Измерение физических величин. Погрешности измерений

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕНЫ ДЕЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА

Методические указания к фронтальной
лабораторной работе

(раздел «Электричество»)

Ростов-на-Дону, 2013

УДК 530.1

Составители: доц. Т.В. Шкиль,

доц. И.В. Мардасова,

доц. Н. В. Пруцакова.

Определение цены деления электроизмерительного прибора:
метод. указания. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2013.
– 12 с.

Методические указания содержат краткое описание рабочей установки и методики определения цены деления исследуемого прибора.

Предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Электричество»).

Печатается по решению методической комиссии факультета
«Нанотехнологии и композиционные материалы»

Рецензент проф. Г.Ф. Лемешко.

Редактор Т.В. Колесникова

________________________________________________________

В печать 24.02.2013.

Объем 0,75 усл.п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ № Тираж 100 экз. Цена свободная

________________________________________________________

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344000, г. Ростов-на-Дону, пл. гагарина, 1.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕНЫ ДЕЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА

Цель работы: определение цены деления исследуемого электроизмерительного прибора.

Оборудование: исследуемый прибор, эталонные вольтметр и миллиамперметр, реостат, источник тока, соединительные провода.

Теоретическая часть

Все электроизмерительные приборы классифицируют по следующим общим признакам: по принципу действия (магнитоэлектрические, электромагнитные и др.); по роду измеряемой величины (амперметры, вольтметры и др.); по классу точности.

На шкалу прибора наносятся символы, указывающие: принцип действия прибора; род тока; положение прибора на лабораторном столе; пробивное напряжение изоляции; класс точности прибора (см. приложение).

Электроизмерительные приборы состоят из подвижной и неподвижной частей. При прохождении электрического тока вращающий момент подвижной части уравновешивается упругим моментом пружины или какого-либо другого устройства. При этом стрелка прибора фиксирует угол поворота подвижной части. Трение в деталях прибора или другие помехи влияют на показания, внося соответствующие погрешности.

Для скорейшего успокоения подвижной части прибора применяются специальные тормозящие устройства – демпферы, встроенные в прибор.

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы (рис.1) основан на действии магнитного поля постоянного магнита на рамку с током. В воздушном зазоре между полюсными наконечниками магнита и цилиндрическим сердечником 1 из магнитомягкого материала создается радиальное магнитное поле.
В этот зазор помещается рамка (катушка) 2 из тонкого изолированного медного провода, намотанного на легкий бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной формы. Рамка может поворачиваться вместе с осью ОО’ и стрелкой 4 вокруг сердечника 1. Измеряемый ток подводится к рамке через две упругие спиральные пружины 3, создающие противодействующий момент и возвращающие стрелку 4 в исходное положение, когда ток становится равным нулю.

Угол поворота рамки линейно растет с увеличением силы тока, т.е. шкала прибора равномерная. При изменении направления тока рамка будет поворачиваться в обратную сторону, поэтому прибор пригоден только для измерений в цепях постоянного тока.

Приборы магнитоэлектрической системы применяются в качестве амперметров и вольтметров постоянного тока как при технических измерениях, так и при контрольных лабораторных измерениях, поскольку дают большую точность и являются экономичными в смысле потребления энергии.

Принцип действия приборов электромагнитной системы (рис. 2) основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки 1, обтекаемой измеряемым током , с подвижным ферромагнитным сердечником 2, эксцентрично укрепленным на оси.

Противодействующий момент создается спиральной пружиной 3. Стрелка 5 жестко укреплена на оси и вместе со шкалой 6 образует отсчетное устройство прибора. Успокоение подвижной части механизма осуществляется воздушным успокоителем 4.

Катушка с током представляет собой электромагнит, поэтому при пропускании через нее тока ферромагнитный сердечник втягивается в катушку, поворачиваясь при этом вокруг оси.

Согласно теории, между углом поворота стрелки прибора и силой тока в нем существует квадратичная зависимость, т.е. шкала прибора неравномерная (квадратичная), прибор не реагирует на направление тока, давая всегда отклонение в одну сторону. Следовательно, им можно измерять постоянные и переменные токи (градуировка шкалы при этом может быть разная).

Эти приборы получили широкое применение в качестве щитовых приборов переменного тока промышленной частоты, поскольку просты по конструкции и недороги, однако имеют меньшую точность измерения по сравнению с приборами других систем.

Амперметр – прибор для измерения силы тока. Поскольку сила тока при последовательном соединении одинакова на всех участках цепи, амперметр включают последовательно тому участку, на котором измеряют силу тока (рис. 3). Чтобы включение амперметра заметно не влияло на величину тока, сопротивление амперметра делают очень малым.

Вольтметр – прибор для измерения напряжения на данном участке цепи. Поскольку напряжение одинаково на параллельных участках цепи, вольтметр подключают параллельно тому участку АВ, на котором измеряют напряжение (рис. 4).

Для того чтобы включение вольтметра существенно не изменило силу тока на данном участке, сопротивление вольтметра должно быть во много раз больше сопротивления этого участка цепи. Поэтому вольтметр отличается от амперметра наличием очень большого по сравнению с амперметром внутреннего сопротивления.

В лабораторной практике часто используются реостаты со скользящим контактом.

Реостат представляет собой проводник, намотанный на фарфоровый или шиферный цилиндр. По проволоке скользит движок С (контакт), дающий возможность включить в цепь большее или меньшее сопротивление. Если реостат включается в цепь с целью изменить величину тока (рис.5,а), то при передвижении движка С от А к В сопротивление, вводимое в цепь, будет возрастать, а ток уменьшаться.

Иногда возникает необходимость подключить к нагрузке только часть напряжения, даваемого источником э.д.с. В этом случае реостат включается в цепь с целью деления напряжения (как потенциометр) (рис.5,б). Если движок С перемещать от А до В, то сопротивление участка АС будет возрастать, и разность потенциалов (напряжение) между точками А и С увеличится.

Измерение физических величин. Погрешности измерений

Различают прямые и косвенные измерения. При прямых измерениях искомая величина определяется непосредственно при помощи измерительного прибора. Косвенными называются измерения, когда определяемая величина вычисляется по формуле, включающей результаты прямых измерений.

Независимо от вида и способа измерений ни одно измерение не может быть выполнено абсолютно точно. Результат измерения любой физической величины всегда содержит некоторую погрешность – ошибку измерения, показывающую, насколько полученное значение отличается от истинного значения искомой величины.

Абсолютной погрешностью измерения называется отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины : .

Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины: .

Погрешность часто выражают в процентах: .

Если прямое измерение проведено один раз или результаты всех прямых измерений искомой величины совпадают, то за погрешность результата измерения часто принимается инструментальная погрешность измерительного прибора.

Очевидно, что инструментальная погрешность измерения неизбежна из-за ряда причин: конструктивных особенностей приборов, влияние внешних факторов и т.п. Для оценки точности самих измерительных приборов служит их приведенная погрешность.

Приведенная погрешность прибора – отношение его абсолютной погрешности к верхнему пределу измерения прибора (для многопредельных приборов – к большему из пределов измерения):

Классом точности прибора называется наибольшая возможная приведенная погрешность прибора:

Для электроизмерительных приборов стандартом установлены следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4. Зная класс точности прибора, можно рассчитать его инструментальную погрешность:

Пример. Имеется вольтметр класса точности с пределом измерения . Проводилось однократное измерение напряжения . Рассчитать абсолютную и относительную погрешности измерения.

Эта инструментальная погрешность постоянна для данного прибора при любых измерениях. Результат измерения записывается в виде:

Относительная погрешность зависит от измеренной величины напряжения: .

Эта погрешность для данного прибора уменьшается с ростом измеренной величины до минимального значения .

В случае многократных наблюдений результат измерения и его погрешность находятся методом статистической обработки всех выполненных наблюдений. В этом случае абсолютная погрешность измерения определяется формулой:

где - случайная погрешность, - инструментальная погрешность прибора.

Цена деления – это значение измеряемой величины, соответствующее наименьшему делению шкалы прибора.

Для определения цены деления нужно разделить наибольшее для данного прибора значение измеряемой величины , т.е. предел измерения прибора на число делений шкалы прибора, . Если данный прибор имеет несколько пределов измерения, то для каждого предела измерения цена деления будет иметь свое значение.

Задание 1. Определение цены деления исследуемого прибора по напряжению

Таблица 1

В/дел

	дел	дел	В	В/дел	В/дел	%





Среднее значение

1. Собрать электрическую цепь согласно схеме (рис. 6).

2. Определить цену деления эталонного вольтметра: ,

где - предел измерения эталонного вольтметра;

- общее число делений его шкалы.

3. Движок потенциометра поставить в среднее положение и подключить схему к источнику питания.

4. Перемещая движок потенциометра, установить на исследуемом приборе напряжение, соответствующее отклонению стрелки на = 5 делений его шкалы, и определить соответствующее число делений на эталонном вольтметре. Результаты измерений занести в таблицу 1 для всех значений .

5. Определить напряжение , которое показывает эталонный вольтметр для каждого значения : .

6. Так как оба прибора подключены параллельно, напряжение на них одинаково. Поэтому цену деления исследуемого прибора для

каждого значения можно определить по формуле:

7. Рассчитать среднее значение цены деления исследуемого прибора

абсолютные погрешности каждого измерения, среднюю абсолютную и относительную погрешности:

, :

8. Записать окончательный результат в виде: .

9. Если в результате расчетов оказалось, что , необходимо рассчитать величину для первого измерения как для косвенного:

Величина рассчитывается по классу точности эталонного вольтметра (задание 3).

Задание 2. Определение цены деления исследуемого прибора по току

1. Собрать электрическую цепь согласно схеме (рис. 7).

2. Определить цену деления эталонного миллиамперметра: .

mА/дел

	дел	дел	mА	mA/дел	mA/дел	%





Среднее значение

Таблица 2

3. Движок реостата поставить в среднее положение и подключить схему к источнику питания.

4. Перемещая движок реостата, установить на исследуемом приборе силу тока, соответствующую отклонению стрелки на =5 делений его шкалы и определить соответствующее число делений на эталонном миллиамперметре. Результаты измерений занести в таблицу 2 для всех значений .

5. Определить силу тока , которую показывает эталонный миллиамперметр для каждого значения : .

6. Так как оба прибора подключены последовательно, то через них идет одинаковый ток. Поэтому цену деления исследуемого прибора для каждого значения можно определить по формуле:

7. Повторить п.7 и 8 задания 1.

8. Если в результате расчетов оказалось, что , необходимо рассчитать величину для первого измерения как для косвенного:

Величина рассчитывается по классу точности миллиамперметра (задание 4).

Задание 3. Рассчитать инструментальную погрешность эталонного вольтметра

где – класс точности вольтметра, - предел измерения напряжения.

Задание 4. Рассчитать инструментальную погрешность эталонного миллиамперметра

где – класс точности вольтметра, - предел измерения тока.

Задание 5. Определение сопротивления исследуемого прибора.

Определить сопротивление исследуемого прибора, используя закон Ома:

где и - верхние пределы измерения исследуемого прибора по напряжению и току, соответствующие максимальным значениям и из таблиц 1 и 2 соответственно.

Контрольные вопросы

1. Как определить цену деления прибора?

2. Как определить погрешность измерения, исходя из класса точности прибора?

3. Принцип действия приборов магнитоэлектрической и электромагнитной систем.

4. Расшифровать маркировку прибора (см. приложение).

5. Изобразить схему подключения вольтметра для определения напряжения на данном участке цепи.

6. Изобразить схему подключения амперметра для определения силы тока на данном участке цепи.

7. Что представляет собой реостат?

8. Изобразить схемы подключения реостата, когда он используется для изменения силы тока и напряжения в цепи.

Приложение

Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов

Наименование

Условные обозначения

Амперметр

Миллиамперметр

Микроамперметр

μA

Киловольтметр

Вольтметр

Милливольтметр

Ваттметр

Магнитоэлектрический прибор

∩

Электромагнитный прибор

Прибор постоянного тока

▬

Прибор переменного тока

Прибор постоянного и переменного тока

Вертикальное положение прибора

Горизонтальное положение прибора

Пробивное напряжение изоляции 2 кВ

Защита от внешних магнитных полей, например 2 мТл

Защита от внешних электрических полей, например 10 кВ/м

Класс точности приборов

1.5

Литература

1. Нефедов В.И. Метрология и электро/радиоизмерения в телекоммуникационных системах / В.И. Нефедов. – М.: Высшая школа, 2005.

2. Шишмарев В.Ю. Средства измерений / В.Ю. Шишмарев. – М.: Академия, 2006.