Демонстраційні аналогові вимірювальні прилади
Робота № 3. ДЕМОНСТРАЦІЙНІ АНАЛОГОВІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ
Мета роботи. Познайомитися з будовою й дією шкільних демонстраційних аналогових електровимірювальній приладів та оволодіти навиками їх застосування в навчальному фізичному експерименті.
Загальний опис приладів
За формою представлення показів електровимірювальи прилади поділяють на аналогові та цифрові.
Аналоговий вимірювальний прилад - це вимірювальний прилад, покази якого або вихідний сигнал є неперервною функцією зміни вимірюваної величини.
За конструкцією та способом індикації значені вимірюваної величини вони поділяються на електромеханічні стрілкові, які здійснюють безпосередній відлік величини, та електронні. Останні можуть мати стрілкові, найчастіше магнітоелектричної системи, вимірювальні системи, або електронні із світлодіодними індикаторами.
Загальна схема аналогового універсального приладу розрахованого на вимірювання як змінної, так і постійна напруги (сили струму), показана на мал. 22.
Аналогові прилади із стрілкою, як правило, не мають підсилювачів постійного струму. Для вимірювання змінної напруги аналогові прилади магнітоелектричних систем та електронні прилади мають перетворювач (випрямляч).
АМПЕРВОЛЬТМЕТР ДЕМОНСТРАЦІЙНИЙ СТРІЛКОВИЙ
Призначення приладу
Ампервольтметр із гальванометром (мал. 23) є багатофункціональним електровимірювальним приладом. Застосовується для визначення значень сили постійного та змінного струму, постійної та змінної напруги, а також як чутливий гальванометр для виявлення електричного струму в колах і визначення його напрямку. Використовується для проведення демонстраційних дослідів з фізики. Прилад експлуатується в умовах типового кабінету фізики загальноосвітньої школи.
Короткий опис
Електровимірювальний механізм приладу магнітоелектричної системи змонтований у прямокутному вертикальному корпусі з пластмаси. Усередині корпуса знаходяться також напівпровідниковий випрямляч, шунти, додаткові опори й перемикач режимів роботи.
Передня панель корпусу має прозоре вікно, крізь яке видно стрілку й матову задню панель зі шкалою. Задня панель може зніматися. Шкали нанесені на двох поверхнях панелі. З однієї сторони нанесена шкала гальванометра. Її особливість у тім, що нульовий штрих розташований посередині. По обидві сторони від нульового штриха - по десять поділок. Крайні оцифровані штрихи мають позначки "-500" і "+500". Чутливість гальванометра складає 50 мкА/под.
На іншій стороні панелі нанесена рівномірна шкала з верхньою і нижньою оцифровками. Її використовують при вимірюваннях сил струмів і напруг в колах постійного і змінного струму. Кожен п’ятий штрих шкали оцифрований. Межі оцифровки верхньої шкали 0...10. Ціна поділки шкали при цьому складає 0,4 значення вимірюваної напруги чи струму. Нижня оцифровка має межі 0...5. Ціна поділки шкали при цьому складає 0,2.
На передню панель виведена ручка перемикача режиму роботи й меж вимірювань та чотири гнізда для вмикання приладу в електричне коло. Гнізда, позначені знаками "-" і "+" використовуються для вимірювання напруг, а також сили постійного та змінного струму в межах 0...1 А; 0...100 мА. Для вимірювання сили постійного та змінного струмів значенням до 5 А використовують гнізда відповідно "-", "5 А=" і "-","5 А~". Необхідний режим роботи встановлюється повертанням ручки перемикача, розміщеної на правій стороні нижньої частини передньої панелі.
У нижній частині задньої поверхні корпуса знаходить» ручка коректора стрілки й ніша для зберігання з’єднувальних провідників. Ніша закрита кришкою із засувкою.
Похибка вимірювань ампервольтметра не перевищує 2,5% від верхньої межі шкали.
Технічні характеристики
| № | Параметр | Значення параметра |
|---|---|---|
| 1 | Клас точності приладу | 2,5 |
| 2 | Межі вимірювання в режимі гальванометра, мкА | 0±500 |
| 3 | Діапазони вимірювання сили струму (постійного), мА | 0-10; 0-100 ; 0-5000 |
| 4 | Діапазони вимірювання сили струму (змінного), мА | 0-10; 0-100; 0-5000 |
| 5 | Діапазони вимірювання постійної напруги, В | 0-10; 0-50; 0-250 |
| 6 | Діапазони вимірювання змінної напруги, В | 0-10; 0-50; 0-250 |
| 7 | Внутрішній опір гальванометра, Ом | 510 |
АМПЕРМЕТР ТА ВОЛЬТМЕТР ВГ ДЕМОНСТРАЦІЙНІ (НАВЧАПЬНИЙ)
Для проведення електричних вимірювань в демонстраційних дослідах використовуються демонстраційні амперметри вольтметри попередніх років випуску. Конструктивно вони оформлені однаково і мають однаковий дизайн (мал. 24).
Конструктивно прилади складаються з вимірювального механзіму магнітоелектричної системи, змінних шкал, напівпровідникового випрямляча, змінюваних додаткових опорів до вольтметра або змінюваних шунтів до амперметра. Змонтовані прилади у пластмасових футлярах із заскленими лицьовими й тильними сторонами. Це дозволяє бачити учням шкалу стрілку і вимірювальний механізм.
У нижній частині лицьового боку кожного з приладів установлено п’ять клем. Три верхні клеми (одного кольору) використовуються для вимірювання напруг чи сил струмів у колах змінного (ліва "~" та середня) та у колах постійного стуміа (середня та права "+"). Якщо вимірювані сили струмів і напруг перевищують межі вимірювання гальванометрів (0,0005 А для амперметра і 0,02 В для вольтметра), до цих клем підключають необхідні шунти чи додаткові опори. Між двома нижніми клемами нанесено напис: "Гальванометр". Кожен з приладів має три набори шкал, що відповідають п’яти межам вимірювань, які можуть бути виконані за допомогою кожного приладу. Робоча шкала вставляється в перший паз на кришці приладу. Інші дві зберігаються у двох інших пазах. На верхніх планках шкал є позначення "Г" - гальванометр, "-" постійний, "~" змінний струм, які відповідають обраному режиму робот приладу. На задній стінці розташована головка коректора, за допомогою якої можна встановити стрілку у вихідне нульове положення. У нижній частині корпуса є висувний ящик для збереження додаткових опорів та шунтів.
Будова й принцип дії амперметра
Принципова електрична схема амперметра показана на мал. 25. Рамка його вимірювального механізму має 500 витків мідного дроту (ПЕВ або ПЕЛ) діаметром 0,05 мм. Шунти амперметра спільні як для змінного, так і для постійного струмів. Вимірювальний механізм приладу в режимі амперметра є по суті мілівольтметром з межею вимірювання напруги 700 мВ (0,7 В) постійного струму. Додатковий опір для вимірювань в колах постійного струму складається з постійного резистора R1=1,2 кОм і дротяного налагоджувального резистора та резистора для регулювання приладу для роботи в режимі змінного струму.
Резистор підбирається при регулюванні приладу в заводських умовах. Діод VD1 служить для випрямлення струму при вимірюванні сили струму в колах змінного струму. Шунти на 3 А або 10 А встановлюються на верхніх клемах (права й середня або ліва й середня), залежно від меж вимірювання і виду вимірюваного струму (постійного чи змінного). У зв’язку з нерівномірністю характеристики напівпровідникового випрямляча, робоча частина шкал змінного струму для межі 3 А починається з 1 А, а шкала 10 А - з 3 А.
Технічні характеристики амперметра
Без встановлених шунтів амперметр демонстраційний є гальванометром з такими характеристиками:
- чутливість (ціна поділки) - Сг = 0,00005 А, (для кожного приладу значення його чутливості і внутрішнього опору вказані на шкалі гальванометра)
- внутрішній опір - Rг = 385 Ом.
З приєднаним шунтом прилад є амперметром постійного або змінного струму з межами 0-3 А і 0-10 А залежно від встановленого шунта.
ПАМ'ЯТАЙТЕ! Якщо шунти не встановлені, амперметр демонстраційний є ГАЛЬВАНОМЕТРОМ незалежно від того, яка шкала є робочою!
Будова й принцип дії вольтметра
Принципова схема вольтметра показана на мал. 26. Рамка вимірювального механізму вольтметра намотана мідним дротом (ПЕВ, ПЕЛ) діаметром 0,23 мм (40 витків). При вимірюванні постійної напруги струм проходить безпосередньо через рамку приладу. При вимірюванні змінної напруги струм випрямляється за допомогою напівпровідникового діода VD1.
У робочий півперіод випрямлений (однопівперіодний) струм проходить через рамку приладу. У неробочий півперіод струм проходить мимо рамки через діод VD2. Це зроблено для того, щоб діод VD1 у неробочий півперіод не перебував під дією високої напруги (щоб запобігти його пробою).
Технічні характеристики
Без додаткових опорів вольтметр демонстраційний є гальванометром, який має:
- чутливість (ціна поділки) - Сгв=0,002 В/под;
- внутрішній опір Rг=2,3 Ом.
З додатковим опором (у комплект входять два додаткої опори на 5 В і 15 В для вимірювання напруг постійного струму два додаткові опори на 15 В і 250 В для вимірювання напру змінного струму) прилад може служити вольтметром постійні або змінної напруги з межами:
- для вимірювання постійної напруги 0...5 В або 0...15 В;
- для вимірювання змінної напруги 0...15 В або 0...250 В.
ВИМІРЮВАЧІ ЕЛЕКТРОННІ АНАЛОГОВІ ИД-2 ТА ИД-2/1
Загальна характеристика
Вимірювачі електронні аналогові ИД-2 і ИД-2/1 призна чені для використання в демонстраційних дослідах, пов’язаних вимірюванням електричних величин. Вимірювачі можуть також використовуватися при організації лабораторних робіт, регулюванні, ремонті й обслуговуванні електроапаратури.
Будова та принцип дії
Вимірювачі ИД-2 і ИД-2/1 складаються з електронного блоку та панелі індикації (мал. 27). Електронний блок розміщений у пластмасовому корпусі, в якому встановлені джерело живлення, перетворювачі (струм - напруга, опір - напруга та ін.), подільник, нормуючі підсилювачі. Результати вимірювання виводяться на панель індикації вимірювального пристрою, яка складається із лінійки світлодіодів та мікроконтроллера зі вбудованим аналого-цифровим перетворювачем, який керує світлодіодами. На лицьовій стороні панелі нанесена шкала. Передбачені також змінні шкали з "0" зліва, посередині та справа.
Основні технічні характеристики
| № | Параметр | Значення параметра |
|---|---|---|
| 1 | Клас точності приладу | 2,5 |
| 2 | Діапазон вимірювання напруги постійного струму, В | 0,01...1000 |
| 3 | Діапазони вимірювання сили струму (постійного), мкА | 0,001...100 |
| 4 | Частота змінної напруги живлення, Гц | 50±0,8% |
| 5 | Напруга живлення, В | 220±10% |
Заходи безпеки
Забороняється вмикати прилад у кола з напругами й силами струмів, які перевищують установлені межі. При вмиканні в кола постійного струму необхідно дотримуватися полярності ввімкнення. Зміни в колах потрібно виконувати лише при вимкнутих джерелах живлення.
Підготовка до роботи
1. За поданим вище описом та заводськими паспортами на прилади ознайомитися з будовою та принципом дії приладів, які використовуються в даній роботі.
2. Записати основні технічні характеристики й вимоги щодо їх експлуатації.
3. Користуючись програмами та підручниками з фізики для середньої школи, з’ясувати, при вивченні яких тем можуть бути використані дані прилади.
4. Дати відповіді на запитання.
- Який принцип дії приладів магнітоелектричної системи?
- Як працюють прилади електромагнітної системи?
- Як можна використати прилад магнітоелектричної системи для вимірювання змінного струму?
- Як за зовнішнім виглядом, позначками на шкалі визначити систему приладу?
- Як визначити межі вимірювання, ціну поділки приладу?
- Що таке інструментальна похибка вимірювального приладу! Чим вона визначається?
- Як визначити клас точності аналогового приладу?
- Як визначити інструментальну похибку вимірювання?
- Як розрахувати шунт до амперметра, додатковий опір до вольтметра.
- У яких випадках використання аналогових приладів ефективініше, ніж цифрових?
- Запропонуйте схему використання вольтметра (амперметра) для вимірювання опору. Укажіть діапазон значень вимірюваних опорів для запропонованої схеми приладу.
5. Обрати досяжний для себе заліковий рівень завдання, згідно графіка відібрати демонстрації і ознайомитися з їх описом.
6. Ознайомитися за підручниками з фізики для середньої школи її поясненням до відібраних дослідів та скласти конспект демонстрацій.
| Заліковий рівень | № досліду | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | ||||
| Низький | X | X | |||||
| Середній | X | X | X | ||||
| Високий | X | X | X | X | |||
7. Відмітити особливості техніки використання приладів згідно з питаннями для самоконтролю й звітності.
ВИКОНАННЯ РОБОТИ
Дослід 3-1. Застосування демонстраційних стрілкових (аналогових) приладів як гальванометрів
Обладнання. Амперметр і вольтметр демонстраційні, котушка 120/220 В універсального трансформатора, гнучкий провідник в ізоляції довжиною біля 1 м, термо-резистор опором 10... 12 кОм, фоторезистор з темновим опором біля 10 кОм, напівпровідниковий фотоелемент, підковоподібний магніт, з’єднувальні провідники.
Підготовка та проведення дослідів
1. Ознайомитися з будовою приладів, перевірити наявність шунтів та додаткових опорів.
2. Підготувати прилади, скласти установку й продемонструвати явище виникнення індукційного струму в котушці при введенні-виведенні магніту. Використати спочатку гальванометр амперметра, а потім гальванометр вольтметра. Порівняти ефективність демонстрації при використанні різних приладів.
3. Використавши довгий гнучкий провідник з’ясувати можливість проведення демонстрації виникнення ЕРС індукції при русі провідника в магнітному полі. З’ясувати, із скількох витків має складатися контур при використанні гальванометра-вольтметра та гальванометра амперметра, щоб коливання стрілок приладів можна було помітити.
4. Зібрати установку за схемою, зобраною на мал. 28 та продемонструвати дію напівпровідникового фотоелемента, користуючись спочатку гальванометром від амперметра, а потім від вольтметра. Порівняти результати.
5. Зібрати установку, схема якої показана на мал. 29, продемонструвати зміну опору напівпровідникового фоторезистора при освітленні, користуючись спочатку гальванометром від амперметра, а потім - від вольтметра. Порівняти результати.
Дослід 3-2. Застосування демонстраційних стрілкових аналогових приладів для вимірювання сили струму і напруги у колах постійного та змінного струму
Обладнання. Амперметр і вольтметр демонстраційні, реостат або демонстраційний магазин опорів, лампочкя розжарення 6...12 В з номінальною силою струму 1,5...2 А на підставці, лампочка 3,5 В (номінальна сила струму близько 0,3 А) на підставці, з’єднувальні провідники, джерело струму з регульованими вихідними напругами 0...15 постійного та змінного струму за сили струму менше З А.
Підготовка та проведення дослідів
1. Підготувати прилади для зняття вольт-амперної характеристики однієї з ламп розжарення. Скласти коло для зняття вольт-амперної характеристики низьковольтної лампочки розжарення. Попередньо вивівши регулятор напруги джерела струму на "0" і поступово збільшуючи напругу на лампочці до номінального значення, зняти її вольт-амперну характеристику. Порівняти одержане значення сили струму за номінальної напруги із значенням номінальної сили струму зазначеної на лампочці. Визначити номінальну потужність та опір лампочки. Результати експерименту занести в таблицю
2. Підготувати прилади й повторити дослід з використанням джерела змінної напруги.
3. Підготувати прилади й провести такі самі досліди із лампочкою на 3,5 В. Зробити висновок щодо точності вимірювань сили струму й напруги в першому й другому випадках. Яка межа вимірювання амперметра була б зручною для проведення дослідів з лампочкою на 3,5 В, і номінальною силою струму до 0,3 А?
Дослід 3-3. Застосування демонстраційного електронного аналогового приладу для вимірювання сили струму та напруги
Обладнання. Аналоговий електронний прилад для вимірювання електричних величин та обладнання, яке використовувалося в попередніх дослідах.
Підготовка та проведення дослідів
1. Ознайомитися з будовою приладу. Встановити можливі межі вимірюваних напруг, сил струмів, опорів.
2. Підготувати прилади й провести ті ж досліди, які проводилися зі стрілковими приладами. Скласти таблицю й занести в неї отримані результати. Порівняти результати вимірювань різними приладами й оцінити ефективність їх використання для постановки дослідів.
Дослід 3-4. Застосування електронного аналогового приладу для вимірювання опору провідників
Обладнання. Аналоговий електронний прилад для вимірювання електричних величин, реостат, набір резисторів.
Підготовка та проведення дослідів
1. За паспортом (технічним описом) приладу підготувати його до вимірювання опорів провідників.
2. Виміряти опори резисторів із запропонованого набору. Записати та порівняти значення опорів резисторів, зазначені на маркуванні та одержані при вимірюванні приладом.
3. Визначити опори резисторів, встановлених на реостаті при 3...4-х різних положеннях повзунка. Записати результати вимірювань.
|
Самоконтроль і звітність 1. Дати відповіді на запитання:
2. Виконати творче завдання, запропоноване викладачем. |
