Какое внутреннее сопротивление должен иметь вольтметр. Устройство, назначение и принцип работы вольтметров

В творчестве радиолюбителя электрические измерения играют очень важную роль, особенно при испытании и налаживании сконструированного усилителя, приемника или любого другого технического устройства. И это естественно, так как только путем электрических измере-1 ний можно проверить режимы работы транзистора, обнаружить; неисправную радиодеталь, оборванный или закороченный участок цепи, испытать источник питания и многое другое. Без измерительных приборов трудно, а часто и невозможно, добиться от усилителя или приемника ожидаемых результатов. Без них не столь убедительными были бы и опыты предыдущих практикумов.

Радиолюбители обычно пользуются комбинированными приборами — авометрами, позволяющими измерять токи, напряжения и сопротивления. Виды измерений разные, а индикатор, то есть стрелочный прибор, по шкале которого оценивают ту или иную электрическую величину, один. Это, как правило, измеритель постоянного тока магнитоэлектрической системы. По сравнению с приборами других систем он имеет более высокую чувствительность, равномерную шкалу, способен выдерживать значительные перегрузки.

Условное обозначение измерителя постоянного тока такой системы начинается с буквы М, что означает магнитоэлектрический. Например, М24, М49, М592. Это чаще всего микроамперметры (на шкале знак м A), рассчитанные на измерение постоянных токов до 50...500 мкА (0,05...0,5 мА).

Прибор магнитоэлектрической системы, независимо от его типа, является измерителем только постоянного (или пульсирующего) тока, то есть может быть только микроамперметром, миллиамперметром или амперметром постоянного тока. Чтобы таким прибором измерять переменные токи и напряжения, нужно их предварительно преобразовать в пропорциональные постоянные или пульсирующие токи.

Внешний вид магнитоэлектрического микроамперметра типа М24 м схематическое устройство его измерительного механизма показаны на рис. 31. Измерительный механизм прибора состоит из рамки — катушки, намотанной изолированным проводом на легком прямоугольном каркасе. Рамка, удерживаясь на полуосях-кернах, может поворачиваться в зазоре между полюсами сильного постоянного магнита и цилиндрическим сердечником. В этом зазоре создается равномерное магнитное поле, что является непременным условием для получения равномерной шкалы приборов. На рамке закреплена легкая стрелка. Выводами обмотки рамки служат тонкие спиральные пружины, удерживающие ее в исходном положении, при котором стрелка устанавливается против нулевой отметки шкалы.

Когда в обмотке рамки появляется постоянный ток, вокруг нее возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. При этом рамка, преодолевая противодействие спиральных пружин, стремится повернуться на полуосях так, чтобы.полюсы ее магнитного поля оказались против полюсов постоянного магнита противоположной им полярности. Чем больше ток, текущий через рамку, тем сильнее ее магнитное поле, тем больше усилие, поворачивающее ее, а вместе с ней и стрелку вокруг оси. Как.только ток в рамке и ее магнитное поле исчезают, рамка со стрелкой тут же возвращаются в исходное, нулевое, положение.

Таким образом, прибор магнитоэлектрической системы является не чем иным, как преобразователем постоянного тока в механическое усилие, поворачивающее рамку. О силе этого тока судят по углу, на который под его воздействием смогла повернуться рамка.

Для твоего комбинированного измерительного прибора потребуется микроамперметр на ток 100...200 мкА, желательно с большой шкалой, например такой, как М24. Чем меньше ток, на который он рассчитан, и больше шкала, тем точнее будет конструируемый на его базе комбинированный измерительный прибор.

Прежде всего внимательно рассмотри шкалу прибора и изучи надписи и условные обозначения на ней. На шкале справа внизу увидишь изображение подковообразного магнита с зачерненным прямоугольником между его полюсами (рис. 32, а). Это символическое обозначение прибора магнитоэлектрической системы с подвижной катушкой-рамкой. Рядом нанесена прямая горизонтальная черточка, говорящая о том, что прибор предназначен для измерения постоянного тока. Число внутри пятиконечной звезды (рис. 32, б) указывает максимально допустимое напряжение (в киловольтах), которое может быть приложено между корпусом и магнитоэлектрическим механизмом прибора. Еще одна группа цифр, например 1, 5, характеризует класс точности прибора. Класс точности — это численный показатель возможной погрешности прибора на всех отметках шкалы, выраженный в процентах от конечного (наибольшего) значения шкалы. Например, микроамперметр на 100 мкА класса точности 2 может дать ошибку от 2 мкА (2 % от 100 мкА). Для твоей цели подойдет прибор 2 или 2,5 классов точности.

На шкале прибора может быть также знак в виде двух взаимно перпендикулярных линий (рис. 32, в) или П-образной скобы. Первый из них указывает, что рабочее положение шкалы прибора должно быть вертикальное, второй — горизонтальное. Если этих знаков нет, значит, прибор может работать при любом положении шкалы. Несоблюдение условий, обозначенных на шкале указанными символами, может привести к увеличению погрешности показаний или даже порче прибора.

Основных электрических параметров, по которым можно судить о возможном применении прибора для тех или иных целей, два: ток полного отклонения стрелки Iи, то есть наибольший ток, при котором стрелка отклоняется до конечной отметки шкалы, и сопротивление рамки Ru . О значении первого параметра говорит сама шкала. Так, например, если возле конечной отметки шкалы стоит число 100, значит, ток полного отклонения стрелки равен 100 мкА. Сопротивление рамки часто указывают на шкале. В твоем распоряжении может оказаться магнитоэлектрический прибор, использовавшийся ранее в вольтметре или амперметре переменного тока, в частотомере или каком-то другом измерительном приборе. Важно лишь, чтобы тебе подходили его основные параметры.

С успехом можно и самому измерить параметры Iи и Ra неизвестного прибора. Для этого потребуется гальванический элемент 332 или 343, образцовый миллиамперметр на ток 1 ...2 мА, переменный резистор сопротивлением 5...10 кОм и постоянный резистор, сопротивление которого надо рассчитать. Постоянный резистор, который будем называть добавочным, нужен для ограничения тока, текущего через рамку неизвестного прибора. Если такого резистора не будет, а ток в измерительной цепи окажется значительно больше тока Iи проверяемого прибора, его стрелка, резко отклонившись за пределы шкалы, может погнуться. Может даже сгореть и обмотка рамки.

Сопротивление добавочного резистора рассчитай, пользуясь формулой закона Ома. Поначалу, для страховки, полагай, что Iи прибора не превышает 50 мкА. Тогда при напряжении источника питания 1,5 В (один элемент) сопротивление этого резистора должно быть около 30 кОм:

Проверяемый измерительный прибор (обозначим его РЛц)г образцовый миллиамперметр РА0, переменный регулировочный резистор Rр и добавочный резистор Rд соедини последовательно, как показано на рис. 33. Проверь, нет ли ошибок в полярности соединения зажимов приборов. Движок резистора Rр поставь в положение наибольшего сопротивления (по схеме — в крайнее нижнее положение) и только после этого включайте цепь элемент G — стрелки обоих приборов должны отклониться на какой-то угол. Теперь постепенно уменьшай введенное в цепь сопротивление переменного резистора. При этом стрелки приборов будут все более удаляться от нулевых отметок их шкал. Заменяя добавочный резистор резисторами «меньшего номинала и изменяя сопротивление переменного резистора, добейся в цепи такого тока, при котором стрелка проверяемого прибора установится точно против конечной отметки шкалы. Значение этого тока, отсчитанного по шкале образцового миллиамперметра, и будет параметром Iи, то есть током полного отклонения стрелки неизвестного прибора. Запомни его значение.

Теперь измерь сопротивление рамки. Сначала, как и при измерении параметра IИ| переменным резистором Rр установи стрелку проверяемого прибора на конечную отметку шкалы и запиши показание образцового миллиамперметра. После этого подключи параллельно проверяемому прибору переменный резистор сопротивлением 1,5..3 кОм (на рис. 33 он показан штриховыми линиями и обозначен Rш). Подбери такое его сопротивление, чтобы ток через опытный прибор уменьшился вдвое. При этом общее сопротивление цепи уменьшится, а ток в ней увеличится. Резистором R р установи (по миллиамперметру) в цепи начальный ток и точнее подбери сопротивление резистора Rm , добиваясь установки стрелки микроамперметра точно против отметки половины шкалы. Параметр Rи твоего микроамперметра равен сопротивлению введенной части резистора Rш. Измерь его омметром.

Измерения основных параметров прибора желательно производить даже в том случае, если они известны (например, указаны на его шкале). Это полезно для практики и проверки прибора.

Чтобы понять, как с помощью одного и того же микроамперметра можно измерять напряжения и токи, подчас во много сотен и тысяч раз превышающие его максимальный ток Iи, проведи несколько опытов.

Опыт первый. Расширение предела измерений постоянного тока (рис. 34). Проверенный микроамперметр РА1 надежно подключи к резистору Rш, сопротивление которого должно быть-равно параметру Rи микроамперметра (резистор нужного сопротивления можно составить из нескольких резисторов, соединяя их последовательно или параллельно). Соедини последовательно образцовый миллиамперметр РЛ2, гальванический элемент G напряжением 1,5 В и регулировочный переменный резистор RР сопротивлением 10 кОм. Движок резистора Rp установи в крайнее нижнее положение (см. рис. ЗЧ) и подключи к этой цепочке микроамперметр с резистором. В образовавшейся замкнутой цепи установи регулировочным резистором такой ток, чтобы стрелка микроамперметра отклонилась на всю шкалу. При этом образцовый прибор фиксирует ток, который в два раза больше тока, допустимого для микроамперметра. Резистор Rш создает для тока параллельный микроамперметру путь, или, как говорят, шунтирует прибор, поэтому его и называют шунтом. А так как сопротивления шунта и прибора равны, то и токи, текущие через них, равны. Шунт уменьшает ток, текущий через прибор, и тем самым позволяет расширить его предел измерений. В данном случае предел измерений расширился в два раза. Так, например, если без шунта микроамперметром можно было измерять ток в пределах от 0 до 100 мкА (7И = = 100 мкА), то с шунтом предел расширился до 200 мкА. Силу измеряемого тока можно отсчитывать по той же шкале, лишь увеличивая при этом вдвое показания прибора.

Попробуй уменьшить сопротивление шунта вдвое. Предел измерений увеличится в три раза. Две трети тока цепи пойдет через шунт, одна треть — через прибор. Чем меньше будет сопротивление шунта, тем большая часть тока пойдет через него, тем больше расширится предел измерений. В этом опыте микроамперметр с шунтом, обведенные на рис. ЗЧ штрих-пунктирными линиями, образовали однопредельный измеритель тока.

Именно так, применяя шунты разных номиналов, одним и тем же микроамперметром удается измерять токи, в десятки, сотни и тысячи раз превышающие максимальный ток прибора.

Сопротивление шунта рассчитай по формуле

где Iп — наибольший ток выбранного предела измерений. Допустим, надо рассчитать шунт на предел измерений до 30 мА для микроамперметра с параметрами Iи = = 200 мкА, Rи = 800Ом.

Опыт второй. Измерение переменного тока (рис. 35). Для этого опыта нужен трансформатор, понижающий напряжение электроосветительной сети до 3...5 В. Позже, когда научишься конструировать, ты сам сможешь сделать подобный трансформатор. Сейчас же возьми подходящий готовый, например выходной трансформатор лампового радиоприемника или телевизора, и используй его как понижающий трансформатор электросети.

Но пользуясь электросетью как источником тока для опытов, а позже — для питания конструкций, не забывай, что на ее проводах действует достаточно высокое напряжение. Электросеть требует повышенного внимания. Поэтому будь особенно осторожен: не трогай руками проводники, подключенные к розетке электросети; любые изменения в цепях делай только тогда, когда штепсельная вилка вытащена из гнезд штепсельной розетки. Подобранный трансформатор укрепи на дощечке из сухой фанеры, а лучше — на панели из листового гети-накса или органического стёкла. Первичной (I) обмоткой (она намотана более тонким по сравнению с вторичной проводом и содержит большее число витков) трансформатор включи в сеть через плавкий предохранитель на ток 0,5 А. К вторичной (II) обмотке подключи лампочку накаливания на напряжение 3,5 или 6,3 В. Если лампочка горит, трансформатор исправен и можно приступать к опыту.

Последовательно со вторичной обмоткой трансформатора включи регулировочный резистор Rр, а между положительным зажимом микроамперметра РА и тем же шунтом R ш , что и в первом опыте, — последовательно соединенные добавочный резистор Rд и диод V . Сопротивление резистора Rд, которое во время опыта будешь подбирать (что обозначено звездочкой возле буквенного обозначения резистора), должно быть не менее 2 кОм. Для опыта подойдет точечный диод, например, Д9 или Д2 с любым буквенным индексом. Прежде чем подключить трансформатор к электросети, движок резистора Rр поставь в крайнее нижнее (по 1схеме) положение. А включив питание, этим резистором, плавно- уменьшая его сопротивление, постепенно увеличивай ток в цепи. Стрелка микроамперметра при этом должна медленно отклоняться от нулевой отметки шкалы. Чем больше ток в цепи, тем на больший угол она отклоняется. Можно так подобрать сопротивления шунта и добавочного резистора Rд, чтобы при каком-то вполне определенном значении тока стрелка микроамперметра (теперь уже измерителя переменного тока) отклонялась на всю шкалу. По углу отклонения стрелки можно судить о силе тока этого предела измерений. Какова роль диода в таком измерителе переменного тока?

Ты уже знаешь, что прибор магнитоэлектрической системы является измерителем постоянного тока. А чтобы им можно было измерять и переменный ток, этот ток должен быть выпрямлен, в данном случае с помощью диода. Попробуй замкнуть диод накоротко проволочной перемычкой и посмотри на стрелку микроампермётра. Увидишь — она стоит против нулевой -отметки шкалы. Ток через прибор, как и через шунт, протекает, но его рамка со стрелкой неспособны реагировать на переменный ток. .

Опыт третий. Измерение постоянного напряжения. Чтобы тем же микроамперметром измерить напряжение источника постоянного тока, питающего внешний участок цепи, или напряжение на любом участке цепи, прибор надо подключить к источнику или участку цепи параллельно. Но только не спеши проверить это опытным путем — загубишь прибор. И вот почему. Подсчитай, какое напряжение можно подать на зажимы твоего микроамперметра, чтобы стрелка отклонилась на всю шкалу. Предположим, что его Iи=200 мкА, а Rи=800 Ом. Тогда, по закону Ома, на прибор можно подать постоянное напряжение, непревышающее 0,16 В (U = IR = 0,0002АХ Х800 Ом = 0,16 В). А если напряжение больше? Например, 1 В? В этом случае через прибор потечет ток в 10 раз больше допустимого. Рамка прибора, возможно, не сгорит, а вот легкая стрелка, «зашкаливая», может погнуться.

Чтобы измерить микроамперметром превышающее его возможности напряжение, надо последовательно с ним включить добавочный резистор, гасящий избыточное напряжение, то есть сделать так, как это показано на рис. 36. Ограничивая напряжение, подаваемое на прибор, добавочный резистор расширяет предел измерений прибора,

Сопротивление добавочного резистора Rд можно рассчитать по формуле

где Un — наибольшее напряжение предела измерений. Так, например, чтобы тем же микроамперметром с параметрами Iи — 200 мкА и Rи==800 Ом можно было измерять постоянные напряжения в пределах до 3 В, сопротивление добавочного резистора (в килоомах) должно быть:

Подсчитай сопротивление добавочного резистора для твоего микроамперметра на тот же, что и в этом примере, предел измерений. Соедини резистор такого или близкого ему номинала с прибором и подключи его, как на рис. 36, непосредственно к одному гальваническому элементу. Стрелка прибора отклонится до половины шкалы. Теперь возьми два последовательно, соединенных элемента — стрелка прибора должна отклониться на всю шкалу. Значит, в данном случае микроамперметр с таким добавочным резистором может измерять постоянные напряжения до 3 В.

О качестве вольтметра судят по его внутреннему, или, что то же самое, входному сопротивлению. Оно складывается из сопротивлений рамки прибора и добавочного резистора. Чем больше это суммарное сопротивление£ тем меньше вольтметр вносит изменений в параметры измеряемой им цепи, тем точнее измерения фактических напряжений а ней. Для нашего примера на пределе 0...3 В входное сопротивление вольтметра равно 15 кОм, что соответствует относительному входному сопротивлению 5 кОм/В, то есть 5 кОм на 1 В измеряемого напряжения. Для других пределов измерения общее входное сопротивление вольтметра с таким микроамперметром будет иным, а сопротивление на 1 В измеряемого напряжения останется таким же. Примерно такое входное сопротивление имеет авометр «Школьный» при включении его на измерение постоянных напряжений.

Опыт четвертый. Измерение напряжения переменного тока (рис. 37). Последовательно с микроамперметром РА соедини переменный резистор R д сопротивлением 10 кОм (в этом опыте он будет добавочным), диод V, использовавшийся во втором опыте, и подключи, их ко вторичной обмотке того же понижающего трансформатора Т. Предварительно движок переменного резистора поставь в положение наибольшего сопротивления, а затем, подключив трансформатор к сети, уменьшай постепенно сопротивление резистора, пока стрелка прибора не дойдёт до конечной отметки шкалы. Откло-нение стрелки прибора на всю шкалу будет соответст-вовать пределу измерения переменного напряжения этим прибором. Он определяется сопротивлением подобранного тобой добавочного резистора Rд. С уменьшением сопротивления добавочного резистора предел измерений будет сокращаться, а с увеличением, наоборот, расширяться. Сколько в приборе добавочных резисторов, столько может быть и пределов измерений.

Роль диода в этом приборе та же, что и в приборе второго опыта — преобразовывать переменный ток в ток одного направления. Без него микроамперметр не будет реагировать на переменное напряжение.

Опыт пятый. Измерение сопротивления (рис. 38). Микроамперметр РА, добавочный резистор Rд и один гальванический элемент G соедини последовательно в замкнутую цепь. Сопротивление резистора Rд, гасящего избыточное напряжение элемента, должно быть таково, чтобы стрелка прибора установилась на конечную отметку шкалы. Затем цепь разорви в любой точке, а к концам проводников (на рис. 38 обозначены стрелками), образовавшим этот разрыв, подключи резистор сопротивлением сначала в несколько Ом, а затем в несколько десятков и сотен Ом (на рис. 38 — Rх). Чем больше сопротивление подключаемого резистора, тем больше общее сопротивление цепи и меньше ток в ней, тем на меньший угол отклоняется стрелка прибора. При некотором относительно большом сопротивлении Стрелка отклоняется на едва заметный угол.

Прибор может иметь дополнительную шкалу, програ-дуированную в единицах сопротивления. В этом случае по ней можно будет отсчитывать измеряемое сопротивление резистора или участка цепи непосредственно в омах, десятках, сотнях и тысячах ом. Получится омметр»

Шкала омметра, как видишь, обратная по сравнению со шкалой миллиамперметра или вольтметра: нуль справа, а наибольшее значение сопротивления, обозначаемого знаком «оо» (бесконечность) слева. У омметра, кроме того, шкала нелинейная: ее деления по мере приближения к «оо» все более сжимаются.

Итак, ты опытным путем познакомился с принципом измерения токов, напряжений, сопротивлений. Теперь можно приступать к конструированию комбинированного измерительного прибора на базе одного микроамперметра.

Принципиальная электрическая схема возможного варианта прибора без измерений силы переменного тока, которые на первом этапе радиотехнического творчества обычно не требуются, изображена на рис. 39. Прибор объединяет пятипредельный миллиамперметр постоянного тока (0...1; 0...3; 0...10; 0...30 и0...100мА), шестипре-дельный вольтметр постоянного тока (0...1; 0..3; 0...10; 0...30; 0...100 и 0...300 В), однопредельный омметр и пятипредельный вольтметр переменного тока (0...3; 0...10; 0...30; а..10О и 0...300 В). Зажим «— Общ», к которому подключают один из измерительных щупов, является общим для всех.видов измерений. Переключение прибора на те или иные виды и пределы измерений производят перестановкой вилки второго щупа: при измерении. постоянного тока — в гнезда Х13 — Х17, при измерении постоянных напряжений — в гнезда Х7 — X 12, при измерении сопротивлений — в гнездо Х6, при измерении переменных напряжений — в гнезда X 1 — Х5. Пользуясь прибором как миллиамперметром постоянного тока, надо, кроме того, замкнуть контакты выключателя S1, чтобы микроамперметр РА1 подключить к шунту Rm . Сопротивление резисторов и пределы измерений, указанные на схеме, соответствуют микроамперметру ка ток Iи=200 мкА с рамкой сопротивлением Rи=800 Ом. Для микроамперметров с иными параметрами Iи и R и сопротивления резисторов для тех же пределов измерений придется пересчитать.

Часть прибора, относящаяся только к миллиамперметру постоянного тока (тА —), слагается из микроамперметра РА1, выключателя S 1, резисторов R 14 — R 1 S , образующих шунт Rm , гнезд Х13 — Х17 и зажима « — Общ». Начерти этот участок схемы (контакты выключателя S 1 замкнуты) и сличи его с верхней частью схемы первого опыта (см. рис. ЗЧ) этого практикума. В чем разница? Только в том, что там роль шунта выполняет один резистор, а здесь шукт образуют пять резисторов (по числу пределов измерений), соединенных последовательно. Это так называемый универсальный шунт. Принцип же работы прибора от этого не изменяется: на любом пределе измерений через микроамперметр течет ток, не превышающий максимальный ток прибора Iи. Несколько усложняется только расчет сопротивлений резисторов, составляющих шунт.

Расчет универсального шунта рассмотрим на примере микроамперметра с параметрами Iи = 200 мкА и RK = = 800 Ом, используемого в миллиампервольтметре по схеме на рис. 39. Первый предел измерений (O...I мА) обозначим IП1, второй (0...3 мА) — IП2, третий (0... ...10 мА) — Iпз, четвертый (0...30 мА) — IП4, пятый (0... 10Ом А) — IП5.

Сначала по формуле, знакомой тебе по первому опыту (см. с. 51 У, надо определить общее сопротивление шунта наименьшего, то есть первого предела измерений IП1 (до 1000 мкА):

А когда известно общее сопротивление шунта, можно приступить к расчету сопротивлений (в омах) составляющих его резисторов, начиная с резистора R 18 наибольшего предела измерений (до 100000 мкА), в таком порядке:

Теперь начерти часть схемы, относящуюся только к вольтметру постоянного тока (V —). В эту часть прибора входят тот же микроамперметр РА1, добавочные резисторы R 8 — R 13, гнезда Х7 — XI 2 и зажим «—Общ». Чем эта часть отличается от схемы третьего опыта? Принципиально ничем. Только опытный вольтметр был одно-предельным, а вольтметр комбинированного прибора шестилредельный. Каждый предел имеет свой добавочный резистор.

С расчетом добавочных резисторов ты уже знаком (см. с. 54).

Следующая часть прибора — однопредельный омметр (и). В него входят: микроамперметр РА1, резисторы R 6 и R 7 элемент G1, гнездо Х6 и зажим «—Общ». Соедини мысленно гнездо Х6 с зажимом «—Общ». Образуется замкнутая цепь (такая же, как в пятом опыте), сила тока в которой зависит от напряжения источника питания омметра, суммарного сопротивления резисторов R 6, R 7 и сопротивления рамки микроамперметра.

Переменный резистор R 6, являющийся частью добавочного резистора, нужен для компенсации уменьшения напряжения постепенно разряжающегося элемента. Перед измерением сопротивления резистора или участка цепи измерительные щупы надо соединить между собой (замкнуть) и резистором R 6 «Уст. О» стрелку прибора установить точно на конечное деление шкалы, то есть на нуль омметра. Если стрелка прибора не доходит до нуля омметра, значит, его источник питания необходимо заменить.

Суммарное сопротивление резисторов R 6 и R 7 должно быть таково, чтобы при напряжении источника питания омметра в пределах 1,2... 1,5 В в цепи можно было установить ток, равный току Iи микроамперметра.

Таким омметром можно измерять сопротивление примерно от 100...150 Ом до 60...80 кОм.

Теперь о вольтметре переменного тока (V ~). В него входят: микроамперметр, диод VI , добавочные резисторы R 1 — R 5, гнезда XI — Х5 и зажим « — Общ».

Рассмотрим, например, цепь предела измерений 0...3 В. При подключении измерительных щупов (гнездо XI , зажим к — Общ») к источнику переменного тока напряжением до 3 В ток идет через добавочный резиcтop R1, выпрямляется диодом V 1 и заставляет стрелку микроамперметра отклониться на угол, соответствующий значению выпрямленного тока (так было и в четвертом опыте этого практикума).

В вольтметр входит еще диод V 2. Но его роль вспомогательная. Диод V 1 пропускает через себя к микроамперметру только одну, прямую для него полуволну переменного тока. А обратную полуволну тока, которая для прибора не используется, пропускает, в обход микроамперметра, диод V 2. Диода V 2 может и не быть, но тогда при значительных измеряемых напряжениях обратная полуволна может «пробить» диод V 1, и вольтметр переменного тока выйдет из строя.

Добавочные резисторы рассчитывают так же, как резисторы пределов измерений напряжений постоянного тока, а затем полученные результаты делят на коэффициент 2,5.

Коротко о выбранных пределах измерений. Дело в том, что наибольшая погрешность измерений токов и напряжений получается при отсчете измеряемых величин на первой трети части шкалы. Поэтому, выбирая пределы измерений, всегда стремятся к тому, чтобы первый, наименьший из них, захватывал первую треть шкалы второго предела, второй предел — первую треть шкалы третьего предела и т. д. В этом отношении удобными для измерений можно считать такие выбранные, кстати, и для рекомендуемого тебе комбинированного прибора пределы: 0...1; 0...3; 0...10; 0...30; 0...100.

Возможная конструкция прибора, в котором использован микроамперметр М24, показана на рис. 40. Роль входных контактов выполняют гнезда трех семиштырько-вых ламповых панелек и один зажим. Гнезда одной из панелек относятся только к миллиамперметру, гнезда второй — только к вольтметру постоянного тока, третьей — к омметру и вольтметру переменного тока.

Микроамперметр, ламповые панельки, переменный резистор R 6 (типа СП-1) и выключатель S 1 (тумблер ТВ2-1) укрепи на гетинаксовой панели размерами 200 X Х140 мм, элемент G 1 (332) — на боковой фанерной (или дощатой) стенке прибора. Резисторы универсального шунта и добавочные резисторы вольтметров монтируй непосредственно на лепестках ламповых панелек.. Общими монтажными проводниками резисторов вольтметров могут быть отрезки голого медного провода толщиной 1...1,5 мм, припаянные к,центральным контактам панелек, .

В качестве добавочных используй резисторы типа МЛТ-1,0. Резисторы R 14 — R 18 универсального шунта должны быть проволочными. Используй для них высоко-омный манганиновый или константановый провод диаметром 0,08...0,1 мм в шелковой или бумажной изоляции. Отрезки провода нужной длины наматывай на корпусы резисторов МЛТ-0,5 или М ЛТ-1,0 сопротивлениями не менее 20 кОм и припаивай их концы к проволочным выводам резисторов.

Длину отрезка провода необходимого сопротивления можно рассчитать, пользуясь справочной литературой, или измерить омметром. Отрезок константанового провода ПЭК, например диаметром 0,1 мм и длиной 1 м, обладает сопротивлением около 60 Ом. Следовательно, для всего универсального шунта (200 Ом) потребуется около 3,5 м такого провода.

Сопротивления секций универсального шунта, как бы точно они ни были рассчитаны, во время градуировки прибора обязательно придется несколько уменьшать или, наоборот, увеличивать, то есть, как говорят, подгонять под параметры микроамперметра, используемого в комбинированном приборе. И чтобы не наращивать провод в случае его недостаточного сопротивления, отрезки провода для секций шунта делай на 5... 10 % длиннее расчетных.

Градуировка миллиамперметра и вольтметра постоянного тока сводится к подгонке секций универсального шунта и добавочных резисторов под максимальный ток пределов измерений, а вольтметра переменного тока и омметра, кроме того, — к разметке их шкал.

Для градуировки миллиамперметра потребуются: образцовый многопредельный миллиамперметр, свежая батарея 3336Л и два переменных резистора — проволочный сопротивлением 200...500 Ом и пленочный (СП, СПО) сопротивлением 5... 10 кОм. Первый из переменных резисторов будешь использовать для регулирования тока при подгонке резисторов R 16 — R 18, второй — при подгонке резисторов R 14 и R 15 шунта.

Вначале лучше подогнать резистор R 14. Для этого соедини последовательно (рис. 41) образцовый миллиамперметр РА0, батарею GB и регулировочный резистор Rp . Установи движок резистора Rp в положение максимального сопротивления, подключи к ним твой градуируемый прибор РАГ, включенный на предел измерений до 1 мА (измерительные щупы подключены к зажиму « — Общ» и гнезду Х13, контакты выключателя S 1 «I_» замкнуты). Затем, постепенно уменьшая, сопротивление регулировочного резистора, по образцовому миллиамперметру установи ток в измерительной цепи, равный точно 1 мА. Сличи показания обоих приборов. Поскольку сопротивление провода резистора R 14 немного больше расчетного, стрелка градуируемого прибора уходит за конечное деление шкалы. Твоя задача, понемногу уменьшая длину провода этого резистора, добиться, чтобы стрелка градуируемого прибора установилась точно против конечной отметки шкалы.

После этого переходи к подгонке резистора R 15 на предел измерений до 3 мА, затем резистора R 16 на предел измерений до 10 мА и т. д. Подбирая сопротивление очередного резистора, уже подогнанные резисторы шунта не трогай — можешь сбить градуировку соответствующих им пределов измерений.

Шкалу вольтметра постоянных напряжений первых трех пределов измерений (0...1, 0...3 и 0...10 В) градуируй по схеме, показанной на рис. 42. Параллельно батарее GB , составленной из трех батарей 3336Л (последовательное соединение), подключи потенциометром переменный резистор Rp сопротивлением 1,5...2,5 кОм, а между его нижним (по схеме) выводом и движком включи параллельно соединенные образцовый PU 0 и градуируемый РUг вольтметры. Предварительно движок резистора поставь в крайнее нижнее (по схеме) положение, соответствующее нулевому напряжению, подаваемому к измерительным приборам, а градуируемый вольтметр включи на предел измерения до 1 В. Постепенно перемещая движок резистора вверх, подай на вольтметры напряжение, равное точно 1 В. Сличи показания приборов. Если стрелка градуируемого вольтметра не доходит до конечной отметки шкалы, значит, сопротивление резистора R 8 велико, если, наоборот, уходит за нее, значит, его сопротивление мало. Надо подобрать резистор такого сопротивления, чтобы при напряжении 1 В, фиксируемом образцовым вольтметром, стрелка градуируемого прибора устанавливалась против конечной отметки шкалы. Так же, но при напряжениях 3 и 10 В, подбери добавочные резисторы R 9 и RW следующих двух пределов измерений. По такой же схеме градуируй шкалы и остальных трех пределов измерений, но с использованием соответствующих им источников постоянных напряжений. При этом вовсе не обязательно подавать на приборы наибольшие напряжения пределов измерения. Подгонять сопротивления резисторов можно при каких-то средних напряжениях (например, резистор R 11 — при напряжении 15...20 В), а затем сверить показания вольтметров при более низких и более высоких напряжениях. Источником напряжений при градуировке шкалы предела до 300 В может быть выпрямитель лампового усилителя или приемника, конструированием которого ты, возможно, еще займешься. При этом резистор Rp должен быть Заменен резистором сопротивлением 470...510 кОм.

Среди постоянных резисторов, выпускаемых нашей промышленностью, обычно нет точно таких, номинальные сопротивления которых соответствовали бы расчетным сопротивлениям добавочных резисторов. Поэтому резисторы требуемого сопротивления приходится подбирать из числа резисторов близкого ему номинала с допуском отклонения не более ±5 %. Например, для предела измерений до 1 В нужен добавочный резистор (R 8) сопротивлением 4,2 кОм. По существующему ГОСТ ближайший номинал резисторов 4,3 кОм. При допуске ±5 % фактическое сопротивление резисторов этого номинала может быть от 4,1 до 4,5 кОм.

Добавочный резистор нужного сопротивления можно составить из двух-трех резисторов. Или поступить так: включить в цепь вольтметра резистор большего, чем требуется, сопротивления, а затем подключить параллельно ему резисторы еще больших сопротивлений, добиваясь отклонения стрелка градуируемого прибора на всю шкалу.

Шкалы миллиамперметра и вольтметра постоянного тока равномерные. Поэтому наносить на шкалу микроамперметра какие-либо деления между начальной и конечной отметками не следует. Оцифрованная шкала микроамперметра используется при измерении токов и напряжений всех пределов измерений. Изменится только цена ее делений в соответствии с установленным пределом измерений.

А вот шкала вольтметра переменного тока неравномерная. Поэтому кроме подгонки добавочного резистора под наибольший ток каждого предела измерений приходится размечать все промежуточные деления шкалы.

Электрическая схема измерительной цепи во время градуировки вольтметра переменного тока остается такой же, как при градуировке вольтметра постоянного тока (см. рис. 42). Только на переменный резистор Rр надо подавать переменное напряжение и образцовый прибор должен быть вольтметром переменного тока. Источником переменного напряжения может быть вторичная обмотка трансформатора или автотрансформатор.

Сначала, используя трансформатор, понижающий напряжение сети до 12...15 В, включи градуируемый вольтметр на предел измерений до 3 В и установи резистором rp по шкале образцового прибора напряжение 3 В. Затем, подбирая резистор R 1, добейся отклонения стрелки микроамперметра на всю шкалу. После этого регулировочным резистором устанавливай напряжения 2,9; 2,8; 2,7 и т. д. через каждые 0,1 В и записывай показания вольтметра. Позже по этим записям ты начертишь и разметишь шкалу вольтметра переменного напряжения всех пределов измерений.

Для градуировки шкалы на остальных пределах измерений достаточно подобрать добавочные резисторы, которые бы соответствовали отклонению стрелки микроамперметра до конечного деления шкалы. Промежуточные значения измеряемых напряжений следует отсчитывать по шкале первого предела, но в других единицах.

Шкалу омметра можно градуировать с помощью постоянных резисторов с допуском отклонения от номинала ±5 %. Делай это так. Сначала, включив прибор на измерение сопротивлений, замкни щупы и переменным резистором R 6 «Уст. О» установи стрелку микроамперметра на конечное деление шкалы, соответствующее нулю омметра. Затем, разомкнув щупы, подключай к омметру резисторы с номинальными сопротивлениями 50, 100, 200, 300, 400, 500 Ом, 1 кОм и т. д. примерно до 60... ...80 кОм, всякий раз замечая точку на шкале, до которой отклоняется стрелка прибора. И в этом случае резисторы нужных сопротивлений можно составлять из нескольких резисторов других номиналов. Чем больше сопротивление образцового резистора, тем на меньший угол отклоняется стрелка прибора. По точкам отклонеций стрелки, соответствующим разным сопротивлениям резисторов, ты будешь строить.шкалу омметра.

Образец шкал комбинированного измерительного прибора применительно к микроамперметру типа М24 показан на рис, 43. Верхняя дуга является шкалой омметра, средняя — шкалой миллиамперметра и вольтметра постоянного тока, нижняя — шкалой вольтметра переменного тока. Примерно так должны выглядеть шкалы и твоего прибора. Начерти их возможно точнее на листе ватмана и вырежь бумагу по форме шкалы микроамперметра. Затем осторожно вытащи магнитоэлектрическую систему прибора из корпуса и наклей на его металлическую шкалу вычерченную многопредельную шкалу твоего миляиампервольтомметра.

Пользуясь комбинированным измерительным прибором, не забывай о том, что его микроамперметр должен подключаться к универсальному шунту (выключателем S 1 «I-») только при измерении постоянного тока, а при всех других видах измерений он должен быть отключен от шунта.

Литература: Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. — М.: ДОСААФ, 1984. 144 с., ил. 55к.

Вольтметр — это прибор, который используется для измерения напряжения до 1000 В в сетях постоянного и переменного тока промышленной частоты и применяется в информационно-измерительных системах. Качественный вольтметр имеет чрезвычайно высокое, бесконечное сопротивление. Благодаря большому сопротивлению прибора достигается оптимальная точность измерения.

Прибор предназначен для логической и математической обработки измерений.

Виды вольтметров

Всего существует два вида вольтметров:

Если цифровые приборы характеризуются точностью показаний, то аналоговые (стрелочные) вольтметры могут реагировать на минимальные отклонения параметров, которые не определяются цифровым тестером.

Портативные (или переносные) вольтметры предназначены для проверки (тестирования) напряжения в сети. В большинстве случаев, этот прибор включается в конструкцию тестера. Бывают стрелочные или цифровые приборы, кроме измерения напряжения они измеряют токи нагрузки, температуры, сопротивление цепи и т. д.
Стационарные вольтметры устанавливаются на приборной панели в электрораспределительных щитах. Они предназначены для контроля работы оборудования. Стационарные вольтметры относятся к электромагнитному типу.

Классификация

Приборы отличаются принципом действия, бывают электронные и электромеханические.

По назначению приборы бывают импульсные, измеряющие сеть переменного и постоянного тока.

Как подключить вольтметр

Вольтметр включается в цепь параллельно источнику напряжения и нагрузке. Это делается, чтобы высокое сопротивление, которое используется в приборе, не оказывало влияния на показания. Ток, протекающий через прибор, должен быть минимальным.

Рис. №1. Схема подключения вольтметра в сеть.

Технические характеристики вольтметра

Вольтметр может нормально функционировать при температуре воздуха, не превышающей 25-30 ºС и относительной влажности до 80 % при атмосферном давлении 630-800 мм ртутного столба. Напряжение 220 В (частота до 400 Гц), частота сети 50 Гц. На измерение значительное влияние оказывает форма кривой напряжения питающей сети — синусоида, имеющая коэффициент гармоник max 5 %.

Возможности прибора оцениваются c помощью следующих показателей:

Сопротивление.
Предельные границы напряжения переменной цепи.
Диапазон измеряемых величин напряжения.
Класс точности измерений.

Принцип действия прибора

Основа работы вольтметра — метод аналогово-цифрового преобразования. Так, преобразователи, установленные в конструкции прибора В7-35, измеряют величину напряжения переменного и постоянного тока (а также сопротивление, силу тока), преобразуя измеряемую величину в нормализованное напряжение, а затем с использованием АЦП в цифровой код.

Функциональная схема цифрового тестера работает с использованием 4 преобразователей:

Масштабирующий преобразователь.
Преобразователь силы переменного и постоянного тока в напряжение.
Низкочастотный прибор, который преобразует напряжение переменного тока в постоянный.
Преобразователь сопротивления в напряжение.

Рис. №2. Схема цифрового вольтметра

Вольтметр переменного тока

Электронные широкополосные вольтметры, которые используются в сетях переменного тока, имеют конструктивные особенности и свойственную лишь им градуировку. Воздействие на измеряемую цепь зависит от входных параметров: входного активного сопротивления (Rв) (при этом оно должно быть наиболее высоким), емкости на входе (Cв) (она должна быть минимальной) и индуктивности (Lпр) (вместе с емкостью создается последовательный колебательный контур, который отличается своей резонансной частотой).

Рис. №3. Схема подключения вольтметра

Измерение сопротивления

Низкоомный вольтметр с сопротивлением max 15 Ом годится для измерения сопротивлений, которое выполняется с помощью формулы:

Rx = Rи * (U1/U2 - 1).

В формуле используется сопротивление Rв (вольтметра), и 1 и 2 показания прибора, точность измерения при этом не обязательно соответствует действительности, потому что замер не учитывает внутреннего сопротивления. Более точного результата можно достичь при использовании формулы:

Rx = (Rв + r) * (U1/U2 — 1), где r — внутреннее сопротивление.

При замере каждое следующее сопротивление должно быть большим и выполняться с записью каждого замера.

Чтобы узнать, какое напряжение показывает прибор, необходимо руководствоваться шкалой вольтметра и ценой деления. Она определяется по максимальному пределу замеряемого значения, разделенного на количество делений шкалы.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт ЭНИН

Направление подготовки: Электроэнергетика и электротехника

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И

ПОВЕРКА ВОЛЬТМЕТРА С ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

СИСТЕМОЙ

Отчет по лабораторной работе № 2

По дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация»

Студент(ы)

Руководитель

Томск -2016 г.

Цель работы: изучение принципа действия вольтметра с электромагнитной системой, символьных обозначений электроизмерительных приборов, освоение методики проведения проверки вольтметра.

Изучение основных символьных обозначений, наносимых на электроизмерительные приборы

Изучение принципа действия вольтметра с электромагнитной системой

Проведение проверки вольтметра

Принцип действия вольтметра

Приборы электромагнитной системы основаны на взаимодействии магнитного поля катушки с подвижным ферромагнитным сердечником. Конструкция электромагнитного прибора показана на рисунке 1.

Для создания вращающего момента используется силовое действие магнитного поля неподвижной катушки 8 на подвижный ферромагнитный сердечник 7, выполненный в форме плоского лепестка.

Под влиянием магнитного поля, созданного измеряемым током, магнитный сердечник 7 втягивается в цель катушки, поворачивая ось 1 с указательной стрелкой 3.

Электромагнитная энергия системы определяется выражением:

(1)

R v – сопротивление обмотки катушки.

Вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора

для неизменного тока, определяется выражением:

(2)

где L – индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника, U – измеряемое напряжение.

С осью сердечника скреплены стрелка и спиральная пружина, создающая противодействующий момент:

где k – коэффициент жесткости пружины.

Из условия равенства вращающего и противодействующего моментов следует:

(4)

Из уравнения (4) следует, что отклонение указателя пропорционально квадрату измеряемого напряжения, т.е. шкала не является линейной.

Чувствительность прибора S = dα / dU возрастает от начала к концу шкалы. Для получения более равномерной шкалы и примерно постоянной чувствительности форму ферромагнитного сердечника выбирают так, чтобы приращение индуктивности катушки на единицу угла α увеличить при малых значениях тока и уменьшить для токов, близких к номинальному значению.

Приборы этой системы пригодны для измерения как постоянного, так и переменного тока, однако, применяются в основном в цепях переменного тока с частотой до 10 кГц.

Порядок выполнения работы

Для экспериментального определения метрологических характеристик электромагнитного вольтметра необходимо собрать схему, приведенную на рис. 2.

Порядок сборки схемы экспериментальной цепи:

1. Повернуть регулятор автотрансформатора против часовой стрелки

до упора (установить на отметку 0 В).

2. Соединить проводником контакт К1 выхода автотрансформатора

с измерительным контактом вольтметра К3.1 панели «Приборы

магнитоэлектрические».

3. Соединить проводником контакт К2 выхода автотрансформатора

с измерительным контактом вольтметра К4.1 панели «Приборы

магнитоэлектрические».

Соединить контакт К3.2 вольтметра с контактом К1.1 Активной

5. Соединить контакт К4.2 вольтметра с контактом К2.1 Активной

нагрузки панели «Блок нагрузок».

6. Установить переключатель режима работы мультиметра в поло-

жение измерения переменного напряжения, предел измерения 200

В. Подключить гнездо 9 мультиметра (рис. 3) к общему измери-

тельному контакту К1.2 Активной нагрузки панели «Блок нагру-

7. Подключить гнездо 10 мультиметра (рис.3) к контакту К2.2 Ак-

тивной нагрузки панели «Блок нагрузок».

8. Включить электропитание лабораторной установки (установить

переключатели сетевых автоматов АВ1 и АВ2 вверх), включить

мультиметр.

9. Плавно поворачивая регулятор Автотрансформатора по часовой

стрелке, необходимо подобрать значение напряжения, при кото-

ром стрелка вольтметра установится напротив заданной отметки

шкалы в соответствии с вариантом.

Порядок обработки экспериментальных данных

Абсолютная погрешность для прямого и обратного хода соответ-

ственно вычисляется по формулам:

(5)

где Uпх– отсчет по рабочему эталону при увеличении показаний прибора (прямой ход); Uох – отсчет по рабочему эталону при уменьшении показаний прибора (обратный ход); Uпп – значение напряжения, соответствующее отметке шкалы.

Вариация прибора вычисляется по формуле:

Предел допускаемой абсолютной погрешности определяется по

(7)

Ответы на контрольные вопросы

Какие символьные обозначения наносятся на электроизмерительные приборы? Что они означают?

В чем заключается отличие магнитоэлектрических приборов от электромагнитных? Магнитоэлектрические приборы в отличие от электромагнитных бодрее чувствительны к перегрузкам.

Что называется вариацией измерительного прибора? Вариация измерительного прибора - наибольшая, находимая экспериментально, разность между повторными показаниями измерительного прибора, соответствующими одному и тому же значению измеряемой приборам величины, при неизменных внешних условиях.

Чувствительность прибора - под этим термином подразумевают отношение линейного углового перемещения указателя к изменению измеряемой величины вызвавшей это перемещение. Чувствительность характеризует способность измерительного прибора измерять малые сигналы.