Лаба й. ТОЭ.Лаб.работы.Часть I. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу для студентов дневной, заочной и сокращенной формы обучения
 Скачать 4.83 Mb.
|
|
Так, например, электроизмерительному прибору, шкала которого изображена на рисунке 1, можно дать следующую техническую характеристику: вольтметр (V) для измерения переменного напряжения в пределах от 0 до 180 В, электромагнитной системы, вертикального положения, класса точности 1,0. Изоляция прибора испытана напряжением 2 кВ, год выпуска 2007, заводской номер 3275.
2.1.2 Измерение тока и напряжения Для измерения тока в каком-либо элементе электрической цепи последовательно с ним включают амперметр (рисунок 2). Собственное сопротивление амперметра должно быть много меньше сопротивления ( ), чтобы его включение не вносило изменения в величину измеряемого тока. Цена деления амперметра определяется по следующей формуле: , (6) где — конечное значение силы тока, указанное на приборе, — число делений шкалы прибора. Постоянные токи порядка – А измеряют прямыми и косвенными методами. В первом случае (рисунок 2) ток измеряют приборами непосредственной оценки. Для этого используют миллиамперметры и амперметры магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем. При косвенных измерениях (рисунок 3) в измерительную цепь включают резистор с известным сопротивлением и на нем измеряют падение напряжения компенсационным способом. Искомый ток находят на основании закона Ома, то есть по формуле .
На рисунке 4 показана принципиальная схема измерения неизвестного напряжения компенсационным способом. В верхнем контуре под действием ЭДС вспомогательного источника питания создается рабочий ток , значение которого регулируется резистором и измеряется амперметром . В нижнем контуре измеряемое неизвестное напряжение уравновешивается падением напряжения на компенсирующем резисторе путем изменения положения подвижного контакта. При выполнении условия компенсации, когда , ток в индикаторе становится равным нулю, что соответствует бесконечно большому сопротивлению измерительного устройства. Компенсационная измерительная цепь, следовательно, работает без отбора энергии от объекта измерения, и поэтому, зная величины и , можно определить .
Измерение больших по величине постоянных токов (свыше 100 А) обычно осуществляют амперметрами магнитоэлектрической системы с использованием шунтов (рисунок 5). Шунт — это сопротивление, включаемое параллельно с амперметром и проводящее через себя большую часть тока. Падение напряжения на внутреннем сопротивлении амперметра и сопротивлении шунта равны между собой: , откуда . Подставляя в уравнение (первый закон Кирхгофа), получим , (7) где — шунтовый коэффициент. Для измерения напряжения на каком-либо элементе электрической цепи параллельно с ним включают вольтметр (рисунок 6). Собственное сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления ( ), чтобы его включение не изменяло величину тока в цепи и соответственно величину измеряемого напряжения. Цена деления вольтметра определяется по следующей формуле: , (8) где — конечное значение напряжения, указанное на приборе, — число делений шкалы прибора.
Постоянные напряжения порядка – В измеряют приборами магнитоэлектрической, электродинамической и электромагнитной систем. Для измерения постоянных напряжений свыше 1кВ применяют в основном электростатические вольтметры, а также приборы других систем с добавочными сопротивлениями (рисунок 7). Добавочное сопротивление включается последовательно с вольтметром, поэтому напряжения на участках распределяются пропорционально внутреннему сопротивлению вольтметра и добавочному сопротивлению : , откуда . Напряжение цепи равно сумме напряжений отдельных участков: , (9) где — множитель добавочного сопротивления. 2.1.3 Измерение мощности Мощность в электрических цепях постоянного тока измеряют прямым и косвенным методами. В первом случае для измерения мощности используют ваттметр (рисунок 8), во втором случае — амперметр и вольтметр (рисунок 9).
В качестве ваттметров обычно применяют электродинамические приборы, у которых имеются обмотки двух типов: последовательная (или токовая) обмотка и параллельная обмотка (или обмотка напряжения). Токовую обмотку ваттметра включают последовательно с приемником , то есть в цепь тока , а обмотку напряжения — параллельно приемнику , то есть на напряжение . Начало токовой обмотки обозначено , начало обмотки напряжения . Начала обмоток образуют общую точку, которую располагают на приборе. Цена деления ваттметра определяется по следующим формулам: , , (10) где , , — конечные значения мощности, напряжения и тока, указанные на приборе, — число делений шкалы прибора. При измерении мощности постоянного тока косвенным методом (рисунок 9) определяют амперметром значение силы тока , вольтметром — значение напряжения и вычисляют мощность по формуле . (11) 2.1.4 Измерение электрического сопротивления постоянному току Электрические сопротивления электротехнических устройств (катушек, резисторов и т.д) постоянному току можно условно разделить на малые (до Ома), средние (от до Ом) и большие (свыше Ом). Для измерения малых сопротивлений применяют метод амперметра–вольтметра и мостовой. Для измерения средних сопротивлений применяют методы амперметра–вольтметра, непосредственной оценки (омметры), мостовой (одинарные мосты) и компенсационный. Для измерения больших сопротивлений используют метод непосредственной оценки, реализуемый мегаомметрами. Метод амперметра–вольтметра является наиболее простым для измерения малых и средних сопротивлений. В основе его лежит закон Ома , из которого следует простой способ определения сопротивления по показаниям амперметра и вольтметра: . (12) На практике этот метод может быть реализован двумя экспериментальными схемами, изображенными на рисунках 10 и 11.
В схеме рисунка 10 амперметр измеряет ток в резисторе с сопротивлением , а вольтметр — напряжение , где — напряжение на резисторе. Следовательно, на основании закона Ома определяется сумма сопротивлений резистора и амперметра: . Действительное значение сопротивления резистора . (13) Очевидно, что ошибка измерения будет тем меньше, чем меньше сопротивление амперметра по отношению к измеряемому сопротивлению . Схему рисунка 10, следовательно, целесообразнее применять для измерения больших сопротивлений. В схеме рисунка 11 вольтметр присоединен непосредственно к выводам резистора и показывает напряжение на нем, а амперметр измеряет сумму токов в резисторе и цепи вольтметра: . Следовательно, на основании показаний приборов в этом случае определяется проводимость: . Действительное значение сопротивления резистора . (14) Очевидно, что чем больше сопротивление вольтметра по отношению к измеряемому сопротивлению , тем меньше поправка к результату измерений. Схему рисунка 11, следовательно, целесообразно применять для измерения малых сопротивлений. Измерение сопротивлений методом непосредственной оценки используется в специальном электроизмерительном приборе — омметре, принципиальная схема которого приведена на рисунке 12. Он состоит из магнитоэлектрического измерительного механизма () с собственным сопротивлением , шкала которого проградуирована в омах, источника питания с напряжением , добавочного резистора и имеет выходные зажимы « », к которым присоединяют объект с измеряемым сопротивлением . Цена деления омметра определяется по следующей формуле: , (15) где — конечное значение сопротивления, указанное на приборе, — число делений шкалы прибора.
Омметры удобны в практике, но имеют большую погрешность (класс точности 2,5) из-за неравномерности шкалы и нестабильности источника питания (обычно батарея гальванических элементов). Для измерения средних по величине сопротивлений применяют мостовой метод. Устройства, реализующие этот метод измерения, называются измерительными мостами. Одинарный (четырехплечий) мост (рисунок 13) содержит четыре плеча и две диагонали. В одно плечо моста включают измеряемое сопротивление , а три остальных плеча образованы резисторами , и . В одну диагональ моста (между зажимами « » и « ») включают источник питания с ЭДС , а в другую (зажимы « » и « ») — индикатор , выполняющий функцию указателя равновесии моста.
Когда потенциалы узлов « » и « » равны, ток в индикаторе , мост находится в состоянии равновесия (признаком равновесия моста является нулевое отклонение указателя ). При этом справедливы следующие соотношения: ; ; и . Разделив почленно два последних уравнения друг на друга и учтя равенства токов, получим или . Из последнего выражения вычисляют искомое сопротивление : . (16) Для измерения сопротивления с повышенной точностью используют компенсационный метод. Схема измерительной цепи аналогична схеме рисунка 4, используемой для измерения компенсационным методом напряжения. 2.1.5 Поиск неисправностей и обрывов в цепях и электромагнитных устройствах Поиск неисправностей и обрывов в цепях и электромагнитных устройствах в первую очередь следует начинать с внешнего осмотра прибора. При внешнем осмотре прибора могут быть выявлены такие неисправности, которые делают непригодным его даже для проверки. Характерными признаками неисправностей обычно являются: механическое повреждение корпуса прибора, отсутствие зажимов, обрыв проводов, при покачивании прибора на слух могут определяться перемещения внутри него каких-либо деталей. Если внешний осмотр цепи или устройства не дал убедительного доказательства их неисправности, следует использовать способ проверки прибора методом измерения его сопротивлений. Если при измерении сопротивления прибора величина сопротивления окажется бесконечно большой, это означает наличие обрыва в цепи. Напротив, если между какими-либо узлами или деталями прибора имеется конечное сопротивление, то это означает наличие между ними электрической связи. При этом особое внимание следует обратить на случай, когда величина сопротивления равна нулю, так как при нулевом сопротивлении между узлами прибора возможно короткое замыкание. 2.2 Пояснения к лабораторной установке Лабораторная работа выполняется на универсальном лабораторном стенде. ЭДС представляет собой выпрямительный мост, запитанный от сети переменного тока с напряжением в 36 В, а ЭДС — мост, запитанный через лабораторный автотрансформатор. В качестве сопротивлений , , , и используются проволочные реостаты. Напряжения на элементах цепи измеряются вольтметром со щупами, токи в ветвях цепи и мощность измеряются с помощью амперметров , , и ваттметра, которые установлены на стенде. Переключатели и позволяют выключать из цепи соответственно источники и . 2.3 Порядок выполнения работы 2.3.1 Определение технических характеристик электроизмерительных приборов 1) Ознакомиться с основными электроизмерительными приборами (амперметрами, вольтметрами и ваттметрами), используемыми в лаборатории (как встроенными в стенд, так и внешними) и записать их технические характеристики (название прибора, система, класс точности, род тока, рабочее положение шкалы и предел измерения) в таблицу 3. Таблица 3 – Технические характеристики электроизмерительных приборов
2) Для каждого прибора рассчитать цену деления и абсолютную ( ) погрешность. Результаты расчета записать в таблицу 3. Для расчетов использовать формулы (5), (6), (8), (10). 2.3.2 Измерение силы тока, напряжения и мощности 1) По схеме рисунка 14 собрать электрическую цепь для экспериментального определения силы тока, напряжения и мощности. 2) С помощью тумблера подключить ЭДС к цепи, затем измерить силу тока , напряжение и мощность в цепи. 3) По формуле (11) рассчитать мощность тока в цепи и сравнить ее значение с экспериментальным, полученным по показанию ваттметра. Результаты измерений и расчетов записать в таблицу 4. Таблица 4 – Результаты измерений силы тока, напряжения и мощности
2.3.3 Измерение входного сопротивления цепи методом амперметра-вольтметра 1) По схеме рисунка 15 собрать электрическую цепь для определения ее входного сопротивления (относительно зажимов источника ) и с помощью тумблера подключить источник ЭДС к цепи. 2) Измерить величину тока и напряжения (8–10 измерений), изменяя с помощью лабораторного автотрансформатора напряжение источника ЭДС . Результаты измерений записать в таблицу 5.
Таблица 5 – Результаты измерений входного сопротивления цепи
3) Для каждого измерения рассчитать входное сопротивление цепи и по результатам расчета входных сопротивлений — величину среднего сопротивления . Результаты расчетов записать в таблицу 5. Для расчетов применить формулы , , (17) где — число измерений тока и напряжения. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||