2.1.1. Прямые измерения. Ход работы

1. Измерение постоянного тока

1. Создание схемы

Используя пакет Electronics Workbench реализуйте на экране компьютера ситуацию измерения постоянного тока, потребляемого активной нагрузкой. Для этого из "ящика компонентов" выберите необходимые элементы и соберите схему измерения.

В качестве прибора для измерения тока вместо амперметра может быть использован мультиметр, в этом случае ему необходимо задать режим измерения постоянного тока. Величины напряжения источника питания, его внутреннего сопротивления и сопротивление нагрузки выберите по своему усмотрению в пределах значений, указанных ниже:

; ; .

2. Реализация идеального измерительного эксперимента

Задайте внутреннее сопротивление амперметра (мультиметра, работающего в режиме измерения тока) . Подключив прибор в нужные точки схемы, зафиксируйте его показания. Ток, измеряемый амперметром (мультиметром) в этом случае, есть действительное значение тока нагрузки, т. к. в этой ситуации реализуется идеальный измерительный эксперимент. Реальный амперметр всегда имеет малое, но конеч­ное внутреннее сопротивление .

3. Реализация реального измерительного эксперимента

Измените внутреннее сопротивление прибора или последовательно с идеальным амперметром (мультиметром) включите сопротивление , имитирующее внутреннее сопротивление реального при­бора. Выберите, для начала, . Зафиксируйте показания мультимет­ра. Показания прибора в этом случае – значение тока нагрузки, измеренное реальным прибором. Измеренное значение тока отличается от его действи­тельного значения.

Определите абсолютную и относительную (в %) погрешности измере­ния тока. Сделайте выводы: Чем обусловлена эта погрешность? Почему ее называют методической?

4. Анализ результатов

Изменяя величину от до и определяя каждый раз величину относительной методической погрешности, постройте график зависимости методической погрешности от соотношения , т.е. .

Анализируя полученный график, сделайте вывод о том, как следует выбирать амперметр, чтобы можно было не учитывать методическую погрешность, если класс точности амперметра 1,0. (Критерием, когда методическую погрешность можно не учитывать, может служить, например, условие , или более жесткое, где – основная погрешность амперметра, определяемая классом точности.

2. Измерение постоянного напряжения

1. Создание схемы

Соберите виртуальную схему для измерения падения на­пряжения постоянного тока на участке электрической цепи (например, на выходе обычного резистивного делителя напряжения). В случае измерения мультиметром, его необходимо использовать в режиме измерения напряжения постоянного тока.

2. Реализация идеального измерительного эксперимента

Задав вольтметру (мультиметру) значение внутреннего сопротивления , проведите измерение напряжения на выходе дели­теля. Зафиксируйте его показания, которые в этом случае являются дейст­вительным значением падения напряжения на участке цепи, куда подклю­чен мультиметр.

3. Реализация реального измерительного эксперимента

Измените внутреннее сопротивление прибора или параллельно входным зажимам мультиметра вклю­чите сопротивление , имитирующее внутреннее сопротивление реального вольтметра. Выберите, для начала, , где – сопротивление участ­ка цепи, падение напряжения на котором измеряется. Зафиксируйте показа­ния мультиметра. Определите абсолютную и относительную погрешности измерения напряжения реальным вольтметром.

Сделайте выводы: чем обу­словлена погрешность измерения напряжения? Почему она также называется методической?

4. Анализ результатов

Изменяя величину от до , постройте график зависимости:

.

Анализируя полученный график, сделайте выводы о том, как следует выбирать вольтметр, чтобы можно было не учитывать методическую по­грешность вольтметра, класс точности которого 1,0. Критерий малости ме­тодической погрешности использовать тот же, что и для амперметра.

2. Косвенные измерения. Ход работы

В качестве примера для изучения методических погрешностей при кос­венных измерениях в лабораторной работе используется основное соотноше­ние, описывающее закон Ома для участка цепи постоянного тока.

1. Создание схемы

Изобразите на экране компьютера возможные схемы включения из­мерительных приборов (вольтметра и амперметра) для измерения сопротив­ления участка цепи на основании закона Ома. Измерения осуществляются мультиметром в режиме измерения тока и в режиме измерения напряжения. Внутреннее сопротивле­ние источника питания принять равным нулю.

2. Реализация идеального измерительного эксперимента

Проведите измерение сопротивления в каждой из возможных схем включения приборов дважды, задавая в качестве измеряемого сопро­тивления сначала , а затем . Переключая мультиметр в режим измерения тока, а затем в режим измерения напряжения, и под­ключая его соответствующим образом в нужные точки схемы, зафикси­руйте значения тока и напряжения в каждом случае. Рассчитайте величину сопротивления по показаниям приборов.

Отличаются ли рассчитанные по показаниям приборов значения сопротивлений и для разных схем включения приборов? Можно ли отдать предпочтение какой-либо схеме включения приборов, учитывая, что в данном измерительном эксперименте использовались идеализированные измерительные приборы ( , ).