Ответы на вопросы к лабораторной работе № 1

Выполнил студент: ЗГС-61 ________________

Проверил преподаватель: Капленко О. А.

Минеральные воды 2014

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ КОМБИНИРОВАННЫМИ ПРИБОРАМИ. ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ

ПОГРЕШНОСТЕЙ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

1. Цель лабораторной работы

Получение практических навыков работы с комбинированными аналоговыми и цифровыми измерительными приборами и навыков оценки пределов основных инструментальных погрешностей результатов измерений.

2. Состав лабораторной установки.

· Измерительный прибор комбинированный аналоговый типа 43101.

· Измерительный прибор комбинированный цифровой типа Щ4300.

· Регулируемый источник напряжения постоянного тока.

· Генератор синусоидальных колебаний.

· Панель элементов и соединений.

3. Задание и порядок выполнения работы

3.1. Изучите пояснения к лабораторной работе.

3.2. Ознакомьтесь с паспортными данными и инструкцией по эксплуатации измерительных приборов и генераторов напряжений, используемых в данной лабораторной работе, и подготовьте их к выполнению работы.

3.3. С помощью комбинированных измерительных приборов аналогового типа 43101 и цифрового типа Щ4300 измерьте напряжение постоянного тока, задаваемого с помощью регулируемого источника постоянного напряжения, в 5 произвольных равномерно-распределенных точках шкалы в диапазоне от 0 до 10В. Оцените пределы допускаемых основных абсолютных и относительных инструментальных погрешностей результатов измерений напряжения в выбранных точках, и занесите их в таблицу 1. Изобразите графики зависимости пределов допускаемых погрешностей от значений измеряемого напряжения.

3.4. С помощью этих же приборов 43101 и Щ4300 измерьте напряжение переменного тока частотой 50Гц в 5 произвольных точках в диапазоне от 0 до 2,5В, задавая их с помощью генератора синусоидальных колебаний. Оцените пределы допускаемых основных абсолютных и относительных инструментальных погрешностей результатов измерений напряжения в выбранных точках и занесите их в таблицу 1. Изобразите графики зависимости пределов допускаемых инструментальных погрешностей от значений измеряемого напряжения.

Таблица 1

Оценка пределов допускаемых основных абсолютных и относительных

инструментальных погрешностей измерения напряжений комбинированными измерительными приборами.

Вид измеряемого напряжения	Ориентировоч- ные значения измеряемого напряжения, В	Показания приборов, В	Пределы абсолютной погрешности измерения ∆, В	Пределы относительной погрешности измерения δ, %	Результаты измерений, В
	Щ4300		Щ4300		Щ4300		Щ4300
Постоянного тока	:
Переменного тока	: 2,5

3.4. С помощью приборов 43101 и Щ4300 измерьте сопротивление резисторов в резистивной цепочке , размещенной на панели соединений. Оцените пределы допускаемых основных абсолютных и относительных инструментальных погрешностей измерений и занесите результаты в таблицу 2.

Таблица 2

Оценка пределов допускаемых основных абсолютных и относительных инструментальных погрешностей измерения сопротивлений резисторов приборами 43101 и Щ4300.

Измеряемый Резистор	Номинальные значения резисторов, кОм	Показания приборов кОм	Пределы абсолютной погрешности, ∆ кОм	Пределы относительной погрешности, δ %	Результаты измерений кОм
	Щ4300		Щ4300		Щ4300		Щ4300
R1
R2
R3

3.5. Составьте отчет о проделанной работе.

4. Пояснения к лабораторной работе

4.1 К омбинированные аналоговые измерительные приборы.

Комбинированные электромеханические измерительные приборы предназначены для измерения напряжения и силы постоянного тока, среднеквадратического значения напряжения и силы переменного тока синусоидальной формы, а также сопротивления постоянному току.

В связи с этим их называют также авометрами (ампервольтомметрами). Устройство этих приборов основано на использовании магнитоэлектрического измерительного механизма (микроамперметра) и измерительных цепей (добавочных резисторов, шунтов, выпрямителей для преобразования измеряемой электрической величины в значение постоянного тока).

При измерении напряжения постоянного тока предел измерения изменяется при помощи переключающего устройства, коммутирующего соответствующие добавочные резисторы, включенные последовательно с микроамперметром. При измерении переменных напряжений

Рис.1.1 Схема трехпредельного выпрямительного вольтметра.

в схеме прибора используются двухполупериодный выпрямитель (рис 1.1). Угол поворота подвижной части измерительного механизма в этом режиме зависит от средневыпрямленного значения измеряемого напряжения или тока. Шкала прибора градуируется при этом в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения (тока) синусоидальной формы.

Сопротивление постоянному току измеряется авометром путем преобразования измеряемого сопротивления в значение напряжения. При измерении сравнительно небольших сопротивлений (до сотен Ом) обычно используется схема, приведенная на рис. 1.2а. Здесь: R₀ - сопротивление образцового резистора, R_x - измеряемое сопротивление и U_x - напряжение, функционально связанное с измеряемым сопротивлением. Однако, при использовании данной схемы, увеличение значений измеряемых сопротивлений, при приемлемых значениях R₀ , которое должно быть значительно больше R_x, приводит к существенному падению чувствительности прибора и увеличению нелинейности шкалы. Поэтому при измерении сравнительно больших сопротивлений, используют схему, приведенную на рис.1.2b. При использовании этой схемы, значение R₀ должно быть существенно меньше R_x, что удобно для измерения больших сопротивлений с приемлемой нелинейностью. В обоих случаях шкала прибора имеет нелинейный характер, однако в первом случае она прямая, а во втором – обратная (большему значению сопротивления соответствует меньшее отклонение стрелки).

Рис. 1.2. Иллюстрация принципов измерения сопротивлений в

комбинированных измерительных приборах.

Источником питания в авометрах обычно служат гальванические элементы, у которых ЭДС со временем уменьшается. Поэтому перед измерением сопротивления это уменьшение корректируется специальным переменным резистором, ручка управления которым выведена на панель управления прибора (при измерениях на пределе Ω при разомкнутой входной цепи стрелка прибора устанавливается на отметке ∞; на других пределах, при закороченной входной цепи – на отметке 0).

Оценку абсолютного значения основной инструментальной погрешности, при измерении напряжений и токов, следует осуществлять по формуле

где - предел допускаемой приведенной основной погрешности при

измерении напряжений и токов;

нормирующее значение (предел измерений).

В случае измерения сопротивлений оценка абсолютного значения основной инструментальной погрешности определяется в единицах длины шкалы и ее необходимо перевести в единицы соответствующей шкалы сопротивлений (Ом или КОм)с учетом цены деления шкалы вблизи показания прибора.

где - предел допускаемой приведенной основной погрешности при

измерении сопротивлений;

L – длина шкалы в миллиметрах.

4.2 Комбинированные цифровые измерительные приборы.

Комбинированные цифровые измерительные приборы (мультиметры) предназначены для измерения тех же параметров электрических цепей, что и электромеханические, однако имеют перед ними ряд преимуществ. Основные преимущества цифровых измерительных приборов заключаются в высокой точности, автоматическом получении цифрового отсчета и малом влиянии на измеряемую величину (что ведет к уменьшению возможных методических погрешностей).

Функциональная схема универсального цифрового мультиметра типа Щ4300 приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Функциональная схема цифрового мультиметра типа Щ4300.

Как и большинство цифровых измерительных устройств цифровой мультиметр состоит из последовательного ряда аналоговых измерительных преобразователей (АП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового отсчетного устройства (ОУ).

Назначение аналоговых измерительных преобразователей состоит в преобразовании входной измеряемой величины Х в величину, наиболее удобную для цели собственно измерений, т.е. получении численного значения величины путем ее сравнения с некоторой ее частью, принятой за единицу измерения. Это численное значение – код в двоично-десятичной системе счисления формируется в блоке АЦП и затем отображается визуально на ОУ.

Входными величинами Х, которые можно измерять, пользуясь данным цифровым мультиметром, являются:

- напряжение постоянного и переменного тока;

- сила постоянного и переменного тока;

- сопротивление цепи постоянному току.

Все эти входные величины преобразуются входным измерительным преобразователем (ВИП), включающим в себя выпрямительный мост и образцовые резисторы, в напряжение постоянного тока U_x,

с некоторым коэффициентом преобразования K, определяемым характеристиками ВИП: U_x = K∙X. Затем это постоянное напряжение U_x подается на вход интегратора, реализованного на операционном усилителе, в течение всего первого такта интегрирования Т₀ (ключ К₁ замкнут, ключ К₂ разомкнут) (см. рис.1.4).

Рис.1.4. Временные диаграммы работы АЦП.

Основное назначение первого такта интегрирования заключается в уменьшении влияния помех на результат измерения. Поскольку наиболее существенная помеха на электронные приборы возникает от источника сетевого напряжения частотой 50 Гц, то интервал Т₀, для более полной компенсации этой помехи выбран кратным периоду помехи и равным 40 мс, т.е. двум периодам сетевой частоты. В конце первого такта интегрирования на выходе интегратора U_инт формируется напряжение, пропорциональное среднему значению входного напряжения U_x за период Т₀

U_инт=

Где С – постоянная интегрирования.

В начале второго такта интегрирования ключ К₁ размыкается, а ключ К₂ – замыкается, переключая вход интегратора к выходу источника U_o. Этот момент времени отмечается появлением на выходе сравнивающего устройства СУ положительного фронта импульса, открывающего ключ К₃ и, следовательно, разрешающего прохождение на вход счетчика ∑ импульсов от генератора G стабилизированных по частоте импульсов. Таким образом, во втором такте интегрируется напряжение источника стабильного опорного напряжения U₀, знак которого противоположен U_x.

Направление интегрирования во втором такте противоположно по отношению к первому. Следовательно, во втором такте интегрирования

(постоянная интегрирования не изменяется).

Второй такт заканчивается в момент равенства нулю выходного напряжения интегратора и этот момент характеризуется появлением низкого напряжения на выходе сравнивающего устройства СУ, запирающего ключ К₃ и прекращающего поступления образцовых по частоте импульсов в счетчик ∑. Следовательно, длительность второго такта интегрирования T_x определится из выражения

откуда

Таким образом, во втором такте интегрирования происходит преобразование среднего значения напряжения U_x в интервал времени T_x. Поскольку U_xс=К∙X_с, то сформированный интервал времени будет пропорционален измеряемой величине X_с

Точность этого преобразования измеряемой величины в интервал времени будет определяться стабильностью коэффициента К и величин T₀ и U₀.

Изложенное выше объясняет, почему подобного типа цифровые приборы часто называют цифровыми приборами двухтактного интегрирования.

Полученный интервал T_x, представленный длительностью импульса U_су на выходе сравнивающего устройства, измеряется в блоке АЦП путем сравнения его с единичной мерой времени t₀ – периодом повторения счетных импульсов образцового стабилизированного генератора G. Измерение осуществляется подсчетом числа периодов импульсов образцового генератора, укладывающихся в полученный интервал времени T_x. Технически это эквивалентно подсчету числа этих импульсов N, прошедших на счетчик импульсов ∑ за время открытого состояния ключа К₃.

где - частота образцового генератора G.

После подстановки в эту формулу значения T_x получим выражение

или

Так как U₀, K, T₀, f₀ - величины постоянные, то измеряемая величина X_c прямо пропорциональна числу N, которое в качестве результата измерения в соответствующих единицах измерения индицируется на отсчетном устройстве. При этом заметим, что поскольку число импульсов дискретно, то при измерении интервала времени возникает специфическая аддитивная составляющая погрешности – погрешность дискретности, абсолютное значение которой может достигать величины ±t₀.

Рассмотренный цифровой мультиметр имеет как аддитивную, так и мультипликативную составляющую погрешности и, поэтому, предел его основной допускаемой относительной погрешности (в процентах) выражается двучленной формулой

где: X_max – рабочий предел измерения шкалы;

X – измеренное значение на этом пределе;

c и d –константы, характеризующие класс точности прибора,

приводимые в его технических характеристиках.

5. Содержание отчета.

· Цель работы.

· Формулы, используемые при обработке результатов измерений с

расшифровкой буквенных обозначений переменных.

· Таблицы с результатами измерений.

· Выводы по каждому пункту задания.

6. Контрольные вопросы.

1. В чем смысл введения понятий предельных значений абсолютной, относительной и приведенной погрешности?

2. Что указывается в техническом паспорте измерительного прибора при нормировании его погрешности?

3. Поясните разницу между основной погрешностью измерительного прибора и дополнительными погрешностями?

4. От чего зависит выбор формы представления пределов основной допускаемой погрешности?

5. Чем характерны систематическая и случайная погрешности?

6. Что такое класс точности измерительного прибора?

7. Как по классу точности измерительного прибора оценить пределы основной допускаемой абсолютной и относительной погрешностей результата измерения?

8. Почему не рекомендуется проводить измерения, если результат отсчитывается в начале шкалы измерительного прибора?

9. Что такое нормирующее значение и как оно влияет на определение оценок погрешности измерения?

10. Как обеспечивается расширение предела измерения в n – раз у вольтметров?

11. Как обеспечивается расширение предела измерения в n – раз у амперметров?

12. Как в комбинированных приборах осуществляется преобразование напряжений переменного тока в напряжение постоянного тока?

13. В чем состоят достоинства цифровых мультиметров?

14. В чем состоит суть метода двухтактного интегрирования и каковы его достоинства?

Ответы на вопросы к лабораторной работе № 1

1. Абсолютная погрешность-разность между показаниями прибора и истинным значением измеряемой величины. Относительная погрешность- это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к истинному значению измеряемой величины. Приведенная погрешность- это отношение его максимальной допустимой абсолютной погрешности к нормирующему значению.

2.Класс точности и три предела измерений предельную основную, абсолютную и относительную погрешности.

3.Принято различать основную погрешность измерительного прибора и дополнительные погрешности. Наряду с чувствительностью измерительного прибора к измеряемой величине, он реагирует так же и на неизмеряемые, но влияющие на показания величины. Например, на показания вольтметра, с помощью которого измеряется ЭДС батарей, могут влиять температура окружающей среды, напряжение и частота питающей сети и т.д. При выполнении градуировки прибора в лабораторных условиях большинство влияющих величин может поддерживаться в узких пределах их изменения. Такие условия, оговоренные в техническом паспорте прибора, называют нормальными, а погрешность возникающую в этих условиях,- основной. При эксплуатации прибора в реальных условиях могут возникать значительные отклонения от нормальных условий, оговоренных в паспорте на прибор. Эти отклонения приводят к дополнительной погрешности прибора. Величина дополнительных погрешностей так же указывается в паспорте прибора, например, в виде коэффициента влияния отдельных величин на изменение показаний.

4.Зависит от характера изменения погрешностей в пределах диапазона измерений, а так же от условий применения и назначения данного средства измерения.

5.Систематической погрешностью называется погрешность, остающаяся постоянной или закономерно изменяющейся во времени при повторных измерениях одной и той же величины. Случайной погрешностью измерения называется погрешность, которая при многократном измерении одного и того же значения не остается постоянной. Например, при измерении валика одним и тем же прибором в одном и том же сечении получаются различные значения измеренной величины.

6.Класс точности основная метрологическая характеристика прибора, определяющая допустимые значения основных и дополнительных погрешностей, влияющих на точность измерения.

7. В зависимости от этого для оценки предельных значений абсолютной и относительной погрешностей могут быть использованы формулы:

Δп max=± и δпmax=±Y либо Δп max=± либо Δп max=±.

8. Высокая относительная погрешность.

9. Значение нормирующее - значение, к которому относится погрешность средства измерений или/и добавочного устройства, устанавливается для определения (оценки) погрешности измерений.

10. Для расширения пределов измерения вольтметра к обмотке измерительного механизма последовательно присоединяют многоомное сопротивление, носящее название добавочного сопротивления (rд).

При такой схеме из n частей напряжения, подлежащего измерению, на обмотку прибора приходится лишь одна часть, а остальные n-1 частей – на добавочное сопротивление. Это происходит потому, что сопротивление rд берется больше сопротивления вольтметра в n —1 раз, а при последовательном соединении напряжение распределяется пропорционально величине сопротивления.

11.

Желательно измерять силу тока в цепи таким прибором, у которого собственное сопротивление наименьшее. Присоединять амперметр к полюсам источника тока без нагрузки нельзя. Это объясняется тем, что по обмотке амперметра, имеющей малое сопротивление, в данном случае пройдет большой ток и она может перегореть. По той же причине нельзя включать амперметр параллельно нагрузке. По обмотке и отдельным элементам электроизмерительных приборов некоторых систем во избежание возможности их порчи нельзя пропустить сколько-нибудь значительный ток. В частности, это относится к спиральным пружинам и подвижной катушке магнитоэлектрического прибора. Если такой измерительный прибор нужно приспособить для измерения значительной силы тока расширить пределы измерения амперметра, та он снабжается шунтом.

При таком включении шунта из n частей тока, протекающего в цепи, через прибор проходит лишь одна его часть, а через шунт - остальные n-1 частей.

Это происходит потому, что сопротивление шунта меньше сопротивления амперметра n - 1 раз. Число n показывает, во сколько раз нужно увеличить предел измерения амперметра. Таким образом, шунт служит для расширения пределов измерения прибора.

Пусть амперметр позволяет измерять силу тока Iа = 5 а, а в данном случае необходимо этим прибором измерить силу тока I=30 а. Значит, нужно увеличить предел измерения прибора в

Сопротивление шунта, который надо присоединить параллельно амперметру, чтобы обеспечить такое расширение предела измерения, можно определить по формуле:

Если сопротивление амперметра rа = 0,15 ом, то сопротивление шунта

После присоединения шунта к прибору каждое деление шкалы прибора будет соответствовать величине, в n раз большей, чем указана на ней. В нашем случае, если стрелка прибора с шунтом установится на делении 5, это значит, что в цепи протекает ток I=5xn = = 5x6= 30 а.

12.С помощью преобразователя тока устройства, позволяющие преобразовывать постоянный и переменный ток в переменный или постоянный с нужным напряжением.

13. Цифровые тестеры позволяют точнее и нагляднее получить результаты измерения. Результат считывается в цифровом виде, и его значение сразу понятно. Для цифровых тестеров не имеет значения полярность подключения щупов прибора, значение напряжения (или тока) все равно будет правильно измерено и отображено на дисплее (просто при обратной полярности будет высвечен знак минус). Многие современные цифровые тестеры имеют автоматический выбор диапазона измерения, чего обычно лишены стрелочные приборы. Цифровые мультиметры умеют многое, чего лишены стрелочные приборы. Цифровой тестер часто может измерять емкость конденсаторов, значение индуктивностей, иногда частоту сигнала, температуру и другие параметры. Благодаря наличию электронных усилителей в цифровом приборе он может лучше измерять слабые сигналы, и меньше влияет на ту схему, к которой подключен.

14. В АЦП прибора используется метод двухтактового интегрирования. В течении первого такта интегрирования длительностью Т0=40 мс производится интегрирование напряжения, пропорционального измеряемой величине (ключ К1-замкнут; К2-разомкнут).Во втором такте ключ К1 размыкается, К2- замыкается, т.е. интегрируется напряжение источника опорного напряжения. Направление интегрирования во втором такте автоматически выбирается противоположным по отношению к направлению в первом. Второй так заканчивается в момент равенства нулю напряжения интегрирования. Этот момент фиксируется пороговым устройством.

Важное достоинство метода двухтактного интегрирования заключается в том, что он позволяет подавить помеху с частотой, кратной частоте сети, а так же импульсную помеху.