Вступне заняття № 2

ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ

Фізичними називають величини, які кількісно характеризують фізичні явища (маса, час, тиск, довжина тощо). Точно визначити величину можна шляхом її вимірювання.

Для вимірювання фізичних величин використовують різні вимірювальні прилади. В таблиці наведені приклади механічних приладів для вимірювання деяких фізичних величин.

Фізична величина	Вимірювальний прилад
Маса	Важільні терези
Сила, вага	Пружинні терези (динамометр)
Довжина	Штангенциркуль, мікрометр
Час	Годинник (секундомір)
Тиск	Манометр

Будова і принцип дії використовуваних приладів приводяться в лабораторних роботах. Тут же розглянемо будову і принцип дії штангенциркуля та мікрометра, що використовуються в багатьох роботах для вимірювання лінійних геометричних розмірів тіл з великою точністю.

Штангенциркуль (рис. 1) дає можливість вимірювати лінійні розміри з точністю до 0,1 (0,05) мм. За його допомогою можна вимірювати довжину різних геометричних тіл, зовнішній і внутрішній діаметр циліндрів, глибину отворів тощо.

Штангенциркуль складається із нерухомої лінійки – штанги (Ш) з нанесеними на ній міліметровими поділками і повзунка Д, що ковзається по ній. На повзунку нанесена невелика шкала – ноніус Н з десятьма або двадцятьма поділками.

Ноніусом називають додаткову лінійку, яку використовують разом з основною (масштабною) для визначення десятих і сотих долей міліметра.

Розглянемо ноніусну шкалу з десятьма поділками. Ці поділки розподілені наступним чином: наноситься два штрихи, відстань між якими дорівнює 9 мм. Цю відстань ділять на десять рівних частин і довжина кожної поділки ноніусної шкали дорівнює 0,9 мм, а різниця між однією поділкою основної і однією поділкою ноніусної шкал становить 0,1 мм. Це число називають точністю ноніуса.

Повзунок (Д) з ноніусною шкалою (Н) має рухому ніжку штангенциркуля БF. Ця ніжка, разом з ноніусом (Н), може рухатися вздовж штанги (Ш), що закінчується нерухомою ніжкою (АЕ). Коли рухома ніжка (БF) впритул підведена до нерухомої (АЕ), нульова поділка ноніуса співпадає з нульовою поділкою нерухомої лінійки. Тіло, лінійний розмір якого визначають, розміщують між нерухомою і рухомою ніжками, відводячи останню на відповідну відстань (тіло затиснуте між рухомою та нерухомою ніжками). Після цього відраховують кількість цілих міліметрів m на нерухомій шкалі до нуля ноніусної шкали. Кількість десятих долей міліметра дорівнює значенню тієї поділки ноніусної шкали, яка співпадає з будь-якою поділкою нерухомої лінійки. Таким чином визначають чисельне значення цілих міліметрів і десятих долей міліметра між рухомою і нерухомою ніжками, тобто лінійний розмір тіла l, розміщеного між рухомою і нерухомою ніжками.

Загалом, коли в ноніусі (n – 1) поділки масштабної лінійки розділені на n частин, то при довжині тіла m цілих поділок масштабної лінійки і співпаданні k-тої поділки ноніуса з будь-якою поділкою масштабної лінійки, довжина тіла рівна l = (m + ) мм з точністю до мм.

Мікрометр (рис. 2) дає можливість вимірювати відстані з точністю до 0,01мм (10 мкм). Він складається зі стальної скоби (С) і шпинделя (Ш) з гвинтовою різьбою. Крок гвинта – 0,5 мм. Це означає, що при одному повному оберті шпинделя відстань між ним і п’ятою (П) скоби змінюється на 0,5 мм. Шпиндель з’єднаний з барабаном (Б), що обертається разом з ним. На ободі барабана нанесено 50 поділок. Оберт барабана на одну поділку змінює відстань між шпинделем і п’ятою скоби на 0,01 мм. Всередині барабана знаходиться гільза, до якої прикріплена тріскачка (запобіжна головка).

Тіло, довжину якого необхідно виміряти, розміщують між п’ятою скоби і шпинделем, відполіровані торці яких паралельні між собою. Щоб не пошкодити вимірюване тіло, барабан необхідно обертати запобіжною головкою-тріскачкою. Поява характерного тріску свідчить про те, що шпиндель дійшов до вимірюваного тіла, обертання барабана припиняють і беруть відлік. Відлік цілих міліметрів беруть по поділці шкали гільзи, що відкрилася при обертанні барабана, а число сотих долей міліметра визначають за тією поділкою барабана, що знаходиться навпроти лінії проведеної вздовж гільзи.

Мікрометром визначають лінійні розміри тіл, величина яких не більша 25 мм.

Рис. 2.

ЕЛЕКТРОВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ

Електровимірювальні прилади класифікують за принципом дії залежно від того, яке фізичне явище використовується в даному приладі з метою вимірювання. Стрілочні прилади під­розділяються на системи залежно від дії струму або напруги, що створюють в приладі обертальний момент.

Практичне значення мають декілька систем приладів. Назва системи і позначення приладів наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

№ п/п	Система приладу	Умовне позначення
	Магнітоелектрична   Електродинамічна   Теплова     Термоелектрична   Електронна   Електромагнітна   Індукційна   Електростатична   Детекторна     Фотоелектрична

Розглянемо принцип дії електровимірювальних приладів різних систем.

Дія приладів магнітоелектричної системи грунтується на явищі взаємодії між струмом, що проходить по обмотці рамки, і полем, що створює постійний магніт (рис. 3 а).

Рухома частина приладу являє собою дротяну рамку з прикріпленою до неї стрілкою. Рамка обертається навколо осі між полюсами нерухомого постійного магніту, а струм до неї підводиться через дві спіральні пружини (рис. 3 б).

Взаємодія струму в рамці з магнітним полем магніту приводить до появи обертального моменту:

,

де Н – середня напруженість магнітного поля постійного магніту;

h – висота рамки;

L – ширина рамки;

n – кількість витків обмотки рамки;

І – сила струму в обмотці.

Оскільки всі величини, окрім сили струму, для даного приладу постійні, то:

, де .

При повертанні рамки зі струмом на кут α спіральні пружини створюють протидіючий обертальний момент:

,

величина якого пропорційна величині кута. Тому при повертанні рамки на певний кут утворюваний протидіючий момент врівноважує обертальний момент, внаслідок чого стрілка зупиниться. З рівноваги моментів випливає: К₁І= К₂α, звідси І = Кα, де К = К₂/К₁. Таким чином в магнітоелектричному приладі кут закру­чування рамки пропорційний величині сили струму, що проходить по рамці.

Рис. 3. (а) Рис. 3. (б)

Магнітоелектричні прилади мають велику чутливість до струму, рівномірну шкалу, практично не піддаються впливу зовніш­нього електромагнітного поля і мають велику точність при вимірюванні струму. Головним недоліком таких приладів є їх непридатність для вимірювання величини змінного струму.

В приладах електромагнітної системи застосовується ефект втягування залізного осердя в рамку зі струмом внаслідок взаємо­дії осердя з виникаючим магнітним полем рамки (рис. 4).

Рухома частина приладу складається з магнітного осердя А, яке разом зі стрілкою та пружиною К закріплені на спільній осі. Пружина виконує ту саму функцію, що і в магнітоелектричній системі. Оскільки обертальний момент, утворюваний магнітним полем рамки, пропорційний квадрату сили струму, тобто М_об ~ І²,тошкала приладу буде нерівномірною.

Рис. 4.

При проходженні через рамку змінного струму буде змінюватися тільки напрям магнітного поля, що приведе до перемагнічення осердя, а сам обертальний момент не змінюється. Тому прилади електромагнітної системи придатні для вимірювання як постійного, так і змінного струму.

Ці прилади досить прості за конструкцією, дешеві у виробництві, стійкі до тривалих перевантажень, але мають нерівномірну шкалу і малу точність.

Принцип дії приладів теплової системи грунтується на тепловому розширенні провідника за рахунок нагрівання електричним струмом. Схема приладу теплової системи наведена на рис. 5.

Згідно із законом Джоуля-Ленца електричний струм силою І через провідник з опором R за час t приводить до виділення тепла ΔQ ~ I²Rt, яке частково розсіюється в навколишнє середовище, а частково приводить до збільшення довжини самого провідника на величину Δ l ~ ΔQ ~ І². Таким чином, видовження провідника пропорційно квадрату сили струму.

В приладі теплової системи тоненький провідник натягується між кріпленнями А і В, а від середини провідника відходить нитка L, що з'єднана з шовковою ниткою, яка, в свою чергу, через ролик N натягується пружиною К. Система ниток забезпечує повертання стрілки приладу при відносно малому видовженні провідника (~ 0,1 мм).

Рис. 5.

Прилади теплової системи придатні для вимірювання постійного струму і струму досить великої частоти, не чутливі до зовнішнього магнітного поля, але не стійкі до струмових перевантажень, чутливі до зміни температури зовнішнього середовища і мають нерівномірну шкалу.

Дія приладів електродинамічної системи грунтується на взаємодії магнітних полів двох катушок зі струмом, одна з яких рухома. Обертальний момент пропорційний добутку сил струмів, що проходять по катушках:

.

При послідовному з'єднанні катушок І₁ = І₂ = І, тому М_об = КІ², отже, і кут обертання стрілки приладу ~ І². Ці прилади використовуються для вимірювання як постійного, так і змінного струму.

В приладах індукційної системи обертальний момент виникає внаслідок взаємодії магнітних полів, одне з яких виникає в катушці зі струмом, а друге – індуктується в алюмінієвому циліндрі за рахунок явища взаємоіндукції.

В приладах термоелектричної, детекторної, електронної та фо­тоелектронної систем застосовують різноманітні перетворювачі теплової чи світлової енергії в електричну, підсилювачі, детектори та інше з подальшим вимірюванням електричних параметрів.

В приладах електростатичної системи використовують явище взаємодії різнойменних електричних зарядів, що притягуються один до одного відповідно до закону Кулона. Прилад електростатичної системи являє собою конденсатор, одна з пластин якого рухома. При зарядженні конденсатора внаслідок взаємодії заря­дів рухома пластина повертається, одночасно повертаючи закріп­лене на осі дзеркальце. По зміщенню світлового зайчика визначають величину підведеної напруги, оскільки заряд конденсатора пропорційний величинам ємності конденсатора і напруги U:

q = CU.

Ми розглянули різноманітні системи електровимірювальних приладів, не вказуючи, яка саме електрична величина вимірюється ними. Але вже з самого принципу дії приладів видно, які саме величини вони можуть вимірювати. Так, наприклад, прилади електростатичної системи можуть вимірювати напругу, але не можуть вимірювати силу струму, прилади магнітоелектричної системи можуть бути не тільки амперметрами чи вольтметрами, але і гальванометрами, тобто приладами, здатними вимірювати мізерний струм. Одні і ті ж прилади можуть застосовуватися для вимірювання сили струму та напруги. Для вимірювання напруги послідовно з приладом підключають додатковий опір, величина якого залежить від величини вимірюваної напруги. Для вимірювання сили струму паралельно з приладом включають досить малий опір, величина якого залежить від величини вимірюваної напруги. Для вимірювання сили струму паралельно з приладом включають малий опір (шунт), тим менший, чим більшу силу струму потрібно виміряти (рис. 6).

Рис. 6.

Бажано, щоб приєднання приладів до електричної схеми не змінювало її електричні параметри, тому краще користуватися такими вольтметрами, які споживають найменший струм, і такими амперметрами, які мають якнайменший опір, що приводить до зменшення падіння напруги на них.

Дата добавления: 2015-05-24