Лабораторная работа № 4 Измерение электрических и неэлектрических величин

Цель и задачи работы

Цель работы состоит в ознакомлении со средствами измерений электрических и неэлектрических величин; получении практических навыков измерения этих величин.

Задачи работы

- изучить методы измерения;

- изучить с классификацию средств измерений;

- ознакомиться с мультиметром MY68 и М266;

- изучить метрологические характеристики средств измерений;

- измерить омическое сопротивление резисторов;

- выполнить отчет о работе (прил. 4).

Теоретическая часть

Измерение

Измерение является процессом нахождения какой-либо физической величины (размер, масса, время и т.д.) опытным путем с помощью специальных технических средств – измерительных инструментов и приборов. Результат измерения выражается числом в каких-либо единицах измерения. Результаты измерения могут автоматически восприниматься машиной и служить основой для автоматического управления процессом [4].

Точность измерения – степень приближения результата измерения к действительному (истинному) значению измеряемой величины. Точность измерений величины х оценивается абсолютной ∆х или относительной δ_х погрешностями:

Абсолютная погрешность

∆х=х_д–х_i, (1)

где х_д – действительное или истинное значение измеряемой величины;

х_i – значение измеряемой величины, полученное при измерении.

Относительная погрешность

δ_х =(∆х/х_д)100 %. (2)

Для измерительных приборов, диапазон измерения которых включает и нулевое значение измеряемой величины вводится понятие приведенной погрешности, равной отношению абсолютной погрешности измерения прибора к некоторому нормирующему значению х_N:

γ=∆х/ х_N. (3)

По способу получения значений физической величины измерения могут быть прямыми, косвенными, совокупными и совместными.

Прямые измерения заключаются в экспериментальном сравнении измеряемой величины с мерой этой величины или в отсчете показаний измерительного прибора, непосредственно дающего значения измеряемой величины (например, измерение электрического напряжения – вольтметром, длины – линейкой и т.д.).

Косвенными называют измерения, результат которых определяют на основании прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью (например, измерение электрического сопротивления – по результатам измерения падения напряжения и силы тока, объема – по результатам измерения длины, ширины и высоты и т.д.).

Совокупные измерения – производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, полученных при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместные измерения – одновременные измерения двух или нескольких разнородных величин для установления зависимости между ними.

Измерения могут быть абсолютными или относительными. Абсолютное измерение основано на прямых измерениях величины и (или) использовании значений физических констант.

При относительных измерениях величину сравнивают с одноименной, играющей роль единицы или принятой за исходную.

Статические – измерения, при которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

Динамические – измерения, в процессе которых измеряемая величина остается постоянной во времени.

Методы измерений

Для повышения точности измерений разработан целый ряд методов измерений. Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Принципом измерений называется совокупность физических явлений, на которых основаны измерения.

Можно выделить следующие методы измерений:

1. Метод непосредственной оценки.

Метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины непосредственно без каких-либо дополнительных действий со стороны лица, производящего измерение, и без вычислений, кроме умножения его показаний на постоянную прибора или цену деления.

Наиболее многочисленной группой приборов, служащих для измерения методом непосредственной оценки, являются показывающие, в том числе цифровые и стрелочные приборы (цифровые мультиметры, амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры, манометры, динамометры, барометры и т.д.) [13, 15].

2. Метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например, измерение размера с помощью калибров).

Существует несколько разновидностей метода сравнения:

- Метод противопоставления, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно действуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами (например, взвешивание на весах с применением гирь).

- Дифференциальный метод, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины, воспроизводимой мерой (например, проверка измерительных трансформаторов тока, измерительных трансформаторов напряжения, измерение на оптиметрах).

- Нулевой метод. При его применении измеряемую величину сравнивают с величиной, значение которой известно. Последнюю подбирают таким образом, чтобы разность между измеряемой и известной величинами равнялась нулю (например, взвешивание на рычажных весах, измерение сопротивления, индуктивности, емкости на приборах с мостовой схемой, измерение температуры с помощью оптического пирометра).

- Метод совпадения характеризуется использованием совпадения отметок или сигналов (например, измерение длины инструментами с дополнительной шкалой – нониусом, в радиотехнике используют явление биений – установление разности или равенства двух частот, при точных измерениях используют явление интерференции, стробоскопический эффект и т.д.).

- Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

3. При измерении линейных величин различают контактный и бесконтактный метод измерения.

Контактный метод измерений – метод, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения. Например, контроль температуры термометром.

Бесконтактный метод измерения – метод, основанный на том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измерения. Например, измерение температуры пирометром.

Элементы конструкции средств измерения

Измерительные средства состоят из чувствительного элемента, который находится под непосредственным воздействием измеряемой величины, измерительного механизма и отсчетного устройства для нахождения значения измеряемой величины.

Отсчетное устройство показывающего прибора имеет шкалу и указатель, выполненный в виде материального стержня – стрелки – или в виде луча света – светового указателя. Шкала – часть отсчетного устройства, представляющего собой совокупность отметок и проставленных у некоторых из них чисел отсчета или других символов, соответствующих ряду последовательных значений величины. Промежуток между двумя соседними отметками шкалы называется делением шкалы. Интервал деления шкалы – расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы. Шкалы с делениями постоянной длины называют равномерными.

Метрологические характеристики средств измерения

Метрологическая характеристика средств измерений — характе­ристика одного из свойств измерений, влияющих на результат из­мерений или его погрешность.

Измерительные приборы состоят из чувствительного элемента, который находится под непосредственным воздействием измеряемой величины, измерительного механизма и отсчетного устройства для нахождения значения измеряемой величины.

Основные метрологические показатели приборов: цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы; начальное и конечное значения шкалы – наименьшее и наибольшее значение измеряемой величины, указанные на шкале; диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы; диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерения; предел измерений – наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений; чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины.

Цена деления – разность значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины.

Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины.

Абсолютная чувствительность – отношение перемещения стрелки прибора ∆l к изменению измеряемой величине ∆х–S=∆l/∆х.

Относительная чувствительность – отношение перемещения стрелки прибора ∆l к частному от деления изменения измеряемой величины ∆l к самой измеряемой величине ∆х–S₀=∆l/(∆х/x).

Погрешности средств измерений возникают в результате воздействия большого числа факторов, обусловленных их изготовлением, хранением, эксплуатацией и условиями проведения измерений. Абсолютная погрешность меры – разность между номинальным значением меры и истинным значением воспроизводимой ею величины. Абсолютная погрешность измерительного прибора – разность между показаниями прибора и истинным значением измеряемой величины. Однако в связи с тем, что истинное значение величины неизвестно, на практике вместо него используют действительное значение величины.

На погрешность средств измерений сильное влияние оказывают условия их применения. Нормальными условиями применения средств измерений называют условия, при которых влияющие величины имеют нормальное значение или находятся в пределах нормальной области значений. Влияющей физической величиной называется величина, которую не измеряют данным средством измерений, но которая оказывает влияние на результаты измерений этим средством. К влияющим величинам относятся, например, температура, давление, влажность, вибрации, запыленность окружающей среды и т. д.

Погрешность средств измерений, используемых при нормальных условиях, называется основной погрешностью. Изменение действительного значения меры или показания прибора при отклонении одной из влияющих величин за пределы, установленные для нормального значения или для нормальной области значений, называется дополнительной погрешностью средства измерения.

Класс точности средства измерений – обобщенная характеристика средства измерений, определяемая пределами допускаемых и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на их точность и определяемыми стандартами на отдельные виды средств измерений.

Необходимое лабораторное оборудование и приборы

Для выполнения работы необходимо:

- цифровой мультиметр MY68;

- цифровой мультиметр М266;

- резисторы.

Меры безопасности

1. Запрещается настройка, регулировка и любые другие действия с приборами без предварительного ознакомления с ними.

2. Работая на приборе, запрещается применять излишнее усилие.

3. Студент обязан следить за чистотой на рабочем месте.

4. Студент должен по окончании работы сдать приборы и инструменты в исправном и комплектом состоянии.

Задание

1. Ознакомиться с методами измерений, метрологическими характеристиками средств измерений.

2. Изучить устройство мультиметра MY68 и М266.

3. Изучить классификацию средств измерения и определить к какому виду относятся мультиметр.

4. Измерить омическое сопротивление резисторов мультиметрами.

5. Привести таблицу с результатами измерений произвольной формы.

Методика выполнения задания

Устройство цифрового мультиметра MY68

Цифровой мультиметр MY68 (рис. 1) имеет следующие возможности:

- измерение постоянного и переменного тока и напряжения;

- измерение электрического сопротивления;

- измерение емкости;

- измерение частоты;

- проверка диодов;

- проверка транзисторов;

- проверка проводимости.

Основные метрологические характеристики

1

2

3

41

5

6

Рис. 1. Цифровой мультиметр MY68: 1 – кнопка памяти данных;

2 – кнопка управления пределами; 3 – кнопка выбора режима; 4 – панель

проверки транзисторов; 5 – переключатель хода работы/включатель питания;

6 – входные гнезда

Диапазон измеряемого прибором постоянного напряжения от 0,1 мВ до 1000 В; переменного напряжения от 1 мВ до 750 В. Диапазон измерения постоянного и переменного тока от 0,1 мкА до 10 А. Диапазон измеряемого прибором электрического сопротивления от 0,1 Ом до 32,6 МОм. Диапазон измерения емкости от 0,1 нФ до 32,6 мкФ. Диапазон измерения частоты от 10 Гц до 200 Гц.

Основная погрешность прибора при измерении постоянного напряжения ±0,3 %, при измерении переменного напряжения ±0,8 %. Основная погрешность прибора при измерении постоянного тока ±1,2 %, переменного тока ±1,5 %. Основная погрешность прибора при измерении сопротивления ±0,8 %; емкости ±3,0 %.

Устройство цифрового мультиметра М266

Цифровой мультиметр М266 (рис. 2) имеет следующие возможности:

- измерение постоянного и переменного тока и напряжения;

- измерение электрического сопротивления;

- измерение емкости;

- измерение частоты;

- проверка диодов;

- отсчет температуры.

Основные метрологические характеристики

Диапазон измеряемого прибором постоянного напряжения от 0,1 мВ до 1000 В; переменного напряжения от 100 мВ до 750 В. Диапазон измерения постоянного и переменного тока от 10 мА до 1000 А. Диапазон измеряемого прибором электрического сопротивления от 0,1 Ом до 2 МОм. Диапазон измерения емкости от 0,1 нФ до 32,6 мкФ. Диапазон измерения частоты or 1 Гц до 2 кГц.

Основная погрешность прибора при измерении постоянного напряжения ±0,5 %, при измерении переменного напряжения ±1 %. Основная погрешность прибора при измерении переменною тока ±2 %. Основная погрешность прибора при измерении сопротивления ±1 %; частоты ±1,5 % [4].

Рис. 2. Цифровой мультиметр М266: 1 – клещи трансформатора тока;

2 – гашетка; 3 – гнезда термодатчика; 4 – переключатель памяти данных;

5 – переключатель рода работ и пределов; 6 –ЖК дисплей;

7 – входные гнезда; 8 – предохранительный темляк

Измерить омическое сопротивление резисторов вышеописанными приборами.

Классификация средств измерения

Средства измерения принято классифицировать по виду, принципу действия и метрологическому назначению.

Различают следующие виды средств измерений: меры, измерительные устройства, которые подразделяются на измерительные приборы и измерительные преобразователи; измерительные установки и измерительные системы.

Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный преобразователь – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная на одном месте.

Измерительная система – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических сигналах управления.

Все многообразие измерительных приборов, используемых для линейных измерений в машиностроении, классифицируют по назначению, конструктивному устройству и по степени автоматизации.

По назначению измерительные приборы разделяют на универсальные, специальные и для контроля.

По конструктивному устройству измерительные приборы делят на механические, оптические, электрические и пневматические и др. По степени автоматизации различают измерительные приборы ручного действия, механизированные, полуавтоматические и автоматические.

Универсальные измерительные приборы применяют в контрольно-измерительных лабораториях всех типов производств, а также в цехах единичных и мелкосерийных производств.

Универсальные измерительные приборы подразделяются на:

1. Механические:

- простейшие инструменты – проверочные измерительные линейки, щупы, образцы шероховатости поверхности;

- штангенинструменты – штангенциркуль, штангенглубиномер, штан-генрейсмас, штангензубомер;

- микрометрические инструменты – микрометр, микрометрический нутромер, микрометрический глубиномер;

- приборы с зубчатой передачей – индикаторы часового типа;

-рычажно-механические – миниметры, рычажные скобы;

2. Оптические:

- вертикальные и горизонтальные оптиметры, малый и большой инструментальные микроскопы, универсальный микроскоп, концевая машина, проекторы, интерференционные приборы;

3. Пневматические: длинномеры (ротаметры);

4. Электрические: электроконтактные измерительные головки, индуктивные приборы, профилографы, профилометры, кругломеры.

Специальные измерительные приборы предназначены для измерения одного или нескольких параметров деталей определенного типа; например приборы для измерения (контроля) параметров коленчатого вала, распределительного вала, параметров зубчатых колес, диаметров глубоких отверстий.

Приборы для контроля геометрических параметров по назначению делят на приборы для приемочного (пассивного) контроля (калибры), для активного контроля в процессе изготовления деталей и приборы для статистического анализа и контроля.

Измерить омическое сопротивление резисторов вышеуказанными мультиметрами, результаты измерений занести в таблицу бланка отчета [17].

Контрольные вопросы

1. Дать определения прямых, косвенных, совместных и совокупных измерений.

2. Метрологические характеристики средств измерения.

3. Что такое допускаемая основная погрешность прибора?

4. Классификация средств измерения.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

- титульный лист;

- название и цель работы;

- краткое изложение основных теоретических вопросов;

- краткое описание приборов;

- таблица результатов выполнения задания.