0≈Ω и время прихода к равновесию было минимальным (кривая 3,рис 1). Пунктирная линия, незату-хающие колебания.


41

Поведение рамки при протекании через нее переменного тока рассмотрено в [3]. Если период колебаний тока T<<τ , постоянная составляющая вращающего момента пропорциональна средне-му току.

∫==T

dttJT

kJk0

)(1ϕ .

При J J to= sinω среднее значение тока, а соответственно и ϕ , равны нулю, т.е. при любой величине протекающего переменного тока показания прибора отсутствуют. Если период колебаний тока мал, т.е. T>>τ , стрелка прибора будет колебаться с частотой ω . Некоторые приборы магнито-электрической системы, имеющие на шкале рисунок диода, снабжены устройством, выпрямляю-щим ток - "детектором" и могут использоваться для измерений в цепях переменного тока.

Достоинства магнитоэлектрических приборов: высокая чувствительность - до 3*10-11 А, вы-сокая точность - до 0,1%, малое потребление мощности - до 10-5 -10-6 вт.

Недостатки: сложность изготовления и ремонта, недопустимость перегрузок по току (отла-мываются стрелки, перегорают токоподводящие пружинки, растяжки, обмотка рамки) Об этих недостатках часто забывают студенты.

Обычно сопротивление обмотки рамки, выполняемой тонким проводом, составляет 100-1000 Ом, ток полного отклонения -100мкА-1мА и при непосредственном включении рамки в цепь при-бор можно использовать в качестве микроамперметра, миллиамперметра или милливольтметра. О расширении пределов измерения по току и напряжению будет рассказано ниже.

Электромагнитная система

Приборы электромагнитной системы предназначены для измерения силы тока и напряже-ния в цепях переменного и постоянного тока. Принцип действия приборов электромагнитной сис-темы основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки (1), по которой протека-ет измеряемый ток, с подвижным ферромагнитным сердечником (2) специальной формы, соеди-ненным со стрелкой. Сердечник закреплен эксцентрично на оси и может входить в щель катушки, поворачиваясь вокруг оси (3). Демпфер (4) препятствует колебаниям стрелки.

2

1

3

1

2

4

Рис.2


42

1- катушка, 2- сердечник, 3- ось, 4- электромагитный успокоитель.

Магнитное поле катушки пропорционально току. Намагниченность железного сердечника

пропорционально B→

и тоже возрастает с увеличением тока. В результате приближенно можно счи-тать, что в электромагнитном приборе вращающий момент М2 пропорционален квадрату тока: M k J2 2

2= , где k2 - коэффициент, зависящий от конструкции прибора.

Противодействующий момент M1 , создаваемый пружиной, пропорционален углу поворота подвижной части прибора: M k1 1= ϕ ,

где k1 - коэффициент, зависящий от упругих свойств пружины.

Равновесие стрелки достигается при равенстве моментов M M1 2= , при этом угол поворота

равен ϕ = kJ 2 .

При протекании через катушку прибора электромагнитной системы переменного синусои-дального тока отклонение стрелки будет определяться средним квадратом тока, (шкала прибора размечается в единицах 2JJ эфф = - так называемых эффективных или действующих значениях

тока или напряжения) Для J J to= sinω эффективное значение тока равно

Jэфф=1

22 2

0TJ t dt

Jo

Tosin ω ∫ = , здесь T =

2πω

.

Таким образом, показания приборов электромагнитной системы определяются квадратом то-ка и не зависят от его направления (т.к. при любом направлении тока через катушку сердечник бу-дет втягиваться в нее). Это позволяет использовать приборы электромагнитной системы в цепях постоянного и переменного тока. За счет специальной формы сердечника удается большую часть шкалы сделать почти равномерной и градуировать в амперах, но нелинейный участок в начале шкалы неизбежная дань квадратичной зависимости показаний от тока.

Достоинством приборов электромагнитного типа является их простота и надежность, воз-можность измерения и постоянных и переменных токов. Изменяя число витков и сечение провода обмотки легко изготовить приборы на разные токи полного отклонения (обычно 100мА до 100А)

Недостатки: малая чувствительность, большое потребление мощности от измеряемой цепи (обычно 0.1-1вт), нелинейность шкалы, зависимость показаний от частоты. Полное сопротивление

катушки 22 )( LRZ ω+= определяется ее активным сопротивлением R и индуктивностью L и зави-сит от частоты, поэтому величина тока через обмотку уменьшается с увеличением частоты, при неизменном напряжении U.

22 )(/ LRUJ ω+=

Обычно приборы этого типа градуируют на частотах 50-400Гц, когда,

активное сопротивление катушки много больше индуктивного, эти частоты указываются на шкале прибора. Заметим, что момент втягивающих сил можно представить:


43

( )M k J t k J to o2 22 2 2 2

21 2= = −sin cosω ω

т.е. стрелка прибора начинает колебаться с частотой 2ω на низких частотах. В этом можно убедиться, уменьшая частоту измеряемого напряжения до ~1Гц и менее.

Электростатическая система

Устройство приборов электростатической системы основано на взаимодействии двух заря-женных проводников рис.3, (с права), которые обычно представляет два плоских электрода(1,2) , один из которых подвижен(2). Стрелка закреплена на оси (3) и удерживается на "0" пружинкой (4). Слева приведена схема измерительного механизма С-95. Зеркало (8), укрепленное на растяжках (1) подвижного электрода (9), проектирует световое пятно от осветителя на шкалу прибора. Непод-вижный электрод (10) укреплен на изоляторе (11). Демпфирование достигается при движении электрода (9) в поле магнитов (3).

Рис. 3

При подаче напряжения U на электроды, между пластинами возникает сила электростатиче-ского взаимодействия

F kq k U= =2 2' ,

где k kC'= 2 ; q - заряд,

C - емкость конденсатора, образованного измерительными электродами, не зависящая от по-лярности приложенного напряжения.

Вращающий момент силы притяжения пластин можно найти, взяв производную от энергии заряженного конденсатора по углу отклонения:

22

22

2 21

21 Uk

ddCU

ddCUM ===

ϕϕ

он уравновешивается моментом силы упругости пружины M k1 1= ϕ , где ϕ - угол поворота подвижной части прибора. Угол отклонения, таким образом, определяется квадратом поданного напряжения: ϕ = kU 2 . Выбирая форму подвижной пластины, можно сделать большую часть шка-лы прибора равномерной, но нелинейность в начале шкалы конечно останется.

Аналогично прибору электромагнитной системы при подаче переменного напряжения угол отклонения оказывается пропорционален


44

ϕ = = ∫kU kT

U dto

T2 21

.

Шкала электростатического вольтметра градуируется в единицах эффективного напряжения

U 2 , также как шкалы приборов электромагнитной системы.

Отличительной особенностью приборов электростатической системы является очень высо-кое внутреннее сопротивление, достигающее на постоянном токе Rвх ~1016 Ом, которое определя-ется токами утечки по изоляторам и зависит от влажности. При измерении переменного напряже-

ния Rвх определяется на высоких частотах токами перезарядки емкости прибора C

Zc ω1=

Благодаря высокому входному сопротивлению R заряд на электродах измерительной систе-мы сохраняется долго, несмотря на ее небольшую емкость (около 10 pF.)

RCt

eqtq−

= 0)( обычно постоянная времени 310≈= RCτ сек.

Поэтому для установки прибора на "0" его клеммы необходимо замыкать. Для экранировки прибора от внешних электрических полей, его корпус изнутри покрывается проводящим составом, соединенным с клеммой "экран".

Примечания. Рассмотренные типы приборов далеко не полный перечень. Широко использу-ются ваттметры, фазометры, и.т.д. описания принципа, действия которых выходят за рамки данной работы.

Цифровые измерительные приборы

Цифровой вольтметр имеет следующие особенности:

- цифровое представление информации, уменьшающее субъективную ошибку считывания ре-зультата;

- возможность подсоединения прибора к ЭВМ;

- высокую точность измерения и широкий диапазон измеряемых параметров, за счет автома-тического переключения пределов измерения.

Основой цифрового вольтметра является аналого-цифрового преобразователь (АЦП). В на-стоящее время имеется множество и схемотехнических принципов построений АЦП,однако об-щим для них является сравнение измеряемой величины с набором эталонов.Основными характе-ристиками АЦП являются точность преобразования (число разрядов в выходном коде) и быстро-действие. Можно условно разделить АЦП на два основных класса: последовательного счета, когда выходной код определяется равенством измеряемого напряжения с дискретно растущим эталон-ным напряжением и паралельного, когда сигнал сравнивается набором эталоных напряжений. Для снижения влияния сетевых наводок часто используцют АЦП интегрирующего типа в которых сиг-нал усредняют за время, кратное нескольким периодам наводки. Поскольку среднее значение сину-соидального сигнала за период равно нулю это позволяет снизить влияние помех. Заметим, что это далеко не полный перечень АЦП.

На рис 4. представлена блок схеиа простейшего АЦП, последовательного типа (квантом эта-лонного напряжения является изменение напряжения пилы за один такт импульсного генератора)


45

В состав АЦП входят прецизионный генератор пилообразного напряжения, устройство срав-нения, импульсный генератор и счетчик импульсов. Устройство сравнения выполняет роль управ-ляемого ключа, через который импульсы с генератора поступают на вход счетчика. Измеряемое

напряжение U0 и пилообразное напряжение U(t) подаются на устройство сравнения. Как только U(t) достигает уровня измеряемого напряжения, устройство сравнения вырабатывает сигнал, кото-рый закрывает вход счетчика импульсов (начало счета синхронизовано с моментом времени, когда U(t) = 0). Таким образом, число импульсов, сосчитанное счетчиком, оказывается однозначно свя-занным с измеряемым напряжением.

Цифровой амперметр можно реализовать установив на входе цифрового вольтметра, калиб-рованный резистор небольшой величины, через который протекает измеряемый ток. Падение на-пряжения на входном резисторе, пропорциональное протекающему току, измеряется цифровым вольтметром, табло которого соответствующим образом градуируется.

3. Влияние внутреннего сопротивления приборов на точность измерений

При подключении измерительного прибора к электрической цепи ее параметры в той или иной степени изменяются, что необходимо учитывать при проведении измерений. Основное тре-бование к электроизмерительным приборам сводится к минимизации влияния прибора на пара-метры и режим работы объекта измерений.

Измерение амперметром

Амперметр включается в электрическую цепь последовательно (в разрыв цепи), как показано на рис. 5.

Ток в цепи до включения амперметра был равен JE

R= * , а при включении амперметра равен

JE

R RA

'*

=+

. Поэтому только при RА << R* амперметр не вносит заметных искажений ( J J'≈ ).

0 t t0

0 t0 t

U0

нератор пилы”

Устройство сравнения

Счетчик импульсов

Импульсный генератор

Декадный регистратор

Блок синхронизации

0 t U(t)

Рис. 4. Блок-схема цифрового вольтметра.


46

А

RA

E

R*

Рис. 5. Эквивалентная схема измерения тока амперметром.

Е − источник ЭДС; R* − эквивалентное сопротивление цепи, включая внутреннее сопротивле-ние источника ЭДС;

− измерительный механизм ("идеальный" амперметр с нулевым входным сопротивлением);

RА − входное (внутреннее) сопротивление амперметра.

Измерение вольтметром

Как видно из описания принципа действия приборов, их измерительные механизмы реагиру-ют либо на ток (в приборах магнитоэлектрической системы угол отклонения стрелки ϕ ~ J , в при-

борах электромагнитной системы ϕ ~ J 2 ), либо на напряжение (в вольтметрах электростатической

системы ϕ ~ U 2 , в цифровых приборах показание пропорционально току, протекающему через входное сопротивление).

Системы, реагирующие на ток, могут использоваться и в качестве вольтметра. Для этого к из-мерительному механизму (обычно это микроамперметр с током полного отклонения 50-100 мкА) подключается последовательно большое добавочное сопротивление, тогда ток через прибор про-порционален напряжению, в единицах которого и градуируется шкала.

R*

RRV

Рис. 6. Эквивалентная схема подключения реального вольтметра к цепи.

Е − источник ЭДС; R* − эквивалентное сопротивление цепи, включая внутреннее сопротив-ление источника ЭДС; R − сопротивление участка цепи, на котором измеряется падение напряже-ния; Rv − внутреннее сопротивление вольтметра; а -реагирующего на ток, б -реагирующего на на-пряжение.


47

Рассмотрим, что происходит при подключении реального вольтметра к электрической цепи. До включения вольтметра падение напряжения на R равно

U J R E RR RAB = ⋅ = ⋅

+* .

После включения вольтметра его внутреннее сопротивление Rv шунтирует R и показания вольтметра, оказываются отличными от UAB :

V

V

V

V

AB

RRRRR

RRRRE

U

+⋅+

+⋅⋅

=*

'

Напряжения UAB' и UAB близки (U UAB

'AB≈ ) только в том случае, если Rv >>R. Следовательно,

сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления того участка цепи, к кото-рому он подключен.(заметим, что последнее условие достаточное но не необходимое).

4. Изменение пределов электроизмерительных приборов

Часть измерительных приборов является многопредельными, тогда у соответствующего по-ложения переключателя или клеммы указывается значение тока или напряжения при отклонении на всю шкалу.

В амперметрах изменение пределов достигается включением различных шунтов RH (см. рис. где R RA H, - сопротивление измерительной системы и шунта.).При этом ток через прибор меньше тока J в цепи:

H

AA

RRJJ

+=1

J RA

А

JA

Rн

Рис. 7. Схема изхмерения тока многопредельным амперметром.

В вольтметрах, реагирующих на ток, изменение пределов измерений достигается вклю-чением добавочного сопротивления RD (см. рис.8), которое уменьшает ток через измерительную систему.


48

V

R

RV

П

RD

A B

Рис. 8. Схема многопредельного вольтметра с измерительным механизмом, реагирующим на ток

Тогда напряжение на регистрирующем приборе будет равно только части измеряемого на-пряжения, что позволяет расширить дипазон, при этом шкалу прибора нужно проградуировать в новых значениях. Связь между старым VU и новым значением ABU даст соотношение:

UU

R RR

URR

VAB

V DV

AB

D

V

=+

=+1

.

Для вольтметров электростатической системы расширение пределов измерения достига-ется механическим изменением расстояния между подвижным и неподвижным электродами (в высоковольтных приборах на 5-50 kV). На постоянном (и низкочастотном) токе, в низковольтных приборах можно использовать выносной делитель напряжения .

5. Цена деления, погрешность измерений

Обычно многопредельные приборы имеют одну шкалу. В таком случае значение измеряемой величины X определяется следующим образом:

X nAN

= max ,

здесь n − показание стрелки прибора в делениях шкалы; N − полное число делений шкалы; Аmax − предел измерения, т.е. значение, соответствующее полному отклонению стрелки на включенном диапазоне прибора.

Величина NAa /max= называется ценой деления.

Важнейшей характеристикой прибора является его погрешность. Обычно точность прибора характеризуется приведенной погрешностью. Приведенная погрешность γ есть отношение абсо-лютной погрешности ∆ X , которая для данного прибора считается постоянной, к пределу шкалы прибора:

γ = ⋅∆XAmax

%100 .


49

Электроизмерительным приборам, основная погрешность которых выражается в виде приве-денной погрешности, присваивают классы точности, числовые значения которых (например, 0,1; 0,2; 0,5) равны γ . Класс точности прибора указывается на его шкале.

Результат измерения представляется в виде:

X X± ∆ , где ∆XA

=γ max

100 .

Например, напряжение U = 100 В, измеренное вольтметром с пределом Аmax =200 В и γ = 0.5, должно быть представлено в виде U=(100 ± 1) В. Обратите внимание, что относительная по-

грешность ∆U

U=1 %, а не 0,5 %, как в том случае, если бы мы измеряли напряжение U~200 В. Если

этим же прибором попытаться измерить напряжение U=1 В, то ∆U

U=100 %, т.е. мы вообще ничего

не можем сказать о величине измеряемого напряжения. Пример показывает, что электроизмери-тельный прибор или диапазон многопредельного прибора необходимо выбирать в зависимости от ожидаемой величины измеряемого сигнала таким образом, чтобы показания прибора были в конце его шкалы.

Если погрешность прибора указана в процентах от длины рабочей части шкалы, то класс точ-ности снабжается значком, например, 2,5 − для шкалы омметра тестера.

6. Тестер

В лабораторной практике часто используются многопредельные приборы, в которых путем подключения к измерительному механизму добавочных сопротивлений или шунтов достигается расширение пределов измерения по току и напряжению. На шкале прибора в этом случае приво-дятся данные о токе полного отклонения при измерении различных напряжений и падение напря-жения при измерении различных токов. Это позволяет определить сопротивление вольтметра и амперметра на различных пределах.

Тестер - универсальный электроизмерительный прибор, предназначенный для измерения постоянного напряжения и силы тока, действующего (эффективного) значения переменного на-пряжения и тока синусоидальной формы, сопротивления постоянному току и других величин (на-пример, параметров транзисторов). Измерительным устройством является обычно микроампер-метр магнитоэлектрической системы (типичный ток полного отклонения 50-100 мкА, сопротивле-ние рамки 100 Ом -1Ком). Расширение пределов измерения осуществляется с помощью шунтов (для амперметра) и добавочных сопротивлений (для вольтметра). В связи с этим тестер имеет раз-личные внутренние сопротивления на разных пределах измерения (эти параметры обычно указы-вают на табличке прикрепленной с нижней стороны прибора).

При измерении напряжения внутреннее (входное) сопротивление тестера определяется

RU

JV = max

', где Umax - предельное значение данного диапазона измерения, J' - потребляемый ток

(см. паспорт прибора). Например, при измерении постоянного напряжения на пределе 50 В. сопро-тивление тестера равно R=50В/0.053mA ≈ 1МOм.

При измерении тока входное сопротивление тестера равно RU

JA ='

max, где U' - падение на-

пряжения, указанное в паспорте Ц 432, J max - предел шкалы используемого диапазона измерения.


50

Например, при измерении постоянного тока на пределе 0,25 мА сопротивление тестера равно: R = 0,4В / 0,25 мА = 1,6 кОм.

С достаточной точностью входные сопротивления можно оценить определив минимальный измеряемый ток, как правило это и есть ток полного отклонения в режиме вольтметра, минималь-но измеряемое напряжение, аналогично, будет падением напряжения на приборе при измерении токов. Эти параметры есть падение напряжения при токе полного отклонения на используемом в тестере микроамперметре.

При измерении силы и напряжения переменного тока используется двухполупериодная схема выпрямления (рис. 9).

Выпрямленный ток (пульсирующий, но одной полярности) подается далее в схему измерения магнитоэлектрическим прибором, шкала которого проградуирована в эффективных (действующих) значениях напряжения (тока).

∼

∼

Рис. 9. Схема двухполупериодного выпрямления синусоидального тока.

Измерения сопротивления внеш-ней цепи осуществляется с помощью встроенного источника постоянного напряжения (сменные электрохимиче-ские источники) и добавочных сопро-тивлений (рис. 10).

Перед измерением сопротивлений клеммы А и В замыкаются и подстро-ечным резистором (установка "0") стрелка измерительного прибора уста-навливается на предел шкалы (макси-

мум тока), что соответствует "0" на шкале измерения сопротивлений. Последующее включение измеряемого сопротивления Rx уменьшает ток, при этом шкала проградуирована в величинах из-меряемого сопротивления.

Задание

1. Экспериментально убедитесь в том, что показания вольтметра зависят от его внут-реннего сопротивления. Определите ЭДС и внутреннее сопротивление источника постоянно-го напряжения.

Возьмите источник с высоким внутренним сопротивлением и измерьте напряжение на его за-жимах поочередно приборами электростатической и магнитоэлектрической системы. Объясните

R

A BRX

Установка “0”

Рис. 10. Принципиальная схема измерения сопротивления


51

различие показаний. Соедините их параллельно и присоедините оба прибора к источнику. Объяс-ните результат.

Для выяснения причины расхождения в показаниях приборов рассмотрим ток в цепи

VRR

EJ

+=

* и напряжение на зажимах прибора

U JR E RR RV V

V

V

= =+*

.

Измеряемое напряжение отличается от ЭДС источника на величину

∆U RR R

EV

=+*

*.

Из показаний двух приборов в первом измерении определите ЭДС источника и его внутреннее сопротивление. Укажите точность всех приведенных результатов.

2. Экспериментально убедитесь в том, что в цепи переменного тока показания вольтмет-ров зависят не только от амплитуды, но и от формы сигнала.

Соберите схему, приведенную на рис. 11. Зафиксируйте показания всех приборов, в том числе и стрелочного прибора на генераторе, сравните их. Объясните полученные результаты. Определите из показаний стрелочных приборов амплитудное значение напряжения, сравните его с показанием осциллографа. Не забудьте указать погрешности результатов.

VM VCVЭ NG

Рис. 11. Схема измерения выпрямленного синусоидального напряжения (упражнение 2). G − низ-кочастотный генератор; VМ, VС, VЭ − вольтметры магнитоэлектрической, электростатической и электромагнитной системы; N − осциллограф;

− полупроводниковый диод; − обозначение заземления.

Примечание. При проведении измерений частота генератора не должна превышать 100 Гц, в связи с тем, что в схеме использован низкочастотный диод. Пронаблюдайте, как будет изменяется осциллограмма "выпрямленного" напряжения, с увеличением частоты

3. Определить рабочий интервал частот вольтметров (в котором различие показаний не превышает пределов погрешности).

Соберите схему рис. 12 (условные обозначения такие же, как на рис. 11).


52

NVЭG VС

Рис. 12. Схема измерения частотной характери-стики вольтметров

Исследуйте частотную характеристику вольтметров электромагнитной и электростатической систем, т.е. определите зависимость показаний вольтметров от частоты генератора при постоянном выходном напряжении генератора (постоянство U контролируйте осциллографом). Постройте гра-фики U(f ), откладывая частоту в логарифмическом масштабе (lg f). Объясните полученные зави-симости. Оцените индуктивность L .

4. Определить эквивалентное сопротивление электростатического вольтметра.

4.1 Сопротивление постоянному току этих приборов очень велико ( ОмRвх1614 1010 −= ), по-

этому токи очень малы и их трудно измерить. Однако сопротивление электростатического вольт-метра легко оценить, выполнив следующее измерение. См Рис13. Зарядите емкость электростати-ческого вольтметра, присоединив его на короткое время к источнику питания. После отключения источника емкость останется заряженной, и вольтметр будет продолжать показывать некоторое напряжение U0. Разрядка емкости происходит по закону

U(t) = U0exp(- t/RC), (3)

где R - сопротивление утечки. Величина емкости С составляет ~10 pF. Периодически фиксируя показания вольтметра, постройте кривую разрядки U(t) за время ~ 20 минут и по формуле (3) оце-ните сопротивление утечки.

4.2 4.2 При большой влажности, загрязненности изоляторов и

В7-21 ЭИ

ЭVC Рис 14.

VС V=100v

Рис. 13. Vc − вольтметр элек-тростатической системы.


53

соответственно больших токах утечки этот способ не применим. В этом случае можно измерить R, собрав схему представленную на рис 14.

Измерьте, ток утечки электростатического вольтметра,пользуясь схемой рис. 14. По показани-ям вольтметра и амперметра найдите эквивалентное сопротивление электростатического вольт-метра.

Сравните полученное значение с ранее измеренным в упражнении 4.1. Объясните результат.

Контрольные вопросы

1. Чем определяется предел измерения стрелочного прибора? Например, можно ли однопредельный вольтметр, рассчитанный на измерение напряжения 300 вольт (М252) использовать для измерения напряжения 1000 вольт?

2. Можно ли стрелочным вольтметром измерить амплитуду электрического сигнала прямоугольной формы (рис. 15)? Какими будут показания приборов различных систем при измерении такого напряжения?

3. Как прибор для измерения тока можно использовать для измерения разности потенциалов?

4. Каким вольтметром и как можно измерить:

напряжение в сети;

синусоидальный сигнал с частотой 1 Мгц и амплитудой U = 50 В;

синусоидальный сигнал с частотой 1 Гц и U = 20 В.

Список литературы

1.Методы физических измерений /Под ред.Р.И.Солоухина.,Новосибирск 1975.

2. Физический практикум / Под ред. В.И.Ивероновой. М.: Наука, 1968.

3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика. М.: Наука, 1988.

4. Описание лабораторных работ. 1987. Ч.1: Измерительный практикум.

Интернет версия подготовлена на основе издания: Описание лабораторных работ по физике. Из-мерительный практикум. Часть1. Новосибирск: Изд-во, НГУ, 1999

Физический факультет НГУ, 2000

Лаборатория методов измерений НГУ, 2000, http://www.phys.nsu.ru/measuring/

t

U(t)

Рис. 15. Электрический сигнал пря-моугольной формы.

Электроизмерительные приборы: Методические указания...

Documents