Указания методические по выполнению лабораторной работы №3 по курсу “Основы измерительной техники” для студентов электротехнических специальностей всех форм обучения ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УТВЕРЖДАЮ: Декан ЭФФ _________ Евтушенко Г.С. "__ __"____________ 2009г. Масштабные измерительныепреобразователи (шунты и добавочные сопротивления) Методические указания по выполнению лабораторной работы №3 по курсу “Основы измерительной техники” для студентов электротехнических специальностей всех форм обучения ТОМСК 2009 УДК 621.317.76 Масштабные измерительные преобразователи (шунты и добавочные сопротивления. Методические указания по подготовке и выполнению лабораторной работы 3 для студентов электротехнических специальностей всех форм обучения. -Томск: изд. ТПУ. 2009. - 11с. Составители: В.Ф.Вотяков, А.М.Нестеров Рецензент: доцент, к.т.н. Д.В. Миляев Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры информационно-измерительной техники "05" февраля 2009 г. Зав. кафедрой, профессор, д.т.н. Гольдштейн А.Е. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ введение Диапазон значений напряжения и силы тока, измеряемых в современной практике, довольно широк: В и А. При выборе методов и средств измерения следует учитывать не только диапазон измеряемых значений напряжений или силы тока, но и мощность цепи, в которой осуществляется измерение. Учет всех факторов, влияющих на процесс измерения, позволяет существенно уменьшить т.н. методическую погрешность измерения. Для измерения наиболее часто встречающихся значений напряжений и токов - В и А соответственно-применяют магнитоэлект­рические вольтметры и амперметры, цифровые приборы, электронные вольтметры, компенсаторы постоянного тока и ряд других приборов. В данной лабораторной работе рассматриваются методы измерения напряжений и токов с помощью приборов, основу которых составляют магнитоэлектрические измерительные механизмы. Исследуются способы расширения пределов измерения по току и напряжению. Работа рассчитана на 2 часа. 1. приборы и оборудование 1.1. Вольтамперметр М2044 (М2038) 1.2. Мультиметр цифровой АРРА-109N 1.3. Источник питания постоянного тока GPS-4251 (ИППТ) 1.4. Магазин сопротивлений Р33 1.5. Лабораторный макет 2. цель работы Изучение принципа действия и области применения магнитоэлектри­ческих измерительных механизмов. Научиться с помощью дополнительных электрических схем конструировать на базе магнитоэлектрического механизма амперметры и вольтметры. 3. программа работы 3.1. Изучить принцип действия магнитоэлектрического механизма, способы расширения пределов измерения по току и напряжению. 3.2. Изучить устройство лабораторного макета, назначение и пара­метры находящихся в нем компонентов. 3.3. Определить основные параметры предложенного магнитоэлектри­ческого механизма­, для чего измерить ток полного отклонения, напряжение полного отклонения, сопротивление рамки механизма. 3.4. Рассчитать и собрать схему миллиамперметра с пределами измерения 0.5 и 1.0 мА или на другой предел измерения, предложенный преподавателем. 3.5. Измерить пять различных значений тока на новом пределе изме­рения. Оценить погрешности измерения. 3.6. Оценить влияние внутреннего сопротивления микроамперметра на результат измерения ( методическая погрешность ). 3.7. Рассчитать и собрать схему вольтметра с пределами измерения 1.0 и 5.0 В или на другой предел измерения, предложенный преподавателем. 3.8. Измерить пять значений напряжений на новом пределе измерения. Оценить погрешность измерения. 3.9. Оценить влияние внутреннего сопротивления вольтметра на результат измерения ( методическая погрешность ). 4. домашнее задание Изучить принцип действия магнитоэлектрических измерительных механизмов, их основные достоинства и недостатки. Рассмотреть, в каких приборах находят применение магнитоэлектрические механизмы. Разобраться, как с помощью дополнительных электрических цепей (шунтов, добавочных резисторов ) можно один и тот же измерительный механизм использовать в качестве амперметра или вольтметра. 5. краткие пояснения к работе Магнитоэлектрические приборы в основе своей состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма , в сочетании с которым измерительная цепь и отсчетное устройство определяют этому прибору конкретное назначение. Этими приборами измеряют токи и напряжения (амперметры и вольтметры), сопротивления (омметры), количества электричества (кулонметры). Особое их применение- в качестве т.н. нуль-индикаторов , приборов с высокой чувствительностью к току или напряжению, для оценки наличия или отсутствия тока или напряжения на определенном участке электрической цепи. Амперметры, вольтметры или омметры принципиально отличаются друг от друга только измерительной цепью. Измерительный механизм при этом может быть одним и тем же. Все это является важной предпосылкой для создания универсальных приборов. Работа магнитоэлектрических механизмов основана на взаимодействии магнитного потока постоянного магнита и тока, проходящего по катушке (рамке). Возникающий при этом вращающий момент отклоняет подвижную часть механизма относительно неподвижной. Угол отклонения подвижной части измерительного механизма определяется его конструктивными и электромагнитными параметрами и током I , протекающим по рамке , где - угол отклонения подвижной части, -индукция магнитного поля в зазоре постоянного магнита, -число витков катушки(рамки), -удельный противодействующий момент (жесткость) упругого элемента измерительного механизма, - площадь рамки. Рамка наматывается, как правило, тонким медным проводом с большим числом витков и имеет собственное сопротивление от нескольких десятков Ом до нескольких десятков кОм. Чтобы создать номинальный ток (ток максимального отклонения), необходимо к рамке приложить напряжение , где -сопротивление рамки измерительного механизма. Таким образом, собственно измерительный механизм может использоваться как для измерения токов, так и напряжений. Например, микроамперметр с пределами измерения по току 0100 мкА и внутренним сопротивлением 1 кОм может использоваться и как вольтметр с пределами измерений 0100 мВ. В магнитиоэлектрических амперметрах рамка измерительного механиз­ма включается либо в цепь измеряемого тока непосредственно, либо с помощью шунта. Непосредственное включение механизма в токовую цепь допустимо при измерении относительно небольших токов ( не более 20 мА) ввиду малой перегрузочной способности токоподводов и рамки измерительного механизма. При измерениях больших токов применяют шунты (резисторы, включаемые параллельно рамке измерительного механизма), которые позволяют снизить ток через рамку измерительного механизма, по сравнению с измеряемым током, в требуемое число раз. Схема включения измерительного механизма в сочетании с шунтом показана на рис.1. Шунты изготавливают из материала с высо­ким удельным сопротивлением -манганина , что позволяет существенно уменьшить их габаритные размеры. В амперметрах на небольшие токи(до 30А) шунты размещены непосредственно в корпусе при­ Рис.1 бора(встроенные шунты). Для измерения больших токов(до 10000А) применяют наружные шунты. При расширении предела измерения сопротивление шунта выбирают из соотношения , где -коэффициент шунтиро­вания, и -соответственно измеряемый ток и ток через рамку измери­тельного механизма. В магнитоэлектрических вольтметрах, для расширения их пределов измерения по напряжению, измерительный механизм включается в цепь вместе с добавочным резистором. Подбором соотношения их сопротивлений можно расширить предел измерения в требуемое количество раз. Схема включения измерительного механизма с добавочным резистором показана на рис.2. Добавочные резисторы, как и шунты, изготавливаются из манганина. Сопротив­ление добавочного резистора расчиты­вается по формуле: , где -сопротивление добавочного резистора, -коэффициент расширения предела измерения по напряжению, Рис.2 -измеряемое напряжение, -напряжение на измерительном механизме 6. контрольные вопросы 6.1. Пояснить принцип действия магнитоэлектрических механизмов. 6.2. В каких приборах используются магнитоэлектрические измери­тельные механизмы? 6.3. Каким образом микроамперметр преобразовать в амперметр? 6.4. Записать выражение и дать пояснение к нему для расчета шунта. 6.5. Каким образом микроамперметр преобразовать в вольтметр? 6.6. Как преобразовать милливольтметр в амперметр? 6.7. Записать выражение для расчета сопротивления добавочного рези­­стора и дать к нему необходимые пояснения. 6.8. Из каких материалов изготавливают шунты и добавочные рези­сторы и почему? 6.9. Перечислить достоинства и недостатки магнитоэлектрических иэме­ри­тельных механизмов. 7.Методические указания к выполнению лабораторной работы 7.1.Для определения параметров магнитоэлектрического измеритель­ного механизма необходимо собрать схему, показанную на рис.3. Рис.3 Питание схемы осуществляется от источника постоянного тока ИППТ. В качестве образцового резистора можно использовать магазин сопротивлений Р33. Значение этого сопроти­вления установить равным 1кОм. Ток через измерительный механизм определяется косвенно, путем измерения падения напряжения на образцовом резисторе с помощьюцифрового мультиметра АРРА-109N. При этом . Внутреннее сопротивление микроамперметра (сопротив­ление рамки измерительного механизма) определяется как , где -падение напряжения на сопротив­лении рамки исследуемого микроамперметра. Полученные результаты внести в табл.1. Таблица 1 Значение определяется для двух значений тока через измеритель­ный механизм: и , где -значение тока ,соответствующее максимальному(номинальному) показанию исследуемого микроамперметра. По результатам двух измерений определить усредненное значение внутреннего сопротивления рамки измерительного механизма. 7.2. Рассчитать сопротивление шунта, необходимое для расширения предела измерения микроамперметра в 10 раз. В качестве шунта использовать имеющийся в комплекте лабораторной работы магазин сопротивлений Р33. Определить новую цену деления преобразованного прибора. Для эксперимента собрать электрическую схему, изображенную на рис.4 В качестве ограничительного сопротивления использовать резистор R2 ,на макете. В качестве образцового миллиамперметра Ао необходимо использовать прибор более высокого класса точности, например М2044. Регулировка тока осуществляется изменением напряжения на выходе блока питания СУРы. Устанавливая значения тока через исследуемый прибор, соответствующие оцифрованным делениям его шкалы и измеряя действительные значения этого тока с помощью образцового миллиамперметра, определить приведенные погрешности, в соответствии с которыми установить его класс точности . Приведенная погрешность определяется из следующего выражения. , где, -действительное значение тока(показание образцового прибора, - показания испытуемого прибора, -номинальное значение тока для испытуемого прибора. При оценке методической погрешности измерения тока мллиампер­метром необходимо измерить токи через нагрузку с включенным в схему миллиамперметром и без него. Относительная методическая погрешность измерения тока определяется как , где , , где, -значение тока через нагрузку с включенным прибором, -значение тока через нагрузку с отключенным прибором. В последнем случае клеммы исследуемого прибора должны быть закорочены проводником. Результаты измерений и расчетов свести в табл.2 Таблица 2 - 1 2 3 4 5 7.3. Рассчитать для заданных пределов измерений сопротивления добавочных резисторов. Собрать схему, показанную на рис.5. Рис.5 В этой схеме измерительный механизм , подключенным последо­вательно с добавочным резистором, представлен в качестве исследуемого вольтметра . Параллельно ему под­ключен- в качестве образцового -вольтметр типа М2044. В качестве добавочного рези­стора может быть использован мага­зин сопротивлений Р33. Устанавливая значения напряжений на исследуемом приборе, соот­ветствующие оцифрованным делениям его шкалы и измеряя действительные значения этих напряжений с помощью образцового вольтметра, определить приведенные погрешности, в соответствии с которыми установить его класс точности . , Приведенная погрешность определяется из следующего выражения. где - показания испытуемого прибора(вольтметра), - показания образцового вольтметра. Uн -номинальное (максимальное) напряжение. Методическая погрешность определяется через разность показаний и образцового вольтметра соответственно при подключенном и отклю­ченном испытуемом вольтметре как . Результаты измерений и вычислений свести в табл.3. Таблица 3 - 1 2 3 4 5 7.4. По результатам работы составить отчет о проделанной работе, который должен содержать: а)название работы; б)цель работы; в)программу работы; г)результаты экспериментов и расчетов в виде таблиц; д)выводы по работе. 8.литература 8.1.Основы метрологии и электрические измерения. Учебник для вузов. Под ред. Е.М.Душина. - 6-е издание. -Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 480 с. 8.2.Измерение электрических и неэлектрических величин. Уч. пособие/ Н.Н.Евтихеев и др.; Под ред. Н.Н.Евтихеева. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 8.3.Электрические измерения электрических и неэлектрических величин. Под ред. Е.С.Полищука. Киев: Высшая школа, 1984. Методические указания к выполнению лабораторной работы №3 по курсу “Основы измерительной техники” для студентов электротехнических специальностей всех форм обучения Составители: Владимир Федорович Вотяков Нестеров Александр Михайлович Подписано к печати____ _________________ Формат 60х84/16. Бумага офсетная Плоская печать.Усл.печ.л. Уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Заказ__________Бесплатно. ИПФ ТПУ Лицензия ЛТ № 1