Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа 1

измерение прибор авометр погрешность

Измерения при помощи комбинированного прибора

Цель работы: ознакомление с принципом действия, применением комбинированного прибора; приобретение практических навыков измерения постоянных и переменных токов, напряжений, параметров электрической цепи с оценкой погрешностей измерений.

Особенности схем включения комбинированного прибора

Приступая к выполнению работы, студент должен знать, что комбинированный измерительный прибор - ампервольтомметр (авометр) является универсальным многопредельным прибором, с помощью которого возможны измерения токов, напряжений в цепях постоянного и переменного тока частотой от 20 Гц до 20 кГц, сопротивлений постоянному току. Отдельные типы авометров позволяют измерять также емкость, относительный уровень переменного напряжения в децибелах, некоторые параметры транзисторов.

В приборе применяют измерительный механизм магнитоэлектрической системы.

Следует иметь в виду, что при измерении постоянного тока параллельно измерительному механизму включаются многоступенчатые шунты, а при измерении постоянного напряжения последовательно с измерительным механизмом - добавочные резисторы. Таким образом, в режиме измерения постоянного тока и напряжения авометр работает как многопредельный магнитоэлектрический амперметр и вольтметр.

При измерении переменных токов и напряжений звуковых частот прибор включается по схеме многопредельного выпрямительного амперметра или вольтметра.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Необходимо знать, что выпрямительный прибор представляет собой сочетание полупроводниковых выпрямителей и магнитоэлектрического измерительного механизма. В авометрах практическое применение находят мостовые цепи двухполупериодного выпрямителя с двумя диодами и двумя резисторами (рис.1.1). Выпрямленный ток проходит через измерительный механизм (ИМ) в течение обоих полупериодов в одном направлении. За один полупериод ток протекает по цепи VD1, ИМ, R₂, причем часть тока ответвляется через сопротивление R₁, за другой - по цепи R₁, ИМ, VD2 , в этом случае часть тока ответвляется через сопротивление R₂. По сравнению с мостовой схемой с четырьмя диодами данная схема имеет большую температурную стабильность, однако обладает меньшей чувствительностью в результате того, что в каждый полупериод через ИМ ответвляется лишь часть (30 - 40 %) выпрямленного тока. Уравнение шкалы выпрямительного прибора:

б=S_iI_ср.

где S_i - чувствительность к току, показывает, что отклонение подвижной части пропорционально среднему значению тока. Так как в цепях переменного тока обычно нужно знать действующее значение тока (напряжения), шкалы выпрямительного прибора градуируют в действующих значениях синусоидального тока (напряжения):

б=S_iI / K_ф=S_iI /1,11.

где К_Ф - коэффициент формы кривой (для синусоиды К_Ф= 1,11). Если же форма кривой отлична от синусоидальной, в показаниях прибора появляется погрешность.

Измерение сопротивлений авометром следует производить по последовательной и параллельной схемам магнитоэлектрического омметра (рис.1.2,а,б соответственно).

Размещено на http://www.allbest.ru/

В последовательной схеме омметра измеряемое сопротивление R_x следует включать последовательно с измерительным механизмом, в параллельной - параллельно. Уравнение шкалы омметра с последовательной схемой

,

для омметра с параллельной схемой

.

Из уравнений вытекает, что при постоянном напряжении источника питания U=const показания будут определяться значением измеряемого сопротивления R_Х. Следовательно, шкала может быть отградуирована в единицах сопротивления. Из уравнений следует, что шкалы омметров неравномерные, обратные для последовательной схемы и прямые - для параллельной. Омметры с последовательной схемой более пригодны для измерения больших сопротивлений (10³ - 10⁸Ом), а с параллельной - малых (0,1 - 10³ Ом). В качестве источника питания обычно применяют сухую батарею. С течением времени напряжение батареи падает, и условие U=const не выполняется. Ввести поправку на изменение U, как видно из уравнений, можно путем соответствующей регулировки резистора R_Д, который выполняется переменным. Для регулировки омметра с последовательной схемой перед измерением следует замкнуть накоротко его зажимы, и в том случае, если стрелка не установлена на отметке «0», перемещать ее до этой отметки с помощью резистора R_Д. Регулировку омметра с параллельной схемой нужно производить при отключенном резисторе R_Х. Величину R_Д необходимо установить такой, чтобы указатель находился на отметке шкалы R_Х = ?.

Опыт 1. Измерение параметров блока питания

В опыте проводят прямые измерения токов и напряжений, а также косвенные измерения мощности и некоторых параметров блока питания, который включает в себя источник переменного напряжения (ИП), трансформатор Тр, выпрямитель, фильтр, стабилизатор и сопротивление нагрузки R_Н (рис. 1.3).

Трансформатор Тр преобразует напряжение U₁ источника ИП до нужной величины U₂. Выпрямитель, выполненный по двухполупериодной схеме на диодах VD1 - VD4 , преобразует переменное напряжение в пульсирующее. Фильтр нижних частот, состоящий из резистора R₁, и конденсаторов C₁, С₂, включается для уменьшения пульсаций (переменной составляющей) выпрямленного напряжения. Стабилизатор напряжения, выполненный на резисторе R₂ и кремниевом стабилитроне VD5, предназначен для обеспечения постоянства напряжения на нагрузке R_Н при изменении питающего напряжения. Тумблеры Т1, Т2, ТЗ позволяют размыкать токовые цепи для измерения тока амперметром, который включают в разрыв цепи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В опыте необходимо произвести прямые измерения переменных напряжений U₁, и U₂, переменных токов I₁ и I₂, постоянного напряжения и тока нагрузки U_Н, I_Н, а также косвенные измерения коэффициента трансформации К_Т=U₁₀/U₂₀ (в режиме холостого хода трансформатора), первичной и вторичной полной мощности трансформатора S₁=U₁I₁ и S₂=U₂I₂, мощности и сопротивления нагрузки Р_Н=U_НI_Н и R_Н=U_Н/I_Н.

Наряду с измерением указанных величин следует оценить наибольшую погрешность измерения. Погрешностью взаимодействия при измерении токов, напряжений в данной работе можно пренебречь, поскольку собственное потребление комбинированного прибора намного меньше мощности цепей блока питания, в которых производят измерения. В этом случае наибольшую относительную погрешность прямых измерений определяют по максимальной аппаратурной погрешности _a

,

где _m - класс точности прибора; А_m - предел шкалы; А_x - показание прибора.

В случае косвенных измерений, результат которых определяют по результатам нескольких прямых измерений X=F(X₁, X₂,…X_n), абсолютная погрешность ДХ может быть определена выражением:

,

где X - результат косвенного измерения; X₀ - действительное значение измеряемой величины; - частные погрешности результата косвенных измерений; - коэффициенты влияния погрешности X_n на погрешность результата косвенных измерений.

Так, например, величина наибольшей абсолютной погрешности косвенного измерения сопротивления методом амперметра-вольтметра r=U/I может быть найдена из выражения:

.

Порядок выполнения опыта

1 Ознакомиться со структурной схемой блока питания на макете работы.

2 Измерить переменные напряжения U₁₀ и U₂₀ трансформатора в режиме холостого хода, для чего:

2.1 Переключатель рода работы авометра установить в положение «~». Переключатель пределов измерения авометра установить в положение, соответствующее максимальному измеряемому напряжению (так как порядок измеряемого напряжения неизвестен).

2.2 Включить тумблер Т1 макета и отключить тумблер Т2 (для обеспечения режима холостого хода трансформатора).

2.3 Включить источник питания тумблером Т. Включить авометр в исследуемую цепь зажимами «*» и «UI, +, -к», по шкале с обозначением «~»определить порядок измеряемого напряжения. Выбрать пределы измерения, обеспечивающие минимальную аппаратурную погрешность.

2.4 Измерить напряжения U₁₀ и U₂₀ на выбранных пределах, результаты записать в табл. 1.1. В той же таблице указать пределы измерения авометра и класс точности в режиме измерения переменных напряжений.

Таблица 1.1

2.5 Отключить источник питания. Рассчитать наибольшую абсолютную погрешность измерения напряжений ДU₁ и ДU₂. Результат измерения U₁₀ н U₂₀ записать с указанием погрешности в табл.1.1. Наибольшие погрешности измерения, вычисленные по классу точности, могут быть с одинаковой вероятностью как положительными, так и отрицательными (перед числом ставится знак ±).

2.6 Пользуясь указанной методикой, измерить напряжения U₁ и U₂ при подключенной нагрузке (тумблеры T2 и T3 замкнуты). Результаты измерений и расчета записать в табл.1.1.

3 Измерить переменные токи I₁ и I₂, протекающие в первичной и вторичной обмотках трансформатора, для чего:

3.1 Переключатель рода работы авометра поставить в положение «~». Переключатель пределов измерения авометра установить в положение, соответствующее наибольшему значению измеряемого тока.

3.2 Включить авометр к точкам 1 и 2 блока питания, отключить тумблер Т1.

3.3 Включить тумблеры Т2 и T3 макета, замыкающие цепь нагрузки трансформатора.

3.4 Включить источник питания тумблером Т. Определить по отклонению стрелки на шкале с обозначением «~» порядок измеряемого тока и выбрать предел измерения, обеспечивающий минимальную аппаратурную погрешность. Измерить ток I₁ на выбранном пределе, результат записать в табл.1.1. В той же таблице указать предел измерения тока и класс точности прибора в режиме измерения переменных токов.

3.5 Аналогично произвести измерение тока I_2.

3.6 Отключить источник питания. Рассчитать наибольшую погрешность измерения токов I₁ и I₂ и записать результаты измерения с указанием погрешности в табл. 1.1.

4 Измерить постоянные напряжения и ток нагрузки U_H , I_H , для чего:

4.1 Переключатель рода работы авометра поставить в положение
«-». Переключатель пределов измерения авометра установить в положение, соответствующее ожидаемому значению измеряемого напряжения или тока.

4.2 Включить авометр в цепь нагрузки сначала по схеме вольтметра, затем - по схеме амперметра. Измерить напряжение и ток нагрузки. Отсчет измеряемой величины произвести по шкале с обозначением «-».

4.3 Результаты измерений записать в табл. 1.1. В той же таблице указать пределы измерений и класс точности авометра в режиме измерения постоянных токов и напряжений.

4.4 Отключить источник питания.

4.5 Рассчитать наибольшие погрешности измерения напряжения и токов нагрузки и записать в табл. 1.1 результаты измерений с указанием погрешностей.

5 Определить результаты косвенных измерений коэффициента трансформации K_T, мощностей S₁, S₂, Р_Н, сопротивления нагрузки R_Н и оценить погрешность их измерений, для чего:

5.1 По результатам прямых измерений токов и напряжений произвести расчет указанных величин, результаты расчета записать в табл. 1.2.

5.2 Пользуясь общим выражением для абсолютной погрешности косвенных измерений, вывести аналитические выражения для погрешностей измерения ДK_T; ДS₁; ДS₂; ДP_Н; ДR_Н;

5.3 По результатам и погрешностям прямых измерений (табл. 1.1) определить числовые значения погрешностей косвенных измерений и записать их в табл. 1.2. В ту же таблицу произвести запись результатов косвенных измерений с указанием погрешностей.

Таблица 1.2

Опыт 2. Измерение сопротивлений

В работе производят измерение нескольких сопротивлений резисторов на различных пределах авометра, работающего в режиме омметра, и оценивают погрешность измерения. При этом следует учитывать, что в отличие от амперметров и вольтметров магнитоэлектрические омметры имеют существенно неравномерные шкалы, для которых приведенная погрешность г_m нормируется в процентах от длины шкалы L и может быть вычислена по формуле:

.

где S_R - чувствительность к сопротивлению, представляющая собой длину l участка шкалы в точке отсчета на единицу измеряемой величины, например, I мм/кОм; 0,8 мм/Ом; ДR_x - абсолютная погрешность измерения сопротивления.

Длину l находят путем измерения линейного участка шкалы между двумя ближайшими к точке измерения отметками и затем делят на разность отсчетов, соответствующих указанным отметкам. Отсчеты должны быть выражены в тех же единицах, в которых выражена погрешность ДR_x. Класс точности при нормировании погрешности в процентах от длины шкалы следует обозначать одним числом в процентах, помещенном между двумя линиями, расположенными под углом, например, 0,5.

При измерении сопротивлений необходимо учитывать, что относительная погрешность омметра возрастает как при увеличении, так и при уменьшении R_х и минимальна в середине шкалы. Источником питания омметра служит постоянное напряжение плюс 4,5В, получаемое от батареи элементов или от стабилизированного выпрямителя. Следует использовать омметр на пределах 300 Ом и 5; 50; 500 кОм. Предел 0 - 5 МОм в наших опытах не используется, так как при измерении сопротивлений в указанном диапазоне требуется дополнительный источник питания напряжением 34 - 44 В.

Порядок выполнения опыта

1 Получить указание преподавателя о том, какие сопротивления подлежат измерению.

2 Определить порядок измеряемых сопротивлений на максимальном пределе авометра 0 - 500 кОм, для чего:

2.1 Нажать кнопку «к». Переключатель пределов измерения омметра установить в положение «к*100». Подключить провода к зажимам прибора и замкнуть их накоротко. Ручкой установки нуля омметра установить стрелку на нулевую отметку шкалы «к».

2.2 Провода разомкнуть и подключить к измеряемому сопротивлению.

2.3 Устанавливая переключатель резисторов на макете в положение, заданное преподавателем, определить по шкале «к» приближённые значения измеряемых сопротивлений.

2.4 Данные последовательных измерений записать в табл. 1.3.

Таблица 1.3

3 Произвести более точные измерения указанных сопротивлений и оценить погрешность измерения, для чего:

3.1 По табл. 1.3 определить необходимые пределы омметра, обеспечивающие наиболее точные измерения сопротивлений (стрелка должна находиться ближе к середине шкалы). Необходимые положения переключателя омметра указать в табл.1.3.

3.2 По методике, указанной в пунктах 2.1-2.6, произвести измерение больших сопротивлений (свыше 300 Ом). В табл. 1.3 внести результаты измерения сопротивлений, а также расстояния между ближайшими к точке измерения отметками и разность отсчетов, соответствующих указанным отметкам.

3.3 При измерении сопротивления до 300 Ом нажать одновременно кнопки «-» и «к» омметра, что соответствует «». Переключатель пределов измерения омметра установить в положение «». Ручкой установки нуля омметра установить стрелку на отметку «» шкалы «». Присоединить к зажимам прибора измеряемое сопротивление. Результаты измерения R_x, а также величины, необходимые для определения чувствительности S_R записать в табл. 1.3.

3.4 Кнопки «-» и «к» возвратить в исходное состояние, снять провода омметра с измеряемого сопротивления.

3.5 Вычислить наибольшие абсолютные погрешности измерения сопротивлений и записать и табл. 1.3. В ту же таблицу записать действительные значения сопротивлений с указанием погрешности измерения.

Оформление отчета

В отчете привести схемы рис. 1.3, таблицы 1.1-1.3 с результатами измерений и расчетов, расчетные формулы.

Контрольные вопросы

1 Для каких измерений предназначены комбинированные измерительные приборы?

2 Какой измерительный механизм используется в авометрах?

3 По каким измерительным схемам включаются авометры?

4 В чем заключаются особенности схем авометров для измерения малых и больших сопротивлений?

5 Что собой представляет класс точности омметров?

6 Как вычисляется погрешность косвенных измерений?

7 Какова связь между относительной и приведенной погрешностью прибора?

Литература

1. Основы метрологии и электрические измерения / под ред. Е.М. Душина. - Л Энергоатомиздат, 1987, С. 120 - 121,147 - 150, 234.

2. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. - М.: Высшая школа, 1982, С. 36 - 45, 113 - 114, 126, 163 - 165.

3. Метрологическое обеспечение и поверка средств измерений электрических величин: Учеб. пособие / С.И. Кондрашов, В.К. Гусельников и др. - Харьков: НТУ "ХПИ", 2007. - 288 с

Размещено на Allbest.ru