Главная | О нас | Обратная связь Автоматизация Автостроение Антропология Археология Архитектура Астрономия Предпринимательство Биология Биотехнология Ботаника Бухгалтерский учет Генетика География Геология Государство Демография Деревообработка Журналистика и СМИ Зоология Изобретательство Иностранные языки Информатика Информационные системы Искусство История Кинематография Кораблестроение Кулинария Культура Лексикология Литература Логика Маркетинг Математика Математический анализ Материаловедение Машиностроение Медицина Менеджмент Металлургия Метрология Механика ОБЖ Охрана Труда Педагогика Политология Правоотношение Программирование Производство Промышленность Психология Радио Разное Социология Спорт Статистика Строительство Теология Технологии Туризм Усадьба Физика Физиология Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электротехника Обозначения класса точности, положения прибора, прочности изоляции и др. 2019-10-11 1015 Обсуждений (0) Обозначения класса точности, положения прибора, прочности изоляции и др. 0.00 из 5.00 0 оценок Скачать документ Лабораторная работа «Электрические измерения» Цели работы: Научиться определять погрешность измерений, производимых электроизмерительными приборами. Научиться выбирать схему электрических измерений, приводящую к наименьшей ошибке. Снять вольтамперную характеристику резистора. Научиться определять сопротивление резистора.   Теория вопроса  1. Классификация электроизмерительных приборов. Для контроля за правильной эксплуатацией электрических установок необходимо систематически проводить измерения электрических величин, характеризующих работу этих установок. Этот контроль осуществляют электроизмерительные приборы. Электроизмерительные приборы классифицируют по следующим признакам: 1. По роду измеряемой величины: для измерения тока – амперметры, гальванометры; для измерения напряжения – вольтметры; для измерения мощности – ваттметры; для измерения сдвига фаз и коэффициента мощности – фазометры; для измерения сопротивления – омметры; для измерения частоты – частотомеры. 2. По роду измеряемого тока: для измерения постоянного, переменного, постоянного и переменного токов, а также для работы в трехфазных цепях. 3. По принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, индукционные, тепловые и т.д. 4. По степени точности измеряемой величины. Инструментальные  погрешности стрелочных электроизмерительныхприборов (амперметров, вольтметров, ваттметров, потенциометров и т.п.) определяется по их классам точности. Класс точности показывает относительную погрешность измерения (в процентах) при отбросе стрелки прибора на всю шкалу. Например, у вольтметра с диапазоном показаний от 0 до 10 В класс точности равен 1. Это значит, что при отбросе стрелки вольтметра на всю шкалу относительная погрешность измерения составит 1% (или 0,01). Тогда абсолютная погрешность измерения составляет   По степени точности приборы делят на восемь классов – 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 и 4. Условные обозначения, наносимые на электроизмерительные приборы  и вспомогательные части Наименование Условное обозначение Обозначение по принципу действия прибора
Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой
Магнитоэлектрический логометр с подвижными рамками
Магнитоэлектрический прибор с подвижным магнитом
Электромагнитный прибор
Электромагнитный логометр
Электродинамический прибор
Ферродинамический прибор
Электростатический прибор
Вибрационный прибор (язычковый)
Обозначения класса точности, положения прибора, прочности изоляции и др.
Класс точности при нормировании погрешности в процентах от диапазона, например, 1,5	1,5
Класс точности при нормировании погрешности в процентах от длины шкалы, например, 1,5
Горизонтальное положение шкалы
Вертикальное положение шкалы
Наклонное положение шкалы под определенным углом к горизонту, например, 600
Нормальное (номинальное) значение частоты	500 Нz
Нормальная (номинальная) область частоты	45 – 550 Hz
Номинальное значение (подчеркнуто) и расширенная область частоты	20 – 50 – 120 Hz
Измерительная цепь прибора изолирована от корпуса и испытана напряжением, например, 2 кВ

Например, на шкале вольтметра нанесены обозначения

В последнее время широко используются цифровые универсальные приборы, отличающиеся высокой точностью и многоцелевым назначением. В отличие от стрелочных приборов инструментальные погрешности цифровых электроизмерительных приборов оцениваются по формулам, приводимым в инструкциях по эксплуатации. Так, например, значение относительной погрешности в процентах универсального цифрового вольтметра В7 -–34, работающего на включенном пределе 1 В, оценивается по формуле   , где

- конечное значение предела измерения, В;

- значение измеряемого напряжения, В;

- температура, при которой производится измерение , .

В случае измерения этим прибором напряжения величиной 0,5 В при температуре окружающей среды  значение систематической погрешности равняется:

%

При изменении предела измерения прибора (на 100 или 1000 В) или вида измерения (ток, сопротивление) структура формулы не изменяется, меняются только числа, входящие в формулу.

 2. При работе с электроизмерительным прибором нужно знать…

Важно помнить, что класс точности стрелочных электроизмерительных приборов определяет максимальную (предельную) абсолютную погрешность, величина которой не меняется вдоль всей шкалы. Реальная абсолютная погрешность всегда меньше максимальной, рассчитанной по классу точности прибора. Поэтому иногда допустимо абсолютную погрешность измерения принимать равной половине максимальной .

Вернемся к нашему примеру с вольтметром.  Показания прибора всегда будут записаны с одинаковой абсолютной погрешностью 0,1В – это максимальная погрешность, рассчитанная по классу точности. Например:

Видим, что при неизменности абсолютной погрешности, относительная погрешность резко меняется при снятии показаний с разных участков шкалы:

Видим, что качество измерения существенно улучшается при работе на второй половине шкалы. Отсюда следует рекомендация: выбирать прибор (или шкалу многопредельного прибора) так, чтобы стрелка при измерениях всегда находилась на второй половине шкалы.

Кроме того, надо иметь в виду, что наносить деления на шкале электроизмерительного прибора принято с таким интервалом, чтобы величина абсолютной погрешности не превышала половины цены деления. В таком случае нецелесообразно пытаться на глаз оценивать малые доли деления, если они не отмечены на шкале. Например, цена деления «нашего» вольтметра составляет 0,2 В/дел, а стрелка прибора остановилась в любом месте между делениями 2,4 В и 2,6 В.   Результат измерения должен быть записан как (2,5 ± 0,1) В. Пытаться с помощью это вольтметра измерять сотые доли вольта (типа 2,45 В) совершенно бессмысленно.

Еще одно важное замечание. Электроизмерительный прибор часто может иметь несколько пределов измерения при одной шкале. В этом случае при снятии показаний прибора в таблицу записывают только число делений, на которое отбрасывается стрелка шкалы. Это убережет вас от ошибки при записи экспериментальных данных. При обработке результата определяют цену деления прибора и высчитывают истинное значение измеренной величины.

Это правило не допускает исключений! Нужно поступать так и только так! Почему? Допустим, вы произвели перерасчет в уме в процессе выполнения измерения. При пересчете легко допустить ошибку, особенно если измерений много. При обработке результата вы никогда не обнаружите этой своей вычислительной ошибки. Последствия очевидны – недостоверный результат эксперимента.

Например, амперметр работает на пределе измерений 0,5А. Шкала прибора во время измерения выглядит следующим образом:

Стрелка прибора установилась на делении 84. В таблицу измерения записывают это число – 84! Когда все измерения закончены, производим пересчет. Определяем цену деления прибора: при отклонении стрелки на всю шкалу, т.е. на 100 делений, прибор показывает ток 0,5 А. Следовательно,

Измеренное значение тока .

3. Ошибки, возникающие при включении прибора в цепь.

 Рассмотрим простейшую ситуацию. Необходимо определить сопротивление проводника, используя для этих целей амперметр и вольтметр. Согласно закону Ома для однородного участка цепи сопротивление может быть рассчитано как

где  - напряжение на концах проводника,  - сила тока в нем. 

Логично создать в проводнике ток, измерить напряжение и силу тока приборами и рассчитать сопротивление .

 На самом деле все не так просто. Дело в том, что найденное таким образом сопротивление    не будет совпадать с истинным сопротивление резистора . Разберемся, почему.

Для выполнения поставленной задачи можно собрать две разные схемы:

Обозначим    и  - показания приборов. Совершенно очевидно, что  по той причине, что приборы обладают собственным внутренним сопротивлением  и .

Рассмотрим, насколько отличается   от истинного значения сопротивления .

Схема 1.

Вольтметр и исследуемый резистор включены параллельно, следовательно,

Амперметр показывает сумму токов, протекающих через резистор и вольтметр

Сопротивление исследуемого резистора рассчитывается как

Преобразуем выражение и найдем истинное значение сопротивления :

Как правило, сопротивление вольтметра много больше сопротивления исследуемого резистора  >> . Тогда << 1 и мы можем применить формулу приближенного вычисления     при << 1. После преобразований для истинного значения исследуемого сопротивления имеем:

Схема 2.

Амперметр соединен с исследуемым резистором последовательно, следовательно, токи, текущие через резистор и амперметр одинаковые:

Вольтметр измеряет общее напряжение на резисторе и амперметре:

Находим сопротивление резистора:

Истинное значение сопротивления

Подведем итоги.

Для схемы 1:                                                       (1)

Для схемы 2 :                                           (2)                                  

Члены, стоящие в скобках,    и  определяют поправки, которые следует внести в измерения. Хотя поправки на сопротивления приборов в принципе могут быть рассчитаны, этого, как правило, не делают. Расчет поправок в нашем случае оказался несложным. При измерениях в разветвленных цепях этот расчет поправок становится невероятно трудоемким и при изменении схемы должен рассчитываться заново. Таким образом, мы получаем типичный пример систематической ошибки, возникающей из-за упрощения расчетной формулы. Результат измерений по схеме 1 заниженный < . Результат измерений по схеме 2 завышенный  > .

Рассмотрим пример1. Пусть . Оценим по формулам (1) и (2) величины поправок при измерении сопротивления :

Для схемы 1 , т.е. поправка составляет 1%.

Для схемы 2 , т.е. поправка составляет 20 %.

Вывод: для измерения небольших сопротивлений меньшую ошибку дает схема 1, схемой 2 в этом случае никто не пользуется.

Пример 2. Пусть .

Для схемы 1 , т.е. поправка составляет 20%.

Для схемы 2 , т.е. поправка составляет 1 %.

Вывод: Если сопротивление вольтметра сопоставимо с величиной сопротивления исследуемого резистора, то измерения производят по схеме 2 – она даст меньшую ошибку.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лабораторные занятия по физике / Под ред. Л.Л. Гольдина. – М.: Наука,1983. С 53 -66.

2. Сквайрс Дж. Практическая физика. – М.: Мир, 1971.

3. Лабораторный практикум по общей физике, т. 1/ Под ред. проф. А.Д. Гладуна. – М.: изд-во МФТИ, 2004. С. 17 – 50.

4. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. – М.-С-Пб.: Лань,2005.

Ход работы

Задание 1. Знакомство с электроизмерительными приборами.

Изучите шкалы электроизмерительных приборов, используемых в работе (амперметра и вольтметра). Заполните таблицу.

Характеристика прибора	Амперметр	Вольтметр
Прибор постоянного, переменного тока или комбинированный
Система (электромагнитная или магнитоэлектрическая)
Количество делений шкалы
Цена деления шкалы
Класс точности
Наибольшая абсолютная погрешность
Приборная ошибка
Сопротивление прибора
Рабочее положение шкалы

Задание 2. Изучение лабораторной установки и выбор схемы для снятия ВАХ.

Установка для определения сопротивления проводника показана на рисунке. В металлическом корпусе уже собраны две возможные схемы для определения сопротивления.

Исследуемый проводник – участок проволоки, находящийся между средним и нижним кронштейнами установки.

 На лицевой панели располагаются:

· Кнопка «Сеть»;

· Кнопка «Мост»;

· Кнопка «Рег. тока» - позволяет изменять напряжение, подаваемое на исследуемый проводник, и, следовательно, ток в нем;

· Шкалы измерительных приборов – амперметра и вольтметра.

Перед включение установки в сеть убедитесь, что рукоятка  «Рег. тока» повернута до упора против часовой стрелки.

1. Включите установку (включите шнур в розетку, нажмите кнопку «Сеть» - на лицевой панели загорается лампочка).
2. Нажмите кнопку «Мост».
3. Кнопка выбора схемы может находиться в любом положении.
4. Подайте на исследуемый резистор произвольное напряжение. Снимите показания вольтметра и амперметра.

По показаниям приборов оцените сопротивление исследуемого куска проволоки

Оцените относительную погрешность сопротивления (см. страницу 8 описания работы).

Для схемы 1

Для схемы 2

Сравните систематические погрешности сопротивления, которые дают схемы 1 и 2, сопоставьте их с инструментальной погрешностью измерительных приборов. Определите, какая из возможных схем определения сопротивления дает меньшую ошибку, обоснуйте свой выбор.

Задание 3. Снятие вольтамперной характеристики (ВАХ).

Вольтамперной характеристикой какого-либо элемента цепи называется зависимость силы тока от напряжения. Знание вольтамперной характеристики принципиально важно при расчете электрической цепи. Почему?

Если зависимость силы тока от напряжения выглядит следующим образом,

то говорят, что вольтамперная характеристика линейная. В этом случае сила тока в данном элементе цепи прямо пропорциональна приложенному к его концам напряжению. Прямая пропорциональность между током и напряжением – это не что иное, как закон Ома. Следовательно, в случае прямой вольтамперной характеристики для участка цепи, содержащей данный элемент, можно использовать закон Ома.

Если вольтамперная характеристика не является линейной, говорят, что «элемент нелинейный». При расчете цепи с нелинейным элементом НЕЛЬЗЯ применять закон Ома к участку цепи, содержащей нелинейный элемент. В этом случае используют законы последовательного и параллельного соединения и строят так называемую нагрузочную прямую.

Для снятия вольтамперной характеристики собирают схему, дающую наименьшую погрешность. Этот выбор Вами уже сделан ранее. На лабораторной установке выставите кнопку выбора схемы в нужное положение.

Приготовьте таблицу для снятия ВАХ.

Увеличиваем напряжение		Уменьшаем напряжение
0,30		0,75
0,40		0,65
0,50		0,55
…	…	…	…

1. При помощи рукоятки «Рег. тока» увеличивайте напряжение, подаваемое на исследуемый резистор с шагом 0,1 В. Показания вольтметра и амперметра заносите в таблицу.
2. Проведите измерения в обратном направлении, уменьшая напряжение с шагом    0,1 В. Результаты измерений заносите в таблицу.
3. По результатам измерений постройте на миллиметровой бумаге вольтамперную характеристику резистора. Воспользуйтесь правилами построения графиков по экспериментальным точкам.
4. По виду ВАХ сделайте вывод, является ли исследуемый проводник линейным или нелинейным элементом. Возможно ли применение закона Ома к участку цепи, содержащему данный проводник?
5. По вольтамперной характеристике резистора определите его сопротивление и рассчитайте погрешность определения сопротивления резистора:

Шаг 1. Находим среднее значение  как угловой коэффициент вольтамперной характеристики: , где   и  - значения тока и напряжения, взятые на прямой в некоторой точке у ее конца.

Шаг 2. Относительную погрешность  оцениваем по формуле:

Шаг 3. Значения приборных ошибок    и  определены по классу точности приборов (см. таблицу в задании № 1).

Шаг 4. Рассчитываем абсолютную погрешность измерения :

• Записываем окончательный результат в виде:

Контрольные вопросы

1. Что называют классом точности прибора. Что он позволяет определить?
2. Как определить приборную ошибку электроизмерительного прибора?
3. Почему электрические измерения рекомендуется производить на второй половине шкалы?
4. В чем причина систематической ошибки, даваемой различными схемами, при определении сопротивления ?
5. Какую схему соединения приборов следует выбрать, если сопротивление исследуемого участка цепи много меньше внутреннего сопротивления вольтметра?
6. Какую схему соединения приборов следует выбрать, если сопротивление исследуемого участка цепи сопоставимо с внутренним сопротивления вольтметра?
7. Что называют вольтамперной характеристикой?
8. Для каких элементов цепи можно применять закон Ома?
9. Как рассчитать сопротивление проводника по его ВАХ?
10.  Как оценить ошибку расчета сопротивления по ВАХ?

2019-10-11

1015

Обсуждений (0)

Обозначения класса точности, положения прибора, прочности изоляции и др. 0.00 из 5.00 0 оценок

Скачать документ