Практическое занятие №2 Расширение пределов измерения

Цель: приобретение навыков расчетного определения характеристик шунтов и добавочных сопротивлений, а так же практического их использования.

Оборудование: амперметры, вольтметры, шунты, добавочные резисторы

Краткие теоретические сведения

В практике электрических измерений встречается необходимость измерить токи, напряжения и другие величины в очень широком диапазоне их значений.

Для того чтобы использовать измерительные механизмы для различных пределов измерения токов, напряжений и других величин широко применяются масштабные измерительные преобразователи и в частности шунты (включаются параллельно измерительным механизмам) и добавочные сопротивления (включаются последовательно измерительным механизмам).

Рассмотрим пример расчетного определения шунта и добавочного сопротивления для случая измерительного прибора магнитоэлектрической системы, имеющего катушку с сопротивлением R_и=20 Ом, и рассчитанного на предельный длительный ток 10 мА, при котором подвижная часть прибора получает наибольшее отклонение.

Рисунок 2.1 Схема измерительного механизма с шунтом

Условие 1. Прибор используют в качестве амперметра с пределом измерения тока 5 А.

Определить сопротивление шунта, который нужно присоединить к зажимам прибора (рис.2.1).

Анализ и решение. Ток в неразветвленной части цепи (измеряемый) равен сумме токов измерительной катушки и шунта

I = I_ш + I_и

Коэффициент шунтирования n показывает, во сколько раз измеряемый ток больше тока в измерительной катушке, т.е.

Но ток в параллельных ветвях (шунт и измерительная катушка) обратно пропорционален сопротивлениям этих ветвей, поэтому

откуда

В условиях данной задачи

;

Условие 2. Прибор используют в качестве вольтметра, пределом измерения напряжения 100 В. Определить величину добавочного сопротивления, которое нужно последовательно соединить с прибором (рис.2.2).

Анализ и решение. Измеряемое напряжение равно сумме напряжений, приходящихся на катушку и на добавочное сопротивление:

U = Uи + Uд

Коэффициент добавочного сопротивления показывает, во сколько раз измеряемое напряжение больше, чем напряжение на зажимах измерительной катушки, т.е.

Рисунок 2.2 Схема измерительного механизма с добавочным резистором

Напряжение на последовательно соединенных участках (катушка и добавочное сопротивление) распределяется пропорционально сопротивлениям этих участков, поэтому

откуда

Rд = Rи (m - 1).

В условиях данной задачи

U = 100 В ;

Коэффициент добавочного сопротивления

Следовательно

Rд = Rи (m-1) = 20 (500-1) = 9980 Ом.

Порядок выполнения работы

1.Расширить предел измерения амперметра магнитоэлектрической системы с пределом измерения 0,5 А - 3 А.

2.Расширить предел измерения вольтметра магнитоэлектрической системы с пределом измерения 3 В - 150 В.

Примечания. а) измерение внутреннего сопротивления амперметра и вольтметра произвести мостом постоянного тока;

б) перед началом выполнения работы необходимо определить сопротивление соединительных проводов.

3. Собрать схему (рис.2.3).

Рисунок 2.3 Схема включения приборов для проверки работоспособности

4. В схему (рис.2.3) подключить приборы с новыми пределами и проверить их работоспособность, а именно:

а) выставить 0,6 А; 1 А; 1,5 А и определить их относительную погрешность измерений;

б) подобрать шунты для максимального использования шкалы на токи, установленные в пункте а), и определить относительную погрешность измерения;

в) определить цену деления приборов до и после расширения пределов измерения.

Содержание отчета

1. Схема измерительного механизма с шунтом

2. Расчет величины шунта и сопротивления соединительных проводов

3. Схема измерительного механизма с добавочным резистором

4. Расчет величины добавочного резистора и сопротивления соединительных проводов

5. Схема и результаты проверки приборов с расширенным пределом на работоспособность

Контрольные вопросы

1. Назначение шунтов и добавочных сопротивлений, схемы включения.

2. Параметры шунтов и добавочных сопротивлений.

3. Методика расчета масштабных преобразователей данного типа.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №3

Исследование электронных измерительных приборов

Цель работы: изучить методы экспериментального определения метрологических характеристик цифровых приборов, а также их применение для измерения физических величин и оценка погрешностей результатов измерений

Оборудование: цифровые измерительные приборы, омметр, вольтметр, амперметр

Краткие теоретические сведения

В ЦИП результата измерений представлены в цифровом виде; при этом в отличие от аналоговых приборов показания ЦИП меняются дискретно на единицу младшего разряда. Это приводит к ряду особенностей определения и представления метрологических характеристик цифровых измерительных приборов.

К основным метрологическими характеристиками ЦИП относятся: статическая характеристика преобразования, шаг квантования (квант) по уровню или единица младшего разряда показаний, основная инструментальная погрешность.

Статическая характеристика преобразования. Эта характеристика устанавливает связь между преобразуемой (входной) величиной X и результатом преобразования Хп (показаниями ЦИП), за который принимается значение Хп = Nq, где N – десятичное целое число, q - квант по уровню. Отличие ЦИП от аналоговых средств измерений – дискретный характер изменения показаний. Из этого следует ступенчатая форма представления статической характеристики преобразования.

При отсутствии инструментальных погрешностей статическая характеристика идеального ЦИП определяется значением единицы младшего разряда показаний (используется также термин разрешение), равной кванту по уровню q.

Значение кванта q определяется пределом измерений Х_max и максимальным числом N_max уровней квантования:

q = Х_max / N_max.

Например, для ЦИП GDM-8135 q = X_макс /(2 10ⁿ), где X_макс – предел измерения, n – число разрядов отсчетного устройства.

Идеальная статическая характеристика, представленная на на рис.3.1, получается при квантовании измеряемой величины путем отождествления ее с ближайшем уровнем квантования. Изменение показаний идеального ЦИП Xп=Nq на единицу младшего разряда q происходят при фиксированных значениях входной величины равных (N – 0,5)q, где N = 1, 2,3 …. (целое число).

Характеристика реального ЦИП отличается от идеальной. Причина этого – наличие инструментальных погрешностей ЦИП. Различие проявляется в том, что смена показаний ЦИП происходит при значениях входной величины ХN, отличных от значений (N – 0,5)q.

Абсолютная основная погрешность ЦИП равна

X = Хп – Х ,

где Хп – показание ЦИП, Х – действительное значение измеряемой величины.

Абсолютная инструментальная погрешность определяется для определенного показания ЦИП Хп = Nq (см. рис.1) по отличию реальной характеристики ЦИП от идеальной

XиN = Хп – 0,5q – ХN , (3.1)

где ХN – значение входной величины, при котором происходит смена показаний Хп ЦИП (показания меняются на единицу младшего разряда).

Рисунок 3.1 Статическая характеристика преобразования ЦИУ

Для экспериментального определения статической характеристики ЦИП в режиме омметра необходимо подключить ко входу ЦИП магазин сопротивлений. Предел измерения ЦИП выбрать по указанию преподавателя, определить для этого предела значение единицы младшего разряда q. Определить единицу младшего разряда магазина q_м, проверить выполнение условия q >> q_м, при этом условии можно пренебречь дискретным характером изменения сопротивления магазина.

При плавном изменении сопротивления магазина следить за изменением показаний, фиксируя при этом значения сопротивления магазина R, при которых показания Rп меняется на единицу младшего разряда, например: 0,000; 0,001; 0,002; 0,003…… кОм (всего 8-9 значений).

По этим значениям строят начальный участок графика статической характеристики ЦИП в режиме омметра Rп = F(R) и график абсолютной основной погрешности ΔR(R) = F(R) - Fл(R), где Fл(R) – характеристика идеального (без квантования) омметра в виде прямой линии Rп = R.

Определение абсолютной инструментальной погрешности. Для выбранного предела измерений определите инструментальную погрешность для 8-10 точек равномерно распределенных по диапазону измерений. Инструментальная погрешность определяется по формуле (3.1), при этом R_N – значение сопротивления магазина, при котором происходит смена показаний Rп ЦИП на единицу младшего разряда в выбранной точке, например, со значения 1,435 кОм на значение 1,436 кОм.

Определение аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности. В зависимости от характера изменения погрешности по диапазону измерения ЦИП погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные. Аддитивные погрешности не зависят от значения измеряемой величины X, мультипликативные растут с увеличением X. Обычно для ЦИП погрешность задается в виде модели X = a + bX, где a и bX - аддитивная и мультипликативная составляющая погрешности соответственно.

Измерение сопротивлений. Измеряют сопротивления каждого из выбранных резисторов на различных диапазонах измерения ЦИП, оценивают основную погрешность измерения по формулам, приведенным в описании прибора.