40 Средства измерений электрических велечин. Схемы включения

Потенциометр для измерения э.д.с.

Принципиальная схема потенциометра показана на рис. 5. Источник питания с э.д.с. ₀, заведомо превосходящей э.д.с. исследуемого источника тока, поддерживает постоянную силу тока в цепи реохорда АБ. Перемещая движок реохорда Д, можно получить на участке АД падение напряжение, пропорциональное сопротивлению r этого участка, т. е. фактически длине этого участка реохорда

(5)

Если встречно к этому участку подключить через гальванометр источник тока, у которого э.д.с. равно этому напряжению ( = U), то произойдет компенсация напряжений и ток через гальванометр не будет проходить. В качестве образцового источника тока в данном потенциометре используется нормальный элемент Вестона, э.д.с. которого (1,0183 В) практически не меняется с течением времени. При подключении его и балансировке потенциометра выполняется:

(6)

Затем вместо нормального элемента можно подключить источник с неизвестны э.д.с и снова уравновесить прибор:

(7)

Из формул (6) и (7) получается рабочая формула

, (8)

где измерениям подлежат длины плеч l₁ и l₂.

Мост постоянного тока Уитстона для измерения сопротивления

На рис. 2 изображена схема моста Уитстона. Он состоит из четырех последовательно соединенных сопротивлений, образующих четырехугольник АВБДА. В диагональ ДВ включен нуль-индикатор G (гальванометр или микроамперметр с центральной стрелкой). Измеряемое сопротивление r_x образует ветвь АВ, а в ветвь БД включен эталонный резистор, сопротивление которого r₀ измерено с большой степенью точности. Сопротивления r₁ и r₂ можно подобрать такими, что разность потенциалов между точками В и Д будет равна нулю. При этом ток через гальванометр не идет, наступает равновесие моста.

Применим второе правило Кирхгофа для контуров авд и вбд

(1)

Решение системы (1) дает

(2)

Обычно ветвь АДБ представляет собой реохорд (реохордный мост Уитстона). В данном приборе это прямая проволока постоянного сечения с подвижным контактом (рис. 4). Балансировка моста достигается перемещением контакта вдоль реохорда. При этом величины сопротивлений r₁ и r₂ пропорциональны длинам плеч реохорда l₁ и l₂ и формула (2) преобразуется в

(3)

Формально погрешность измерения неизвестного сопротивления определяется погрешностью измерения плеч реохорда и погрешностью эталонного сопротивления:

(4)

Обычно эта погрешность невелика. Но следует учитывать, что она увеличивается при большом неравенстве плеч реохорда. Например, при l₁/l₂ = 4 или 0,25 она в 1,5 раза больше, чем при l₁/l₂  1. Это означает, что желательно проводить измерения так, чтобы эталонное и измеряемое сопротивления были сравнимы по величине r_x  r₀. Большое влияние на погрешность измерений также оказывает точность проведения нулевого отсчета, т.е. фактически чувствительность нуль-индикатора. Что избежать других погрешностей применяют специальные приемы, один из которых будет описан в задании к работе.

Амперметр, прибор для измерений силы постоянного и переменного тока в амперах (а). Шкалу А. градуируют в килоамперах, миллиамперах или микроамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь А. включается последовательно; для увеличения предела измерений - с шунтом или через трансформатор . Под действием тока подвижная часть прибора поворачивается; угол поворота связанной с ней стрелки пропорционален силе тока. Существуют А., в которых применены магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая (ферромагнитная), термоэлектрическая и выпрямительная. В зависимости от области применения в конструкциях А. предусматривается защита от внешних влияний - они устойчивы относительно изменений температуры (от 60°С до -60°С), вибраций, тряски и могут работать при 80 - 98% относительной влажности.

В ольтметр, электрический прибор для измерения эдс или напряжений в электрических цепях. В. включается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии. Первым в мире В. был "указатель электрической силы" русского физика Г. В. Рихмана (1745). Принцип действия "указателя" используется и в современном электростатическом В. Наиболее просты в изготовлении, дёшевы и надёжны в эксплуатации В. электромагнитные. Они применяются главным образом как стационарные на распределительных щитах электростанций и промышленных предприятий и более редко в качестве лабораторных приборов. Недостатки таких В. - относительно большое собственное потребление энергии (3-7 вт) и большая индуктивность обмотки, приводящая к существенной зависимости показаний В. от частоты. Наиболее чувствительны и точны В. магнитоэлектрические, пригодные, однако, для измерений только в цепях постоянного тока. В комплекте с термоэлектрическими, полупроводниковыми или электронно-ламповыми преобразователями переменного тока в постоянный они применяются для измерения напряжения в цепях переменного тока. Такие В., называются термоэлектрическими, выпрямительными и электронными, применяются главным образом в лабораторной практике. Выпрямительные В. используют для измерений в диапазоне звуковых частот, а термоэлектрические и электронные - на высоких частотах. Недостаток этих приборов - существенное влияние на правильность их показаний формы кривой измеряемого напряжения. Электронные В. имеют сложные схемы с применением недостаточно стабильных элементов (электронных ламп, малогабаритных электрических сопротивлений и конденсаторов), что приводит к снижению их надёжности и точности. Однако они незаменимы при измерениях в маломощных радиотехнических цепях, так как имеют большое входное сопротивление и работают в широком диапазоне частот (от 50 гц до 100 Мгц) с погрешностями, не превышающими 3% от верхнего предела измерения. Изготовляются также электронные В. для измерения амплитуды импульсов напряжения длительностью от десятых долей мксек при скважности до 2500. В начале 20 в. широко применялись В. тепловой и индукционной систем; в настоящее время промышленное производство их прекращено из-за присущих им недостатков - большое собственное потребление энергии и зависимость показаний от температуры окружающей среды. Ваттметр (от ватт и ...метр), прибор для измерения мощности электрического тока в ваттах. Наиболее распространены электродинамические В. механизм которых состоит из неподвижной катушки 1, включенной последовательно с нагрузкой Н (цепь тока), и подвижной катушки 2, включенной через большое добавочное сопротивление R параллельно нагрузке (цепь напряжения). Работа В. такого типа основана на взаимодействии магнитных полей подвижной и неподвижной катушек при прохождении по ним электрического тока. При этом вращающий момент, вызывающий отклонение подвижной части прибора и соединённой с ней стрелки (указателя), при постоянном токе пропорционален произведению силы тока на напряжение, а п ри переменном токе - также косинусу угла сдвига фаз между током и напряжением. Применяются также ферродинамические В., реже индукционные, термоэлектрические и электростатические. Выпускаются переносные (лабораторные) электродинамические В. классов точности 0,2 и 0,5, предназначенные для измерений в цепях постоянного и переменного (с частотой до 5 кгц) токов. Измерение мощности при частоте переменного тока свыше 5 кгц осуществляют термоэлектрические В.. Для измерения мощности в энергетических установках применяют щитовые (стационарные) В. обычно ферродинамические и реже индукционные. Мощность в трёхфазных цепях измеряют трёхфазными В., которые представляют собой конструктивное объединение трёх (двух) механизмов однофазных В. Подвижные катушки трёхфазных В. укрепляют на общей оси, чем достигается суммирование создаваемых ими вращающих моментов. В цепи высокого напряжения В. включают через измерительные трансформаторы (тока и напряжения).