«Измерение напряжения и токов»

(По курсу «Основы теории измерений»)

Цель работы

Цель работы - ознакомление с принципом действия, устройством приборов для измерения напряжения и тока, исследование их основных метрологических характеристик и приобретение практических навыков работы с измерительными приборами.

Программа работы:

1. Определение основной погрешности, вариация показаний и поправку вольтметра;

2. Определение чувствительности и цены деления вольтметра;

3. Определение входного сопротивления вольтметра;

4. Определение частотного диапазона вольтметра;

Порядок выполнения работы:

1. Определение основной погрешности, вариация показаний и поправки вольтметра выполняют по схеме, изображенной на рисунке 1. В качестве поверяемого прибора используют вольтметр типа Ц-4313 (МПЛ-46), а образцовым служит цифровой вольтметр типа В7-41 (В2-23).

Рис.1

Для выполнения п.1 программы поверяемый вольтметр Ц-4313 (МПЛ-46) устанавливают на диапазон 15 В и измеряют напряжение на всех оцифрованных делениях шкалы, изменяя входное напряжение регулируемого источника Б5-11 (ТЕС-13). Первая 1/3 шкалы вольтметра Ц-4313 (МПЛ-46) нерабочая. Измерение напряжения на каждом оцифрованном делении шкалы Ц-4313 (МПЛ-46) производят дважды: один раз при возрастании напряжения (показание образцового вольтметра U’_обр), а второй раз при убывании напряжения (показание образцового вольтметра U’’_обр). При этом на образцовом вольтметре В7-41 (В2-23) необходимо выбрать поддиапазон, обеспечивающий не менее трех значащих цифр. Результаты измерений занести в форму 1.

Действительные значения на оцифрованных делениях шкалы поверяемого вольтметра определяют как среднее значение двух измерений: U_ср=(U’_обр+U’’_обр)/2.

Расчет погрешности измерений выполняют по формулам:

Абсолютная погрешность: U=U_пов-U_ср,

Относительная погрешность: =( U/ U_пов)*100%,

Приведенная погрешность: _п=( U/ U_ном) *100%, где U_ном=15 В – номинальное значение напряжения поверяемого вольтметра.

Вариацию показаний вольтметра определяют по формулам: Абсолютное значение вариации U=U’_обр-U’’_обр, Приведенное значение вариации _в=( U_обр/ U_ном)*100%, Поправку вольтметра вычисляют по формуле П=- U. Из полученных значений _п и _в необходимо выбрать наибольшее и сравнить их с классом точности К_u поверяемого вольтметра. Если _{п макс} и _{в макс} окажутся больше К_u, то поверяемый вольтметр нельзя использовать с указанным классом точности.

Форма 1.

Показания поверяемого прибора

Uпов, В

1

15

Показание образцового прибора

U’обр, В

U’’обр, В

Действительное значение напряжения

Uср, В

Погрешность градуировки

U, В

, %

п, %

Поправка

П, В

Вариация показаний

Uобр ,В

в, %

Использование табличных значений поправки позволяет существенно уменьшить погрешность измерения напряжения поверяемым вольтметром. Вводя поправку в результат измерения, получаем действительное значение напряжения U=U_пов- U=U_пов+П.

2. Определение чувствительности и цены деления выполняют на всех поддиапазонах вольтметра Ц-4313 (МПЛ-46) и электронного вольтметра В3-38. Чувствительность приборов рассчитывается по формуле:

S=N_ном/U_ном,

где N_ном – номинальное число делений шкалы прибора, U_ном – номинальное (предельное) значение напряжения на выбранном поддиапазоне. Цену деления прибора определяет по формуле .

Исходные данные и результат расчёта свести в ф.2.

Форма 2.

Номинальное напряжение поддиапазона Uном , дел
Номинальное число делений шкалы Nном, дел
Чувствительность S, дел/В
Цена деления прибора С

Для цифрового вольтметра цену деления определяют как значение единицы младшего разряда на выбранном поддиапазоне. Отношение номинальное напряжение U_ном для выбранного поддиапазона к цене деления U_м=С характеризуется количество уровней дискретизации N_g=U_ном/ U_м.

Величину, обратную количеству уровней дискретизации, называют разрешающей способностью цифрового вольтметра. Обычно разрешающую способность определяют с учётом возможной перегрузки вольтметра по входу = U_м/U_п, где U_п – напряжение перегрузки вольтметра.

Результаты определения основных характеристик цифрового вольтметра В7-41(В2-23) на различных поддиапазонах измерения свести в форму 3.

3. Определение входного сопротивления вольтметров выполняют по схеме, изображенной на рисунке 2, входное сопротивление измеряют для двух вольтметров типа Ц-4313 (МПЛ-46) и В7-41(В2-23) на всех поддиапазонах измерений.

Рис. 2

При измерении входного сопротивления вольтметра последовательно с его входной цепью включают магазин сопротивлений R_м, Перед началом измерений на выходе источника ТЕС-13 устанавливают минимальное напряжение, а сопротивление магазина устанавливают на нуль. После этого, изменяя напряжение источника Б5-11 (ТЕС-13), устанавливают равным или близким к номинальному напряжению выбранного поддиапазона.

Затем увеличивают сопротивление магазина R_м до тех пор, пока показание вольтметра не уменьшиться на 50% (упрощает задачу). Входное сопротивление вычисляют по формуле: R_вх=U₂R₀/(U₁-U₂), где U₁ – измеренное напряжение при R_м =0; U₂ - измеренное напряжение при R_м= R₀. Если установить U₂=0,5 U₁, то R_вх= R₀.

Форма 3

Номинальное напряжение поддиапазона Uном , В
Напряжение перегрузки поддиапазона Uп,В
Цена деления Uм, В
Количество уровней дискретизации Ng ,дел
Разрешающая способность , I/дел
Внутреннее сопротивление Rвх, мОм

Примечание: При измерении R_вх цифрового вольтметра В7-41 (В2-23) на всех диапазонах использовать сопротивление R₀=100 кОм.

Мощность, потребляемую входной цепью вольтметра, рассчитывают по формуле: P_вх=U²_ном/R_вх.

Результаты измерений и вычислений для вольтметров Ц-4313 (МПЛ-46) и В7-41 (В2-23) свести в форму 4.

Форма 4

Тип вольтметра	Входное сопротивление и мощность на поддиапазонах
	Uном1= ,В		Uном2= ,В			Uном3= ,В
	Rвх ,Ом	Pвх , Вт	Rвх ,Ом	Pвх, Вт	Rвх,Ом		Pвх, Вт
Ц-4313 (МПЛ-46)
В7-41 (В2-23)

4. Определение частотного диапазона, вольтметров выполняют по схеме, изображенной на рисунке 3. Для определения частотного диапазона снимают зависимость показаний вольтметров от частоты переменного напряжения, подаваемого от генератора типа WELL (Г3-112). Исследования выполняют для вольтметров типов Ц-4313, В7-41 и В3-38, подключаемых к генератору поочереди.

Рис. 3.

При измерениях на выходе генератора WELL (Г3-112) устанавливают напряжение, равное 5В, которое контролируют при помощи образцового осциллографа (вольтметра) типа WELL. Частоту генератора изменяют в пределах от 50 Гц до 100 кГц, напряжение, равным 5 В. Результаты измерений заносят в форму 5.

По результатам измерений построить частотные характеристики в полулогарифмическом (логарифмическом) масштабе для всех испытуемых вольтметров.

При определении диапазона рабочих частот вольтметра полагают, что дополнительная частотная погрешность равна основной погрешности, т.е U_доп=K_uU_ном/100.

Верхнюю частоту f_в рабочего диапазона вольтметра определяют по уменьшению показаний вольтметра на значения погрешности U_доп. Нижнюю частоту f_н рабочего диапазона для электромеханического измерительного механизма прибора принимают равной 15…20 Гц. Пример определения диапазона рабочих частот приведен на рисунке 4.

Рис.4

Диапазон рабочих частот рассчитывают по формуле: f= f_в- f_н.

Форма 5

Частота f , Гц	50	100	200	500	103	5*103	104	5*104	105	2*105
Ц-4313, В
В7-41, В
В3-38, В