Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И.Платова (НПИ)

Метрология, стандартизация

И технические измерения

Виртуальный лабораторный практикум

Новочеркасск

Юргпу(нпи)

2014

УДК 006.91 (076.5)

Рецензент – канд. техн. наук Ю.Р.Кревченко

Григорьян С. Г.

Метрология, стандартизация и технические измерения: виртуальный лабораторный практикум/ Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГПУ(НПИ), 2014. 52 с.

Приведены краткие сведения из теории, технические характеристики средств измерений, методические указания к лабораторным занятиям, описания виртуальных лабораторных стендов и контрольные вопросы.

Для студентов, обучающихся по направлениям 210100.62 «Электроника и наноэлектроника», 220400.62 «Управление в технических системах»

 Южно-Российский государственный

политехнический университет (НПИ)

имени М.И.Платова, 2014

Введение

В основу лабораторного практикума положены виртуальные лабораторные работы, созданные в инструментальной среде LabVIEW коллективом преподавателей кафедры информационных систем Московского государственного технического университета радиотехники электроники и автоматики [1]. В настоящем пособии методические указания к указанным лабораторным работам написаны заново. Изменения внесены также в программы лабораторных работ. Двузначная нумерация работ соответствуют их нумерации в используемом программном обеспечении. Обозначения рисунков и таблиц, а также ссылки на них соответствуют требованиям ГОСТ 2.105-95, которым студенты должны руководствоваться при оформлении курсовых проектов и иных текстов в процессе обучения.

Лабораторная работа № 1.1

ВЫПОЛНЕНИЕ ПРЯМЫХ И КОСВЕННЫХ

ОДНОКРАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы: приобретение навыков планирования и выполнения однократных прямых и косвенных измерений напряжения, обучение выбору средств измерений, обработке и представлению результатов измерений.

Задание для домашней подготовки

Используя рекомендованную литературу и настоящее описание, изучите следующие вопросы:

- классификация погрешностей измерений;

- виды измерений;

- расчет инструментальной погрешности при прямых и косвенных измерениях;

- принцип действия, устройство и характеристики средств измерений, используемых при выполнении настоящей работы.

Пояснения к работе

Погрешности измерений. Погрешность результата измерения (погрешность измерения) – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Истинное значение измеряемой величины неизвестно, поэтому вместо него используют действительное значение величины. За действительное значение при однократных измерениях принимают значение, полученное с помощью эталонного средства измерений, при многократных измерениях – среднее арифметическое ряда отдельных измерений.

По способу выражения различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности.

Абсолютная погрешность Δ – это разность между измеренным х_изм и действительным х_д значениями измеряемой величины:

Δ = х_изм – х_д.

Абсолютная погрешность выражена в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность δ, выраженная в %:

(1.1)

где х – действительное или измеренное значение величины.

Приведенная погрешность γ, выраженная в %:

где х_N – нормирующее значение, в качестве которого, как правило, принимают верхний предел (диапазон) измерений.

Результирующая погрешность однократного измерения в общем случае складывается из инструментальной и методической составляющих. Методическая погрешность обусловлена несовершенством метода измерений и будет рассмотрена в следующей лабораторной работе. Измерения всегда стремятся организовать так, чтобы методическая погрешность стремилась к нулю. В данной работе считается, что методическая погрешность отсутствует.

Инструментальная погрешность обусловлена погрешностью применяемого средства измерений, в общем случае она складывается из основной и дополнительных погрешностей. Основная погрешность определяется по классу точности средства измерений и представляет собой инструментальную погрешность в нормальных условиях. Дополнительные погрешности обусловлены отклонением температуры окружающего воздуха, напряжения питания и других влияющих факторов от нормальных значений. При выполнении данной лабораторной работы предполагается, что измерения проводятся в нормальных условиях, поэтому дополнительная погрешность равна нулю.

Виды измерений. Измерения могут быть однократными и многократными. Подавляющее большинство измерений являются однократными – выполняются один раз. Многократным называют измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом однократных измерений. Многократное измерение используют для повышения точности при существенной случайной составляющей погрешности.

Измерения могут быть прямыми и косвенными. При прямых измерениях искомое значение физической величины находят непосредственно из показаний средства измерений, градуированного в единицах этой величины, например, измерение электрического напряжения вольтметром.

Косвенное измерение – определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Косвенные измерения выполняют тогда, когда прямые измерения данной величины затруднены или невозможны, либо если косвенные измерения дают более высокую точность, чем прямые. Примером косвенных измерений может служить нахождение силы тока по падению напряжения на резисторе малого сопротивления (шунте). Сопротивление шунта и падение напряжения получают путем прямых измерений, а силу тока вычисляют по закону Ома.

Погрешность косвенных измерений определяется на основании погрешностей прямых измерений. Наиболее распространен случай, когда искомая величина Z определяется зависимостями Z = X·Y или Z = X/Y, где величины X и Y найдены путем прямых измерений. При этом предел относительной погрешности измерения величины Z, %

δ_Z = δ_Х + δ_Y, (1.2)

где δ_Х, δ_Y – относительные погрешности измерения величин X и Y, %.

Характеристика используемых средств измерений напряжения.

При решении конкретной задачи выбор подходящего прибора основывается на известной информации о свойствах и примерном значении измеряемого напряжения, а также на требованиях к точности измерения.

Магнитоэлектрические вольтметры. Среди электромеханических приборов наибольшее распространение получили вольтметры магнитоэлектрической системы. По сравнению с электромеханическими вольтметрами других систем, они имеют лучшие характеристики. Магнитоэлектрические вольтметры пригодны для измерений напряжений от десятков милливольт до сотен вольт. Они имеют линейную шкалу, характеризуются высокой точностью и чувствительностью, малым собственным потреблением энергии. Входное сопротивление магнитоэлектрических вольтметров постоянного тока лежит в диапазоне от 10 до 100 кОм, поэтому они пригодны только для измерений в электрических цепях с невысоким внутренним сопротивлением. Магнитоэлектрические вольтметры имеют класс точности от 0,2 до 2,5. В настоящее время электромеханические вольтметры часто применяются в качестве щитовых приборов, так как в отличие от электронных вольтметров они не требуют источника питания, более просты и надежны в эксплуатации.

Аналоговые электронные вольтметры состоят из электронного преобразователя и магнитоэлектрического измерителя. Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока, по сравнению с магнитоэлектрическими вольтметрами, имеют большое входное сопротивление (порядка 10-30 МОм) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при переключении пределов измерения. В связи с широким распространением недорогих цифровых вольтметров, аналоговые электронные вольтметры в настоящее время используются редко.

Цифровые вольтметры строятся на основе аналого-цифровых преобразователей. Цифровые вольтметры имеют большое входное сопротивление (обычно более 100 МОм), высокую точность и чувствительность, широкий диапазон измеряемых напряжений, удобный отсчет показаний. Цифровой вольтметр, как правило, представляет собой мультиметр, позволяющий измерять в широком диапазоне значений постоянное и переменное напряжение, постоянный и переменный ток, электрическое сопротивление. Стоимость цифровых вольтметров среднего класса точности невысока, поэтому, благодаря своим достоинствам, они вытеснили электромеханические вольтметры из многих областей применения.