ВВЕДЕНИЕ

КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

Выполнение лабораторных работ по электричеству и магнетизму связано со сборкой электрических цепей по заданным схе­мам. Поэтому, приступая к циклу работ, необходимо ознакомиться с элементами, из которых может состоять электрическая цепь.

Электрическая цепь обычно состоит из источника электрической энергии, измерительных и вспомогательных приборов, соединительных проводов, потребителей энергии.

В качестве источника энергии используются гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы и др.

Потребителем энергии может быть любое устройство, превращающее электрическую энергию в другие виды (тепловую, механическую, световую и т.д.).

В качестве измерительных приборов используются ампермет­ры, вольтметры, ваттметры и т.д.

К вспомогательным приборам относятся различного рода переключатели, а также приборы, регулирующие режим работы цепи (потенциометр, автотрансформатор и т.д.).

Электроизмерительным приборомназывают средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, например, в виде цифрового отсчета на счетном устройстве. Измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины называетсяаналоговым измерительным прибором.Например, электроизмерительный прибор с отсчетным устройством в виде стрелки и шкалы – аналоговый прибор.

Измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретный (кодированный) сигнал измерительной информации и дающий показания в цифровой форме называютцифровым измерительным прибором.

В зависимости от того, допускают ли измерительные приборы только считывание показаний или допускают считывание и запись или только запись, они относятся либо кпоказывающим, либо к записывающимприборам. Иногда находят применение так называемыерегулирующие измерительные приборы,т.е. приборы, имеющие приспособления для управления техноло­гическим процессом.

Электроизмерительные аналоговые приборы разделяют на электромеханические и электронные.

К группе электромеханических приборовотносят приборы, в которых энергия электромагнитного поля преобразуется в механическую перемещением подвижной части прибора (описание см. ниже).

К группе электронных аналоговых приборовотносят при­боры, использующие электронные узлы для преобразования сигнала измерительной информации и электромеханический измерительный механизм (описание см. ниже).

По роду измеряемой величины электроизмерительные при­боры делят на следующие группы: амперметры – для измере­ний силы тока, вольтметры – для измерения напряжения, омметры – для измерения сопротивления и т.д.

В последние годы получили применениеизмерительно-вычислительные комплексы(ИВК), которые представляют собой автоматизированные средства измерений и обработки измерительной информации. Их отличительной чертой является наличие в комплексе свободно программируемой ЭВМ, которая ис­пользуется не только для обработки результатов измерения, но и для управления самим процессом измерения, а также для управления воздействием (если это необходимо) на объект исследования.

Источники тока

В нашей лаборатории электрические цепи питаются от следующих источников тока:

1) сеть переменного тока с напряжением 220 В;

2) сеть постоянного тока с напряжением 9В и 12В, розетки пос­тоянного тока имеют знаки полярности (+ и -);

3) химические источники тока (ХИТ); гальванические элементы и аккумуляторы – устройства, в которых химическая энергия активных веществ (окислителя и восстановителя) непосредственно превращается в электрическую энергию.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯ.

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Существует два основных метода электрических измерений: метод непосредственной оцен­ки и метод сравнения. В методе непосредствен­ной оценки измеряемая величина отсчитывается непос­редственно по шкале прибора. При этом шкала изме­рительного прибора предварительно градуируется по эталонному прибору в единицах измеряемой величи­ны. Как правило, такая градуировка производится на заводе при изготовлении прибора. Достоинства этого метода – удобство отсчета показаний прибора и малая затрата времени на операцию измерения. Метод непосредственной оценки широко применяется в различных областях техники для контроля и регули­рования технологических процессов, в полевых усло­виях, на подвижных объектах и т.д. Недостаток мето­да – сравнительно невысокая точность измерений.

В методе сравнения измеряемая величина сравни­вается непосредственно с эталоном, образцовой или рабочей мерой. В этом случае точность измерений мо­жет быть значительно повышена. Метод сравнения используется главным образом в лабораторных усло­виях, он требует сравнительно сложной аппаратуры, высокой квалификации операторов и значительных затрат времени. В последнее время в аппаратуре срав­нения все шире внедряется автоматизация.

Электроизмерительные приборы непосредственной оценки позволяют отсчитать числовое значение изме­ряемой величины на шкале или цифровом устройстве прибора.

Практика показывает, что при всяком измерении непрерывной величины неизбежна некоторая погреш­ность – разница между измеренными действи­тельнымзначениями измеряемой величины:. Эту разницу называютабсолютной погрешностью измерения. Она определяется систематическими и случайными погрешностями при­бора, а также ошибками оператора.

Систематические погрешности изменяются по оп­ределенному закону и возникают вследствие факторов, которые могут быть учтены: влияние внешних условий (температура, радиация, электромагнитные поля), не­совершенство метода измерения, несовершенство изме­рительного прибора.

Случайные погрешности возникают вследствие фак­торов, которые не поддаются непосредственному учету. Оценку случайных погрешностей можно произвести только при очень большом числе повторяющихся из­мерений, используя методы теории вероятностей.

Ошибки оператора (в записи, в определении цены деления прибора и др.), обычно легко выявляемые в ряду наблюдений по значительным отклонениям ре­зультата измерения от средних или примерно ожида­емых значений, исключают из записей и при обработ­ке результатов измерения не учитывают.

Для более полной характеристики измерений вво­дят понятие относительной погрешности измерения :

.

Величины ихарактеризуют точность измере­ния.

Во многих случаях возникает необходимость оха­рактеризовать точность прибора. Для этой цели вво­дится понятие приведенной погрешности измерения:

,

где – максимальное значение шкалы прибора, т.е. предельное значение измеряемой величины.

Наибольшая приведенная погрешность опреде­ляет класс точности прибора. Если, например, класс точности амперметра равен 1,5, то это означает, что наибольшая приведенная погрешность . Если прибор рассчитан на измерение токов до 15 А, то абсолютная погрешность измерения этим прибором сос­тавит:

А.

Если указанным прибором измерить ток 10 А, то относительная погрешность измерения не превысит:

.

Если тем же прибором измерить ток 1 А, то относительная погрешность измерения не превысит:

.

Этот пример показывает, что при точных измере­ниях прибор следует подбирать так, чтобы значение измеряемой величины приходилось на вторую полови­ну шкалы.

Различают основную и дополнительную погрешнос­ти. Основные погрешности возникают при нормальных условиях работы, указанных в паспорте прибора и условными знаками на шкале. Дополни­тельные погрешности возникают при эксплуатации прибора в условиях, отличных от нормальных (повы­шенная температура окружающей среды, сильные внешние магнитные поля, неправильная установка прибора и др.). Пример оценки дополнительной погрешности будет рассмотрен при выполнении лабораторной работы № 1.

ЧУВТСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ЦЕНА ДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Чувствительностью прибора , имеющего равномерную шкалу, называют число делений шкалы, приходящихся на единицу измеряемой величины, т.е.. Например, если шкала миллиамперметра, рассчитанного на 300 mA, имеет 60 делений, то чувствительность прибора равна:

.

Размерность чувствительности зависит от характера измеряемой величины (например, чувствительность прибора к току, напряжению и т.д.).

Величина , обратная чувствительности, называется ценой деления прибора. Она определяет значение электрической величины, вызывающей отклонение на одно деление. В общем случае цена деления представляет собой разность значений измеряемой величины для двух соседних отметок. Цена деления зависит от прибора и от числа делений шкалы. Например, для рассмотренного выше примера цена деления равна:

.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ НА ШКАЛЕ

Электроизмерительные приборы классифицируют­ся по различным признакам.

1. В зависимости от основной приведенной погреш­ности электроизмерительные приборы разбиты на классы точности. Класс точности указывается на шкале прибора и обозначает наибольшую приведен­ную погрешность в процентах. Это важнейшая характеристика электроизмерительного прибора, она определяет относительную систематическую погрешность прибора, выраженную в процентах.

Все приборы классифицируются по 9 основным классам точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Существуют приборы, классы точности которых являются не основными. Примером таких приборов являются счетчики электрической энергии, для которых класс точности равен 2,0.

Приборы первых пяти классов точности являются особо точными, поэтому они называются прецизионными. Приборы остальных классов точности называютсятехническими. Для приборов, систематическая погрешность которых больше 4%, класс точности не устанавливается.

По характеру градуировки шкалы приборы делятся на два типа.

К первому типу относятся приборы, у которых абсолютная систематическая погрешность по всей шкале прибора постоянна. Класс точности таких приборов указывается на шкале прибора в виде цифры, например: 1,0.

Ко второму типу относятся приборы, у которых постоянной является относительная систематическая погрешность по всей шкале прибора. Класс точности таких приборов указывается в виде цифры, стоящей в кружочке.

Например, если измерение осуществляется миллиамперметром со шкалой 0–500 mА (=500mА) класса точности 1,5, то на любой отметке шкалы миллиамперметра абсолютная погрешность прибора равна:

mA.

Зная абсолютную погрешность прибора, можно рассчитать относительную погрешность проведенного в данном опыте измерения. Пусть в опыте рабочее значение измеряемого тока было равно 200 mA, тогда относительная погрешность данного измерения будет равна отношению абсолютной погрешности прибора к рабочему значению измеряемого тока:

.

Таким образом, результат запишется в виде:

.

Для декадных магазинов сопротивлений с классом точности 0,2 погрешность не превышает:

,

где – число декад магазина, показания которых не равны 0,– значение включенного сопротивления.

Абсолютная погрешность будет равна:

.

На шкалу электроизмерительного прибора нано­сятся следующие условные обозначения.