Способы, датчики и приборы используемы для измерения заданной величины.

Министерство образования Российской Федерации

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра «Техническая эксплуатация и ремонт автомобиля»

 

 

СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Основы научных исследований»

Тема: Электрическое активное сопротивление

 Вариант № 63

 

 

Студент: Ветров Алексей Семёнович

Группа: АТ-314

Направление: 5521 «Эксплуатация транспортных средств»

Преподаватель: Зотов Николай Михайлович

Дата сдачи на проверку:_______

Роспись студента:_______

Волгоград 2004 г.

Содержание.

1. Характеристика заданной физической величины и её применение…………………………………………………….3

2. Способы, датчики и приборы используемы для измерения заданной величины……………………………..4

· Мост Уитстона ……………………………………………………………… 5

· Омметры……………………………………………………….6

· Измерение сопротивлений способом вольтметра и амперметра…………………………………………………….8

3. Список используемой литературы………………………..10

Характеристика заданной физической величины и

Её применение.

Активным, или резистивным, сопротивлением обладает элемент цепи, в котором происходит необратимый процесс превращения электрической энергии в тепловую. Активное сопротивление является параметром резистивного элемента в цепи переменного тока. Сопротивление одного и того же повода переменному току (э.д.с. самоиндукции можно пренебречь) несколько больше, чем постоянному току, т.е. R a > R ст, что обусловлено явлением поверхностного эффекта. Условно активное сопротивление (как и статическое) обозначается буквами R, r, а на на электрических схемах замещения резистивный элемент изображается в виде вытянутого прямоугольника.

Явление поверхностного эффекта физически можно объяснить (по предложению В. Ф. Миткевича) следующим образом. Цилиндрический проводник сечением S с переменным током i упрощённо можно представить себе собранным из n полых цилиндров с одинаковой площадью поперечного сечения S o. Предположим, что ток каждого из цилиндров i = i / n создаёт вокруг своего цилиндра по одной магнитной линии. В результате наружный слой проводника будет сцеплен с магнитной линией только своего тока, а каждый последующий в направление к оси – со своей и другими внешними линиями. Наибольшим числом силовых линий окружена сердцевина проводника. Поскольку магнитное поле переменное, в полых цилиндрах будут индуцироваться разные э.д.с. и они будут иметь различные индуктивные сопротивления: наибольшее – внутренний цилиндр, наименьшее – внешний. Это приводит к тому, что плотность переменного тока в сечении провода не постоянная – в сердцевине минимальная и постепенно увеличивается к наружным слоям.

  В результате радиального вытеснения переменного тока из внутренних слоёв провода в наружные полезное сечение провода данному току как бы уменьшается, а его сопротивление увеличивается. Соответственно увеличиваются и потери энергии на нагрев провода. При высоких частотах переменного тока электроны вытесняются из проводника даже наружу – провод излучает часть своей энергии в виде оранжево- голубого свечения. По этой причине мощные КЛ современных электропечей выполняются полыми кабелями, а ВЛ – сталеалюминевыми проводами; наружный проводящий слой последних делается из алюминия, внутренний – в виде стального троса для придания проводу механической прочности.

  Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока, активное сопротивление приёмника электроэнергии определяется мощностью Р и действующим переменным током I:

                                                                                                     

R = P / I²,         (1)

 

Явление поверхностного эффекта в проводнике характеризуется коэффициентом поверхностного эффекта:

 

k=R/R ст, (2)

значение которого находится в прямой зависимости от диаметра d, удельной теплоёмкости v, абсолютной магнитной проницаемости m a  материала провода и частоты переменного тока f:

                                                      ____

k = φ (d √ vμ a f).                (3)

 

 Активное сопротивлении медных и алюминиевых проводов  небольшого диаметра (до 10 мм) при частоте переменного тока 50 Гц незначительно превышает статистическое(для них k немного больше единицы), но существенно больше его в стальных проводах с большой магнитной проницаемостью m a.

К преемникам электроэнергии имеющим практически только активное сопротивление относятся лампы накаливания, резисторы, реостаты, нагревательные приборы, электрические печи сопротивления и бифилярные (безреактивные) катушки, индуктивностью и емкостью которых ввиду их малости можно пренебречь. Таким образом, в автомобилях электрическое активное сопротивление можно встретить в лампах накаливания осветительных элементов, а также в электрооборудовании в которых применяются резисторы. 

Лампа накаливания электрическая, источник света, в котором преобразование электрической энергии в световую происходит в результате накаливания электрическим током тугоплавкого проводника. Для автомобилей  напряжения ламп накаливания равно напряжению бортовой сети 12В;24В. Кратковременное включение на напряжение, превышающее номинальное на 15%. выводит лампу из строя. Срок службы до 1000 ч и более, поэтому лампы должны устанавливаться в местах, обеспечивающих лёгкость их замены. Световая отдача Л. н. зависит от конструкции, напряжения, мощности и продолжительности горения и составляет 10-35 лм/Вт.

   Резистор (англ. resistor, от лат. resisto - сопротивляюсь), структурный элемент электрической цепи, основное функциональное назначение которого оказывать известное (номинальное) сопротивление электрическому току с целью регулирования тока и напряжения. В радиоэлектронных устройствах Р. нередко составляют более половины (до 80%) всех деталей. Некоторые Р. применяют в качестве электрических нагревательных элементов. Выпускаемые промышленностью Р. различаются по величине сопротивления (от 1 ома до 10 Мом), допустимым отклонениям от номинальных значений сопротивления (от 0,25 до 20%) и рассеиваемой мощности (от 0,01 до 150 вт).

 

 

Способы, датчики и приборы используемы для измерения заданной величины.

    В основу любого измерения сопротивления положен закон Ома:

 

R = U/I.                (4)

 

     Исходя из этого можно определить величину сопротивления R, пропуская известный ток I через резистор, сопротивление которого подлежит измерению, и измеряя падение напряжения на нём.

    Практически удобнее и точнее измерить сопротивление при помощи моста Уитстона (рис.1). Источник постоянного на­пряжения питает две ветви Rx, Rn и R 1, Р 2 схемы моста. Измеряемое сопротивление Rx можно сравнить с сопротивлением Rn эта­лонного резистора изменением отношения R 1 / R 2 до тех пор, пока показание нуль- гальванометра G не станет равным нулю.

 

Рис. 1. Мост Уитстона для измерения сопро­тивлений.

 

При этом

Ux/Un=Rx/Rn=U 1 /U 2 =R 1 /R 2 и  Rx=RnR 1 /R 2    (5)

   Если Rx очень мало (в пределах 1 Ом— 10 мкОм), то переходные сопротивления сравнимы с измеряемым сопротивлением и вносят значительную погрешность в ре­зультат измерения. В этом случае применя­ют несколько более сложный мост Томсона, который также прост в эксплуатации.

   Мосты Уитстона и Томсона в простом и удобном для пользования исполнении обес­печивают точность измерения порядка 1%; точность лабораторных мостов прецизион­ного исполнения достигает 10E-6 и выше. Измерительные мосты упомянутого типа могут быть выполнены с автоматическим уравновешиванием, т. е. в виде так называ­емых автоматических мостов, в которых ток I G в гальванометре вызывает срабаты­вание реверсивного двигателя, изменяюще­го отношение R 1 / R 2 до тех пор, пока оно не станет равным нулю. Такой мост может быть выполнен в виде стрелочного и циф­рового измерительного прибора, непосред­ственно определяющего Rx.

   Для приближенного измерения сопротив­лений с точностью в несколько процентов применяют омметры с прямым отсчетом. Они осуществляют измерение на основе упомянутой выше зависимости между то­ком и напряжением и прямо показывают при помощи логометра (значение) R = U / I. Согласно другому способу при известном напряжении измеряют ток, причем шкалу градуируют непосредственно в омах. Ом­метры этого типа встраивают в универсаль­ные (многопредельные) приборы для изме­рения тока и напряжения.

 

Омметры.

 

   Электронные омметры (подгруппа Е6) широко используются для измерения активных сопротивлений в диапазоне 10Е-4 - 10Е12 Ом при из­мерении сопротивлений резисторов, изоляции, контактов, поверхностных и объемных сопротивлений и в других случаях.

   В основе большинства электронных омметров лежат достаточно простые схемы, которые приведены на рис. 2.

Если в схемах, представленных на рис. 2, исполь­зовать магнито-

Рис. 2, Последовательная (а) и параллель­ная (б) схемы омметров

 

электрический измерительный механизм, то при соб­людении условия U = Const показания будут определяться значе­нием измеряемого сопротивления Rx. Следовательно, шкала может быть отградуирована в единицах сопротивления.

Для последовательной схемы включения Rx (рис. 2, а)

α= SU / R + Rx;                                   (6)

 

а для параллельной схемы включения Rx (рис. 2, б)

a= SU*Rx/(RRx+R Д (R+Rx);          (7)

 

где   S = Bsw / W - чувствительность магнитоэлектрического измери­тельного механизма.

   Так как все значения величин в правой части уравнений (6) и (7), кроме Rx, постоянны, то угол отклонения определяется значением Rx. Такой прибор называется омметром. Из выражений (6) и (7) следует, что шкалы омметров при обеих схемах вклю­чения неравномерны. В последовательной схеме включения в отли­чие от параллельной, нуль шкалы совмещен с максимальным углом поворота подвижной части. Омметры с последовательной схемой соединения более пригодны для измерения больших сопротивлений, а с параллельной схемой — малых. Обычно омметры выполняют в виде переносных приборов классов точности 1,5 и 2,5. В качестве источника питания применяют сухую батарею.

    С течением времени напряжение батареи падает, т. е. условие U = const не выполняется. Вместо этого, трудно выполнимого на практике условия, поддерживается постоянным значение произ­ведения ВU = const, а следовательно, и SU == const. Для этого в магнитную систему прибора встраивается магнитный шунт в виде ферромагнитной пластинки переменного сечения, шунтирующей ра­бочий воздушный зазор. Пластинку можно перемещать с помощью ручки, выведенной на переднюю панель. При перемещении шунта меняется магнитная индукция В.

    Для регулировки омметра с последовательной схемой включения перед измерением замыкают накоротко его зажимы с надписью «Rx», и в том случае, если стрелка не устанавливается на отметке «О», перемещают ее до этой отметки с помощью — шунта. Регулировка омметра с параллельной схемой включения производится при отключен­ном резисторе Rx. Вращением рукоятки шунта указатель устанавливают на  отмётку шкалы соответствующую значению Rx= ∞.

     Необходимость установки нуля является крупным недостатком рассмотренных омметров. Этого недостатка нет у омметров с магнито­электрическим логометром.

Схема включения логометра в омметре пред­ставлена на рис. 3. В этой схеме 1 и 2— рамки логометра, обладающие сопротивлениями R 1 и R 2; R н и R Д — добавочные резисторы, постоянно включен­ные в схему. Так как

 

I 1 =U/(R 1 +R н); I 2 =U/(R 2 +R Д +Rx),      (8)

  Тогда

 

a= F((R 2 +R Д +Rx)/(R 1 +R н),                 (9)

 

т. е. угол отклонения определяется значением Rx и не зависит от напряжения U.

Рис. 3. Схема включения логомет­ра в омметре.

 

Конструктивно омметры с логометром выполняют весьма разно образно в зависимости от требуемого предела измерения, назначения (щитовой или переносный прибор) и т. п.

   Точность омметров при линейной шкале характеризуется приве­денной погрешностью по отношению к пределу измерения. При нелиней­ной (гиперболической) шкале погрешности прибора характеризуются. также приведенной погрешностью, %, но по отношению к длине шкалы, выраженной в миллиметрах, т. е; γ=(∆ l / l шк) 100.

       В СССР выпускается несколько типов электронных омметров. Ом­метры типов Е6-12, Е6-15 имеют структурные схемы, близкие к схемам, приведенным на рис. 2б. Пределы измерения 0,001—0,003... 100 Ом, приведенная погрешность 1,5—2,5%. Омметры типов E6-1Q, Е6-13 име­ют структурную схему, приведенную на рис. 2а. Пределы измерения 100—300—1000 Ом; 3—10...1000 кОм; 1—3...10⁷ МОм; γ= 1.5; 2.5%.

 

 

Измерение сопротивлений способом вольтметра и амперметра.

 

Pис. 4 а и б. Эти способы могут быть применены для измерения различных по значению сопротивлений. Достоинство этих схем заключается в том, что по резистору с измеряемым сопротивлением можно пропускать такой же ток, как и в условиях его работы, что очень важно при измерениях сопротивлений, значения которых зави­сят от тока.

Рис. 4. Измерение сопротивлений вольтметром -и ам­перметром.                           |

  Измерение сопротивления амперметром и вольтметром основано на использовании закона Ома. Однако если собрать схемы, пока­занные на рис. 4, и установить в цепи измеряемого сопротивления требуемый условиями его работы ток, то, отсчитав одновременно показания вольтметра V и амперметра А, а затем разделив первое на второе, получим лишь приближенное значение измеряемого сопротивления

 

R’x= U/I.                                (10)

 

Действительное значение сопротивления Rx определится сле­дующими выражениями:

для схемы рис. 4, а

Rx=U/Ix=U/(I-Iv)=U/(I-U/Rv); (11)_

 

для схемы рис. 4, б

 

Rx = (U - IxRa)/ Ix.                   (12)

 

  Как видно из выражений (11) и (12), при подсчете искомого сопротивления по приближенной формуле (10) возникает погреш­ность. При измерении по схеме рис. 4, а погрешность получается за счет того, что амперметр учитывает не только ток Ix проходящий через резистор с изменяемым сопротивлением Rx но и ток Iv,ответвляющийся в вольтметр.

  При измерении по схеме рис. 4,б погрешность появляется из-за того, что вольтметр кроме напряжения на резисторе с измеряемым сопротивлением учитывает также значение падения напряжения на амперметре.

  Поскольку в практике измерений этим способом подсчет сопро­тивлений часто производится по приближенной формуле (4), то необходимо знать, какую схему следует выбрать для того, чтобы погрешность была минимальна.

  Для схемы рис. 4, а относительная погрешность (в процентах)

 

β =(R ’ x - Rx)/ Rx =(- Rx /(Rx + Rv))*100           (13)

a для схемы рис. 4, б

 

β= (R’x-Rx)/Rx=(Ra/Rx)*100                       (14)

 

Как видно из выражений (13) и (14), пользоваться схемой рис. 4а следует в тех случаях, когда сопротивление Rv вольт метра велико по сравнению с измеряемым сопротивлением Rx, а схемой рис. 4б — когда сопротивление амперметра Ra мало по сравнению с измеряемым сопротивлением. Обычно схему рис. 4a, целесообразнее применять для измерения малых сопротивлении, а схему рис. 4б — больших.

 

Список используемой литературы.

 

 

1. Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин – М.: Высшая школа, 1982.

2. Левшина Е. С., Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин: - Л.: Энергоавтомиздат. 1983.

3. Соловьёв В. А. Основы измерительной техники. – Л.: Изд-во Ленинградского Ун-та 1980.

4. Тер-Хататуров А. а. Алиев Т. М. Измерительная техника: Учебное пособие для техн. вузов – М.: Высшая школа, 1991.

5. Электрические измерения / Под ред. В. Н. Малиновского –М.: Энергоатомиздат, 1987.  

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: