Теоретическая часть. Все электроизмерительные приборы классифицируют по следующим общим признакам:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕНЫ ДЕЛЕНИЯ

Все электроизмерительные приборы классифицируют по следующим общим признакам:

а) по принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, электродинамические и др.;

б) по роду измеряемой величины: амперметры, вольтметры, ваттметры и др.;

в) по характеру тока: приборы постоянного тока, приборы переменного тока;

г) по точности измерений: 0,1, 0,5, 2,5 и др. классов 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 или расположенные вне его.

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

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы (рис. 1) основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита М с током, протекающим по подвижной рамке 2, которая может свободно вращаться между полюсами магнита. Внутри рамки расположен железный цилиндр 1. Ток к рамке подводится с помощью упругих спиралей 3, которые одновременно создают упругий момент, противодействующий повороту рамки и возвращающий стрелку 4 в исходное положение, когда ток становится равным нулю. Угол поворота рамки прямо пропорционален силе тока, текущего по ней, в связи с чем приборы данной системы имеют равномерную шкалу и используются только для измерения постоянного тока. При включении прибора в цепь необходимо соблюдать полярность, т. е. клемму «плюс» подключать только к положительному полюсу источника 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 работы приборов электромагнитной системы (рис. 2) основан на взаимодействии магнитного поля катушки с током 1 и подвижного железного сердечника 2. Упругий момент создаёт спиральная пружина 3, соединённая с поршнем воздушного успокоителя колебаний 4 стрелки 5. С увеличением тока в катушке возрастает индукция магнитного поля на её оси, и железный сердечник сильнее втягивается в щель катушки. Теория показывает, что между углом поворота стрелки прибора и силой тока в нем существует квадратичная зависимость:

.

Следовательно, шкала таких приборов 6 неравномерна.

Они могут применяться для измерения как переменных, так и постоянных токов, однако имеют меньшую точность измерения по сравнению с приборами других систем. Эти приборы получили широкое применение в качестве щитовых приборов переменного тока, поскольку просты по конструкции и недороги.

Амперметр – это 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 – это 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

Измерение – это экспериментальное сравнение измеряемой величины с однородной величиной, принятой за единицу измерения. 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. Это может быть связано с особенностями как экспериментальной установки, так и экспериментатора: ограниченными возможностями измерительных приборов, несовершенством органов чувств, внешними и внутренними факторами, влияющими на объект исследования и т.п.

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. Инструментальная погрешность большинства приборов, не имеющих класса точности, равна половине цены наименьшего деления прибора. Если у прибора есть нониусная шкала (как у штангенциркуля) или стрелка перемещается не равномерно, а скачком (как в ручном секундомере), инструментальную погрешность прибора считают равной цене деления.

Абсолютной погрешностью называется отклонение результата измерения от истинного значения :

.

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

. (1)

Погрешность часто выражают в процентах:

.

Если измерение выполнено однократно, то из соотношения (1) следует, что значение уменьшается с ростом величины . Поэтому для измерений целесообразно выбирать такой прибор, показания которого были бы в последней части его шкалы, а для сравнения различных приборов использовать понятие приведенной погрешности.

Приведенной погрешностью , соответствующей максимально возможной точности измерений , называется отношение абсолютной погрешности к верхнему пределу измерения прибора
(у многопредельных приборов к верхнему пределу соответствующего диапазона):

Классом точности прибора называется наибольшая возможная приведенная погрешность прибора

где – наибольшая возможная абсолютная 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.