Структура электроизмерительных приборов различного типа

Электронный вольтметр постоянного тока:

Входное Усилитель Измерительный

устройство постоянного тока механизм

Электронный вольтметр переменного тока:

Входное Детектор Усилитель Измерительный

устройство постоянного тока механизм

Цифровой измерительный прибор:

Входной Аналогово-цифровой Цифровое отсчетное

аналоговый преобразователь преобразователь АЦП устройство

Логическая схема работы АЦП:

111

111 110

110 101

100 101 100

010 011

011 010

001

001 000

Аналогово- цифровой преобразователь последовательного приближения:

Устройство сравнения Цифро-аналоговый преобразователь

Генератор тактовых импульсов Устройство управления с регистрами

последовательного приближения РПП

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 применяются 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, 1б) предназначены для измерения постоянного тока, а две вторые схемы (1в, 1г) - для измерения переменного тока.

 

 

Вторая и четвертая схемы (рис. 1б,1г) 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 I ₀, разветвляется на два тока I_Г и I_Ш

(рис. 2), где R_Г – сопротивление гальванометра (исходного амперметра), I_Г – ток, протекающий

через гальванометр (исходный амперметр), R_Ш – сопротивление шунта, I_Ш – ток, протекающий через шунт, I ₀– ток, измеряемый амперметром с шунтом («новый» прибор).

Из закона сохранения зарядов следует, что:

(1)

Напряжение при параллельном соединении в ветвях одинаково, поэтому можно записать:

,

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.

 

 

 

Рис. 2

Коэффициентом шунта называется число, показывающее, во сколько раз предельный ток, измеряемый амперметром с шунтом, больше предельного тока, измеряемого гальванометром (исходным 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 I_Г,получим:

(4)

Но, так как

 

и

,

Равенство (4) можно записать так:

.

Отсюда сопротивление шунта равно:

(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 = π d ²/4 – 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 напряжения 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 R_д (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 R_д, а 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,

U ₀ - напряжение в цепи,

U_в - предельное напряжение, на которое рассчитан исходный вольтметр.

U_д - напряжение на добавочном сопротивлении,

R_в – сопротивление исходного вольтметра (гальванометра),

R_д – добавочное сопротивление.

Rд

U_д U_в

А R_в В

U ₀

 

Рис. 4

Разделив обе части равенства (7) на U _в, получим:

(10).

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 сопротивления вольтметра.

Проградуировать прибор – это значит определить цену деления «нового» прибора, и сопоставить его показания с показаниями контрольного прибора.

Порядок выполнения работы

Примечание: во всех трёх 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.