1.2. Чувствительность и цена деления шкалы

где n — угловое или линейное перемещение; х — измеряемая величина 7 .

На практике обычно используется величина обратная чувствительности С = 1/S, называемая ценой деления шкалы прибора. Цена деления измеряется в единицах физической величины приходящейся на одно деление шкалы. Отсчет физической величины равен количеству делений шкалы умноженному на цену деления шкалы. При работе с много предельными приборами необходимо определять цену деления для каждого предела измерений. Для этого верхнее значение шкалы прибора на данном пределе измерений необходимо разделить на число делений шкалы 8 .

Пример.В лаборатории используется вольтметр имеющий 150 делений шкалы и следующие пределы измерений: 7.5 В, 15 В,. 30 В. Соответственно цена деления на первом пределе будет 7.5/150 = 0.05 В/дел и т. д. Если стрелка прибора остановилась на 63 делениях, то значение измеряемого напряжения составит: 0.05·63=3.15 В.

При снятии показаний следует первым делом вычислить цену деления на данном пределе и результат отсчета сразу переводить в значения физической величины 9 .

1.3. Практические советы

Прежде чем подобрать прибор для данного измерения, необходимо:

Хотя бы грубо оценить ожидаемое значение физической величины. Например, пользуясь законом Ома 10 .

Знать постоянный или переменный ток протекает в цепи.

Задаться точностью, с которой будет производиться измерение.

Учесть требования, предъявляемые к сопротивлению прибора.

Соответственно выбирается прибор с необходимым верхним пределом измерения, определенного класса точности и внутреннего сопротивления. Прежде чем производить отсчет показаний прибора, необходимо: определить цену деления на данном пределе измерения, правильно установить прибор, откорректировать «нуль», при снятии показаний учитывать ошибку связанную с параллаксом 11 , 12 .

2. Измерений токов и напряжений

Включение любого электроизмерительного прибора не должно заметно влиять на режим работы цепи. Для выполнения этого условия амперметр, включаемый в цепь последовательно нагрузкой (рис. 1.1) должен обладать как можно меньшим внутренним сопротивлением. Вольтметр, включаемый параллельно должен обладать большим сопротивлением, по сравнению с сопротивлением цепи 13 .

2.1. Измерение токов

П усть в цепи имеющей сопротивлениеR протекает ток I (рис. 1.1). По закону Ома I = U/R. После включения в цепь амперметра с внутренним сопротивлением Ra ток в цепи изменится I=U/(R + Ra). В результате ток, который покажет амперметр I, окажется меньшим (I < I). Только при условии, что Ra << R ток I  I. Поэтому сопротивление амперметров должно составлять доли единиц Ом 14 .

Д ля расширения пределов измерения токов амперметры снабжают шунтами. Шунтом называется сопротивление, подключаемое параллельно амперметру (рис. 1.2). При шунтировании только малая часть токаIa от измеряемого I ответвляется в прибор и непосредственно измеряется. Основной ток Iш протекает через шунт 15 . Пусть надо измерить ток I в n раз больший, чем ток Ia – максимальный ток отклонения прибора. Внутреннее сопротивление амперметра Ra. Определим, пользуясь законом Ома, сопротивление необходимого шунта Rш. Падения напряжения на амперметре и шунте одинаковы, т. к. они соединены параллельно: Rш ·Iш = Ia ·Ra. Кроме того, I = Ia + Iш , I/Ia = n. Из этих уравнений находим

Следовательно, для расширения предела измерения амперметра в n раз необходимо, чтобы сопротивление шунта было в

(n - 1) раз меньше сопротивления прибора.

2.2. Измерение напряжений

В качестве вольтметра может быть использован любой электроизмерительный прибор, имеющий достаточно большое сопротивление, проградуированный в единицах напряжения и включаемый параллельно участку цепи, на концах которого измеряется напряжение. Пусть с помощью вольтметра, сопротивление которогоRv, измеряется напряжение на участке цепи (рис. 1.3). До включения вольтметра падение напряжения на сопротивлении R2 было равно: U2 = IR2 =UR2/(R1 + R2). После включения вольтметра получим:

Из последнего соотношения видно, что U2 < U2 и только когда Rv >> R2 получим U2  U2. Поэтому сопротивления стрелочных вольтметров составляют десятки и сотни Ом на каждый вольт шкалы, а сопротивления цифровых вольтметров достигают десятков МОм 16 .

Д ля расширения пределов измерения вольтметром последовательно с ним включается добавочное сопротивлениеRд 17 . Пусть измеряемое напряжение V в n раз больше, чем, максимальное допустимое напряжение VВ на вольтметре. Тогда (pис. 1.4) можно так подобрать Rд, чтобы падение напряжения на нем было равно Vд=V-VB . Поделив это уравнение на VB, и учтя, что через вольтметр и дополнительное сопротивление идет один и тот же максимальный допустимый для вольтметра ток Imax , получим:

Rд = ( n – 1 ) RB . (1.5)

Следовательно, для расширения предела измерений вольтметра в п раз надо подключить к нему последовательно дополнительное сопротивление, в п — 1 раз большее внутреннего сопротивления вольтметра. В данной работе в качестве дополнительного сопротивления используется магазин сопротивлений.

3. Способы регулирования тока и напряжения

В лабораторной практике для регулировки тока используется реостат, для регулировки напряжения используется потенциометр (делитель напряжения) или автотрансформатор (для переменного тока). Реостат включается последовательно с нагрузкой, ток в которой регулируется рис. 1.5.

Если напряжение U на клеммах поддерживается постоянным то при перемещении движка реостата слева на право (рис. 1.4) ток в цепи будет меняться от Iмакс= U/Rн, до минимального значения Iмин=U/(R+Rн). Отношение пределов регулирования:

Если заданы пределы регулирования токов и сопротивление нагрузки, то можно рассчитать сопротивление реостата.

R = Rн (k – 1) . (1.7)

Каждый реостат рассчитан на определенный ток. Наибольший ток протекает по реостату, когда в цепь включена небольшая часть его обмотки. Ток в цепи в этом случае близок к Iмакс. Следовательно, реостат должен быть рассчитан на максимальный ток. На табличке реостата указывается его сопротивление и максимальный допустимый ток 18 .

Для регулирования напряжения используется тот же реостат, включений по схеме делителя напряжения (рис. 1.6), в этом случае он называется потенциометром. Сопротивление нагрузки Rн теперь подключено параллельно сопротивлению потенциометра, то зависимость напряжения нагрузке от перемещения движка носит более сложный характер, чем в предыдущем случае. При перемещении движка потенциометра от точки А до точки В (рис. 1.6) напряжение на нагрузке будет меняться от U до нуля. При этом в случае если Rн>>R напряжение на нагрузке будет меняться прямо пропорционально перемещению движка потенциометра. При уменьшении сопротивления нагрузки зависимость напряжения от перемещения движка будет носить нелинейный характер. С другой стороны при изменении сопротивления нагрузки будет меняться напряжение, снимаемое с реостата. Для ослабления этого эффекта необходимо уменьшать сопротивление потенциометра по сравнению с сопротивлением нагрузки. Однако чрезмерно низкое сопротивление реостата приводит к большим токам, протекающим по его обмотке. Поэтому в лабораторной практике при выборе сопротивления потенциометра ограничиваются условиемR≈Rн / 3. 19

4. Общие правила пользования универсальными

4.1. Подключение и порядок измерений с помощью тестера.

Т естер имеет две клеммы, к которым подключаются проводники со щупами на концах (рис. 1.7). Левая клемма соответствует минусу, а правая плюсу. Режим работы выбирается с помощью переключателей, расположенных на передней панели. Кнопка «» соответствует измерению постоянного тока и напряжения, а кнопка «» переменного тока и напряжения. При измерении сопротивлений необходимо включить кнопку «». Установить переключатель пределов измерения в положение соответствующее ожидаемому пределу измерения тока, напряжения или сопротивления. Подключить прибор к измеряемой цепи. При необходимости изменить предел измерения. Отсчет измеряемой величины производится по шкалам, отмеченным справа знаками «», «», «, к, pF».

Перед измерением сопротивления необходимо установить нуль шкалы омметра. Для этого переключатель пределов поставить в положение «» или «кх1», замкнуть концы измерительных проводников, и ручкой установки нуля шкалы омметра установить стрелку на нулевую отметку шкалы «, к, pF» (нуль находится справа) 20 .

4.2. Подключение и порядок измерений с помощью универсального цифрового прибора.

Ц ифровой прибор имеет три клеммы для подключения измерительных проводников (рис. 1.8). При измерении напряжений и сопротивлений измерительные провода подключаются к гнездам «О », «U, R ». При измерении тока проводники подключаются к клеммам «О », «I ». Кнопки «-I », «-U » соответствует измерению постоянного тока и напряжения, а кнопка «I », «U » переменного тока и напряжения. При измерении сопротивлений необходимо включить кнопку «R». Установить переключатель пределов измерения в положение соответствующее ожидаемому пределу измерения тока, напряжения или сопротивления. Подключить прибор к измеряемой цепи. При необходимости изменить предел измерения.

Универсальный прибор В7-40 имеет режим автоматического выбора пределов измерения. Этот режим устанавливается при включении прибора. Изменить точность отсчета можно кнопками «  », «  ».

В лаборатории также используется универсальный цифровой прибор Щ 3000, который позволяет измерять токи напряжения и сопротивления. Пределы измерений выбираются с помощью переключателя «200 2 20 200 2000». Эти цифры означают верхний предел измерений. Надо учитывать, что на первом пределе значения измеряемой величины указаны слева от переключателя, а для остальных пределов справа. При измерении переменных и постоянных токов и напряжений надо переключать кнопку  |  . 21