Студопедия — Приборы измерения характеристик цепей постоянного тока
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Приборы измерения характеристик цепей постоянного тока

Понятие об идеальном амперметре и вольтметре. Не идеальность приборов, внутренние сопротивления. Схемы преобразования вольтметра в амперметр. Чувствительности приборов. Повышение и понижение чувствительности приборов с помощью подключения дополнительных сопротивлений. Принцип работы Омметра. Схемы сбора щупов для измерения малых и больших сопротивлений.

Аналоговые и цифровые амперметр, вольтметр и принципы их работы. Характерные сопротивления амперметров и вольтметров в разных режимах работы.

Упражнение 1. Градуировка прибора (хотим откалибровать амперметр, сделанный на основе неизвестного шунта и вольтметра по известному сопротивлению)

Упражнение 2: Измерение набора больших и малых сопротивлений с помощью сконструированного амперметра и вольтметра (в задании дан вольтметр и испорченный вольтметр, отградуированный в предыдущем упражнении).

Упражнение 3: Измерение напряжения на батарейке (9в) С ПОМОЩЬЮ ВОЛЬТМЕТРА и дополнительных известных сопротивлений. С ДИАПАЗОНОМ ДО 2 в. При этом внутреннее сопротивление вольтметра неизвестно. Дополнительно надо измерить внутреннее сопротивление вольтметра.

Упражнение 4: Разгадка схемы Омметра (найти напряжение и внутреннее сопротивление батарейки внутри)


Для измерения параметров электрических цепей постоянного тока используют такие приборы как амперметр и вольтметр. Корректность их использования является очень важным вопросом в проведении измерений. Параграфом ниже будет рассмотрено их физическое устройство, а в этом параграфе мы будем пользоваться лишь моделями этих устройств.

Существует модель так называемых идеальных приборов. В этом случае, амперметр – это прибор, который подключится последовательно в сеть и измеряет силу тока без потери напряжения на нем. То есть внутреннее сопротивление этого прибора равно нулю. По сути, из себя он представляет идеальный проводник, «знающий», какой ток через него идет. Идеальный вольтметр – это прибор, показывающий разность потенциалов между двумя точками, к которым он подключен и не пропускающий через себя ток. То есть внутреннее сопротивление такого прибора равно бесконечности.

Естественно, что ток, текущий внутри амперметра течет по какому-либо материалу. В природе не существует материала с нулевым сопротивлением. Поэтому амперметр все-таки сопротивлением обладает. Аналогично, для того, чтобы измерить разность потенциалов между точками, вольтметру необходимо пропустить через себя небольшой заряд. Это необходимо для измерения относительной энергетической выгодности двух точек, чем, по сути, и является разность потенциалов. Так как вольтметр работает непрерывно, то ему необходимо пропускать через себя небольшую порцию заряда непрерывно, а, следовательно, по нему течет ток. Тогда, его внутреннее сопротивление настолько большое, насколько малый ток ему нужен для измерения. Таким образом, сопротивление вольтметра бесконечным являться не может, в противном случае ток через него бы не шел.

Моделью идеальных приборов можно пользоваться в том случае, если внутреннее сопротивление амперметра много меньше сопротивления резисторов цепи, а сопротивление вольтметра много больше сопротивлений цепи. Термины «много меньше» и «много больше» весьма относительные. То есть, если в задаче допускается ошибка в 20%, то можно пользоваться амперметром, сопротивление которого в десять раз меньше сопротивления самого малого сопротивления цепи, и пользоваться вольтметром, сопротивление которого в 10 раз больше сопротивления самого большого сопротивления цепи. Однако в большинстве случаев, электрические измерения можно проводить с большей точностью чем 20%. Поэтому отличие на 2 порядка сопротивлений приборов от сопротивлений цепи – намного более частое допущение в измерениях. В случаях же прецизионных (очень точных измерений) и фактора в 3 порядка может оказаться недостаточным.

Если в Вашем распоряжении по каким-то причинам оказался амперметр, а Вам необходим вольтметр, то преобразовать амперметр в вольтметр совсем не трудная задача Рис. 1 а). Кроме амперметра для этого потребуется достаточно большое известное сопротивление. После чего, последовательное соединение амперметра с этим сопротивлением можно использовать в качестве вольтметра, считывая показания вольтметра следующим образом:

(1)

где – показания сконструированного вольтметра, – показания амперметра, – выбранное сопротивление. Сопротивлением самого амперметра в (1) мы пренебрегли по причине его предполагаемой малости по сравнению с . Аналогично можно собрать амперметр из малого сопротивления и вольтметра Рис. 1 б). При этом показания сконструированного амперметра следует считывать так:

(2)

где – выбранное малое сопротивление. Стоит отметить, что такой принцип построения приборов на самом деле используется в технике. Так во времена аналоговых приборов, все вольтметры строились на базе измерителей тока, то есть амперметров. А в наше время, цифровые амперметры строятся на базе вольтметров. Подробнее об этом в параграфе ниже.

а) б)

Рис. 1. Построение вольтметра на базе амперметра (а), построение амперметра на базе вольтметра (б).

Часто диапазон измерений приборов недостаточен для вашего случая. Допустим необходимо измерить постоянное напряжение в 20В, а предел измерения вашего прибора составляет всего 5В. В этом случае используют дополнительные сопротивления для расширения диапазонов приборов. Для расширения диапазона измерения вольтметра используется дополнительное сопротивление сравнимое или большее сопротивления вольтметра и подключается последовательно с прибором Рис. 2 а). Тогда показания получившегося прибора рассчитываются следующим образом:

(3)

где - показания нового прибора, – показания базового вольтметра, – добавочное сопротивление, – сопротивление вольтметра. Таким образом, диапазон измерений вольтметра изменился в раз. Аналогично возможно построения амперметра с расширенным диапазоном измерений Рис. 2 б). В этом случае показания нового прибора рассчитываются следующим образом:

(4)

где - показания нового прибора, – показания базового прибора, – сопротивление амперметра, – шунтирующее сопротивление. В этом случае предел измерений прибора увеличится в раз. Очевидно, что шунтирующее сопротивление необходимо подбирать сравнимое либо большее, чем сопротивление амперметра.

а) б)

Рис. 2. Увеличение диапазона измерений приборов.

Для измерения сопротивлений используется Омметр. Рассмотрим, как устроен этот прибор. Для того чтобы измерить сопротивление, необходимо пропустить через него ток, измерить этот ток и определить падения напряжения на измеряемом сопротивлении. Для того, чтобы обеспечить этот процесс необходимы источник питания, амперметр и вольтметр. Вариантов подключения этих приборов к измеряемому сопротивлению может быть два Рис. 3. Схема а) больше подойдет для измерения малых сопротивлений. Причиной этому служит то, что ток, уходящий в вольтметр, в этом случае мал, а падение напряжения измеряется на самом резисторе. В противовес, схема б) больше подойдет для измерений больших сопротивлений, так как амперметр в этом случае будет измерять ток непосредственно через резистор, а падения напряжения на резисторе будет много больше падения напряжения на амперметре. Если же измеряемое сопротивление лежит посередине диапазона от сопротивления амперметра до сопротивления вольтметра, схемы а) и б) практически эквивалентны. Во всех случаях сопротивление резистора будет рассчитываться, как .

Рис. 3. Схемы построения Омметра для малых сопротивлений (а) и для больших сопротивлений (б).


 

Рассмотрим устройство только аналогового амперметра, так как аналоговые вольтметры и омметры строятся на базе аналоговых амперметров по схемам Рис. 1 а) и Рис. 3. Для того, чтобы привести стрелку аналогового прибора в движение необходимо преобразовать электрическую энергию в механическую. Этого можно добиться с помощью одного из свойств движущихся электрических зарядов. Как вам уже известно, стационарный заряд создает электрическое поле, однако в том случае, когда он движется, дополнительно им будет создаваться магнитное поле. Движение любой частицы зависит от системы отсчета, отсюда можно сделать вывод: электромагнитное поле также зависит от системы отсчета.

Известно, что также существуют стационарные источники магнитного поля – магниты. Взаимодействие магнитов осуществляется через магнитное поле. Таким образом, движущийся заряд по средствам созданного им магнитного поля может взаимодействовать с магнитом, находящимся вблизи него (чтобы взаимодействие было ощутимым). Так как электрический ток – суть движение (чаще дрейф) электрических зарядов, то возможно построить систему взаимодействия проводника с током с постоянным магнитом.

Рис. 4. Взаимодействие постоянного магнита с рамкой с током.

На Рис. 4 представлен один из вариантов организации взаимодействия постоянного тока с постоянным магнитом. На схеме представлена рамка с током, которая может вращаться вокруг оси, указанной на рисунке пунктиром, и постоянный магнит с северным и южным полюсом. Магнитное поле B направлено от северного полюса магнита к южному. Ток не взаимодействует с магнитным полем в случае, когда направление тока параллельно направлению магнитного поля. Во всех остальных случаях на проводник действует сила направленная перпендикулярно плоскости, образованной направлениями магнитного поля и тока в проводнике. Как можно заметить на Рис. 4 на противоположные стороны рамки с током действуют противоположные силы. Сумма сил, действующих на рамку со стороны магнитного поля равна нулю, однако момент силы, создаваемый этим взаимодействием, отличен от нуля и стремится повернуть рамку вокруг оси.

Построение прибора на этом взаимодействии является задачей сугубо инженерной. В частности, конкретно схема взаимодействия на Рис. 4 требует прикрепления стрелки к рамке и установки пружины, стремящейся помешать магнитному полю повернуть рамку Рис. 5. Для увеличения силы взаимодействия используют не одну рамку с током, а несколько витков. Сила взаимодействия линейно зависит от силы тока в витках, поэтому, чем сильнее течет ток, тем сильнее отклоняется стрелка прибора. Общее название такого прибора – гальвонометр. Если прибор откалиброван для показаний тока, то он называется амперметром. Схем построения гальвонометра на этом принципе существует несколько. К примеру, в качестве подвижной части можно взять магнит, а рамку с током закрепить.

Рис. 5. Схема устройства гальвонометра.

Отметим, что сопротивление такого прибора в основном зависит от материала и геометрических параметров проволоки, из которого изготовлены витки с током. При этом, чем на меньший диапазон измерений рассчитан амперметр, тем больше его внутреннее сопротивление Табл. 1.

Диапазон измерений Внутреннее сопротивление, Ом
0-1 мА  
0-5 мА  
0-10 мА 7,5
0-30 мА  

Табл. 1. Внутреннее сопротивление стрелочных амперметров в зависимости от их диапазона измерений.

Устройство цифровых приборов будем рассматривать на основе вольтметра. Цифровые амперметры и омметры строятся на основе его по схемам Рис. 1 б) и Рис. 3. Практически во всех цифровых измерительных устройствах присутствует так называемый АЦП – аналогово-цифровой преобразователь. Наиболее простая схема этого устройства представлена на Рис. 6.

Рис. 6. Схема устройства параллельного АЦП.

Тремя горизонтальными линиями на Рис. 6 обозначена «земля» - то есть нулевой потенциал устройства. Как известно потенциал определяется с точностью до константы, поэтому термин нулевой потенциал введен здесь только для удобства. К «земле» подключается черный щуп устройства, которым будут производиться измерения напряжения. Также на схеме обозначены компараторы, то есть устройства сравнивающие, потенциалы на входе, и выдающие в зависимости от результата либо положительный, либо нулевой потенциал на выходе. Красный провод устройства подключается к обозначенной на схеме точке с подписью . – потенциал, создающийся в устройстве с выбранным диапазоном измерения, равный максимуму диапазона измерений. Опорный сигнал создает ток в цепи из N резисторов. При этом на последовательности нижних входов компараторов оказывается последовательность из потенциалов , где i – номер компаратора. На верхних входах компараторов находится потенциал равный входному напряжению приборов. Таким образом, при условии, что опорный сигнал (предел измерений) больше входного, на выходах части компараторов образуется положительный потенциал, а на части нулевой. По последовательности нулевых и положительных потенциалов выхода дешифратора можно определить два наиболее близких потенциала поделенного опорного напряжения. После чего, дешифратором входная последовательность потенциалов перестраивается в двоичный код и отправляется в дальнейшую обработку для вывода на цифровое табло прибора.

Внутренние сопротивления вольтметров зависят от качества и класса точности прибора. Так, обычный дешевый мультиметр имеет внутреннее сопротивление 1МОм. Модели подороже будут иметь сопротивление 10МОм. В режиме измерения постоянного тока на самом малом диапазоне измерений внутреннее сопротивление прибора может доходить до 1кОм. Поэтому всегда, прежде чем сделать измерение проведите меры по оценке внесения погрешности вашими приборами.




<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Обновление модели. | Что надо делать? Ваши основные задачи!

Дата добавления: 2015-08-12; просмотров: 2267. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени...

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Статика является частью теоретической механики, изучающей условия, при ко­торых тело находится под действием заданной системы сил...

Теория усилителей. Схема Основная масса современных аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств выполняется на специализированных микросхемах...

Логические цифровые микросхемы Более сложные элементы цифровой схемотехники (триггеры, мультиплексоры, декодеры и т.д.) не имеют...

Ученые, внесшие большой вклад в развитие науки биологии Краткая история развития биологии. Чарльз Дарвин (1809 -1882)- основной труд « О происхождении видов путем естественного отбора или Сохранение благоприятствующих пород в борьбе за жизнь»...

Этапы трансляции и их характеристика Трансляция (от лат. translatio — перевод) — процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК...

Условия, необходимые для появления жизни История жизни и история Земли неотделимы друг от друга, так как именно в процессах развития нашей планеты как космического тела закладывались определенные физические и химические условия, необходимые для появления и развития жизни...

Сравнительно-исторический метод в языкознании сравнительно-исторический метод в языкознании является одним из основных и представляет собой совокупность приёмов...

Концептуальные модели труда учителя В отечественной литературе существует несколько подходов к пониманию профессиональной деятельности учителя, которые, дополняя друг друга, расширяют психологическое представление об эффективности профессионального труда учителя...

Конституционно-правовые нормы, их особенности и виды Характеристика отрасли права немыслима без уяснения особенностей составляющих ее норм...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.011 сек.) русская версия | украинская версия