Содержание отчета

Отчет должен содержать:

- сведения о цели и порядке выполнения работы;

- сведения о характеристиках использованных средств измерений;

- электрические схемы;

- экспериментальные данные и расчеты;

- заполненные таблицы отчета (табл. 3.1) и расчеты погрешностей;

- графики зависимости мощности и погрешности измерения мощности от R_н при различных схемах включения;

- вывод об особенностях и областях применения исследованных схем измерения мощности.

Таблица 3.1.

Измерение мощности постоянного тока методом амперметра и вольтметра Магнитоэлектрический амперметр: класс точности _____; предел шкалы _______; Магнитоэлектрический вольтметр: класс точности ______; предел шкалы _______ Схема № _______
Величина	Rн = 4,9 Ом		Rн = 100 Ом		Rн = 10 кОм
	I	U	U	I	U	I
Действительное значение, Uнд, Iнд
Измеренное значение, Uн, Iн
Методическая погрешность, δмU, δмI
Инструментальная погрешность, δинсU, δинсI
Результирующая погрешность, δU, δI
Погрешность измерения мощности, δР
Результат измерения мощности

Контрольные вопросы

1. Чем можно измерить мощность постоянного тока около 1 Вт (10 Вт, 100 Вт, 1 кВт) с относительной погрешностью не более 0,5 %?

2. Какие электромеханические механизмы используются в ваттметрах постоянного тока?

3. Для какого диапазона мощностей постоянного тока применяются электромеханические и электронные ваттметры?

4. В каких случаях предпочтительно применять электромеханические, а в каком электронные ваттметры постоянного тока? Какова примерная погрешность измерений в этих случаях?

5. Назовите основные источники погрешности при косвенном измерении мощности постоянного тока.

6. Исправный электродинамический ваттметр имеет класс точности 0,5 и шкалу от 0 до 100 Вт. Какова максимально возможная относительная погрешность измерения мощности, если прибор показывает 50 Вт?

7. В каком диапазоне частот можно использовать электродинамический ваттметр?

8. Сравните метрологические характеристики электродинамических и ферродинамических ваттметров.

9. Каковы достоинства ферродинамических ваттметров?

Лабораторная работа № 3.3.

Измерение постоянного напряжения методом компенсации

Цель работы: Ознакомление с компенсационным методом измерения постоянного напряжения. Получение сведений о погрешностях измерения напряжения компенсационным методом. Знакомство потенциометрами постоянного тока.

Задание для домашней подготовки

Используя рекомендованную литературу и настоящее описание, изучите следующие вопросы:

- методы измерения ЭДС и малых постоянных напряжений;

- причины возникновения и способы снижения погрешностей при измерении ЭДС и малых постоянных напряжений;

- устройство, принцип действия и основные характеристики потенциометров постоянного тока.

Пояснения к работе

Для измерения малых постоянных напряжений (менее 10 мВ) с погрешностью менее 0,01 % применяются потенциометры (компенсаторы) постоянного тока или прецизионные интегрирующие цифровые вольтметры. Потенциометры существенно дешевле аналогичных по точности цифровых вольтметров, поэтому для измерений малых постоянных напряжений в лабораторных условиях они могут оказаться предпочтительней.

Потенциометры постоянного тока предназначены для измерения напряжения методом сравнения с мерой. При использовании этого метода измеряемая величина одновременно или периодически сравнивается с мерой, и результирующий эффект воздействия этих величин на устройство сравнения доводится до нуля. В связи с этим данную разновидность метода сравнения обычно называют нулевым или компенсационным методом измерений. Используемая в нулевом методе мера должна быть регулируемой, а погрешность измерений тем меньше, чем выше чувствительность устройства сравнения.

Компенсационный принцип измерений иллюстрирует рис. 1. Измеряемое напряжение U_x сравнивается с мерой, в качестве которой выступает образцовое компенсирующее напряжение U_ком, создаваемое регулируемым источником образцового напряжения (ИОН). Этот источник включается встречно с источником измеряемого напряжения. В качестве устройства сравнения (нуль-индикатора) служит гальванометр. Компенсирующее напряжение U_ком на выходе ИОН изменяется в процессе измерений до тех пор, пока оно не уравновесит напряжение U_x. При выполнении условия U_ком = U_x ток через нуль-индикатор не проходит и его стрелка устанавливается на ноль.

Рис. 1 Схема, поясняющая принцип работы потенциометра

Компенсационный метод обеспечивает высокую точность измерений напряжения по следующим причинам:

- напряжение на выходе ИОН известно с высокой точностью;

- условие U_ком = U_x выполняется с высокой точностью благодаря чувствительному гальванометру;

- в момент снятия показаний ток через источник измеряемого напряжения U_x не протекает и падение напряжения на его внутреннем сопротивлении R_вн отсутствует, следовательно, методическая погрешность, обусловленная влиянием входного сопротивления средства измерений, сведена к нулю.

Последнее свойство потенциометров уникально и позволяет выполнять прямые измерения не только величины падения напряжения, но и ЭДС источника. Выпускаемые промышленностью потенциометры постоянного тока обычно имеют класс точности от 0,0005 до 0,5.

Недостатками потенциометров постоянного тока являются более трудоемкий по сравнению с вольтметрами процесс измерений и небольшое максимальное значение измеряемого напряжения на входных клеммах прибора – обычно не более 1,5…2 В.

Д ля расширения пределов измерений потенциометра, напряжение U_x подают на его вход через делитель напряжения (рис. 2). Основными характеристиками делителя напряжения являются номинальное значение коэффициента деления К и погрешность воспроизведения этого значения.

Рис. 2 Схема подключения потенциометра через делитель напряжения

Значение коэффициента деления

Для удобства измерений номинальное значение К выбирается из ряда 10^-n, где n = 0, 1, 2 и т. д.

При использовании делителя через него, а следовательно и через источник измеряемого напряжения, протекает ток, то есть теряется одно из основных преимуществ компенсационного метода измерений. Чтобы свести влияние этого фактора к минимуму, общее сопротивление делителя R1+R2 должно быть намного больше, чем внутреннее сопротивление источника измеряемого напряжения R_вн. Использование делителя приводит к изменению вида измерений. Измерения, выполняемые потенциометром без делителя, являются прямыми, с делителем измерения становятся косвенными. Зависимость между измеряемой величиной U_х и показаниями потенциометра U_пот имеет вид

.

Как правило, R2≪R1, поэтому погрешность косвенных измерений в рассматриваемом случае можно вычислить по формуле:

(1)

где ΔU_пот/U_пот – предел относительной погрешности потенциометра, определяемый по его классу точности;

ΔR1/R1 – предел относительной погрешности воспроизведения сопротивления верхнего плеча делителя.

Упрощенная электрическая схема используемого в работе потенциометра постоянного тока показана на рис. 3. Компенсирующее напряжение образуется за счет сложения падений напряжений, возникающих при протекании рабочего тока I_р1 через декады R2, R4 измерительного резистора в первом контуре и рабочего тока I_р2 через декады R6, R8 во втором контуре. Рабочие токи создаются с помощью высокостабильных вспомогательных источников питания Б2, Б3. Значения рабочих токов поочередно в первом и втором контурах регулируются резисторами R1 и R5. Данная регулировка выполняется до тех пор, пока падение напряжения, возникающее при протекании рабочего тока через резистор R3 (R7), не станет равным ЭДС нормального элемента Б1. Нуль-индикатор ИП1 включается в цепь первого контура кнопкой В1 «▲1», а в цепь второго – кнопкой В2 «▲2».

При измерении неизвестного напряжения U_х нуль-индикатор подключается кнопкой В3 (переключаемый контакт В3 при этом устанавливается в левое положение). С помощью декадного измерительного резистора происходит уравновешивание измеряемого напряжения U_х суммарным падением напряжения на декадах R2, R4, R6, R8. Значение U_х определяют как сумму значений, отсчитанных по шкалам декад измерительного резистора.

Высокая точность измерений напряжения обеспечивается точностью воспроизведения ЭДС нормального элемента, точностью и температурной стабильностью сопротивлений резисторов, стабильностью вспомогательных источников питания.

Рис. 3. Электрическая схема потенциометра постоянного тока