Описание лабораторного стенда

Рисунок 3.2 – Вид лабораторного стенда работы № 3.2

В состав виртуального лабораторного стенда (рисунок 3.2) входят LabVIEW компьютерные модели следующих устройств:

- универсальный источник питания (УИП) с регулируемым стабилизированным напряжением постоянного тока;

- коммутационное устройство (КУ), обеспечивающее включение приборов согласно рисунку 3.1, а или 3.1, б;

- магазин сопротивлений, используемый в качестве сопротивления нагрузки;

- два магнитоэлектрических вольтамперметра для прямых измерений постоянного напряжения и силы тока.

Схема соединения приборов при выполнении работы показана на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Схема соединения приборов стенда работы № 3.2

Характеристики магнитоэлектрического вольтамперметра:

- служит для измерения напряжения и силы постоянного тока;

- пределы измерений постоянного напряжения от 0,075 В до 600 В;

- пределы измерений постоянного тока от 0,075 мА до 3 А;

- внутреннее сопротивление в режиме измерения тока составляет 0,1 Ом;

- входное сопротивление в режиме измерения напряжения равно 30 кОм;

- пределы допускаемой приведенной погрешности (класс точности) на всех пределах измерения не более ± 0,5 %.

Программа работы

1. Измерить мощность постоянного электрического тока при сопротивлениях нагрузки 4,7 Ом; 100 Ом; 10 кОм с использованием двух схем включения вольтметра и амперметра.

2. Рассчитать погрешности измерения мощности для каждого измерения.

Указания к выполнению работы

1. Запустите программу лабораторной работы № 3.2 «Измерение мощности постоянного электрического тока». На экране компьютера появится модель лабораторного стенда (рисунок 3.2.).

2. Измерение электрической мощности при R_н = 4,7 Ом.

2.1. Установите на вольтамперметре 1 (вольтметр) предел измерения 7,5 В × 2; на вольтамперметре 2 (амперметр) – предел измерения 750 мА × 4. Сопротивление магазина сделайте равным 4,7 Ом. Включите УИП тумблером СЕТЬ, переключатель диапазонов установите в положение «0-15 В», ручкой ПЛАВНО установите на выходе УИП напряжение примерно 14 В.

Переведите переключатель КУ в положение 1, что соответствует включению приборов согласно рисунку 3.1, а. Измерьте значения напряжения и тока, занесите данные в таблицу 3.1 для первой схемы.

2.2. Не меняя других настроек, переведите переключатель КУ в положение 2, что соответствует схеме согласно рисунку 3.1, б. Занесите значения напряжения и тока в таблицу 3.1 для второй схемы.

3. Измерение электрической мощности при R_н = 100 Ом.

Не меняя напряжение на выходе УИП, увеличьте сопротивление магазина до 100 Ом. Установите на вольтамперметрах пределы, на которых показания были бы как можно ближе к установленному пределу шкалы. Снимите показания вольтметра и амперметра при установке переключателя КУ вначале в положение 1, а потом в положение 2. Занесите данные в таблицы.

4. Измерение электрической мощности при R_н = 10 кОм.

Выполните действия, описанные в п. 3, при R_н = 10 кОм.

5. Рассчитайте относительные погрешности косвенных измерений мощности, используя формулы (3.1) - (3.8).

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

- формулировку цели работы;

- сведения о характеристиках использованных средств измерений;

- электрические схемы (рисунок 3.1);

- экспериментальные данные и расчеты погрешностей;

- заполненные таблицы 3.1 для первой и второй схем;

- графики зависимостей δ_Р = f(R_н) для первой и второй схем;

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

Таблица 3.1 – Измерение мощности постоянного тока методом амперметра и вольтметра

Схема № _______

Величина	Rн = 4,7 Ом		Rн = 100 Ом		Rн = 10 кОм
	U	I	U	I	U	I
Измеренное значение: U в В; I в А
Методическая погрешность: δмU, δмI, %
Инструментальная погрешность: δинсU, δинсI, %
Результирующая погрешность: δU, δI, %
Погрешность измерения мощности, δР, %
Результат измерения мощности: Р ± δР

Контрольные вопросы

1. Почему измерение электрической мощности методом амперметра и вольтметра является косвенным измерением?

2. Чем обусловлены методические погрешности при использовании метода амперметра и вольтметра? Как их снизить?

3. Чем отличаются исследованные схемы включения ампера и вольтметра? Когда целесообразно использовать первую, а когда вторую схему?

Лабораторная работа № 3.3

ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ

Цель работы: Изучение компенсационного метода измерения постоянного напряжения. Знакомство с устройством и параметрами потенциометров 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

Компенсационный метод применяется для измерения с высокой точностью малых постоянных напряжений (от единиц мВ до 1…2 В). В компенсационном методе измеряемое напряжение сравнивается с регулируемым напряжением (мерой), значение которого известно с высокой точностью. В процессе измерения меру регулируют до тех пор, пока не будет достигнуто равенство измеряемого напряжения и меры, после чего значение измеряемого напряжения отсчитывают по шкале меры. Приборы, реализующие этот метод, называются потенциометрами (компенсаторами) постоянного тока.

Компенсационный метод измерения напряжения иллюстрирует рисунок 4.1. 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 высокочувствительный гальванометр. В процессе измерений компенсирующее напряжение U_ком на выходе ИОН изменяется до тех пор, пока оно не уравновесит напряжение U_x. При U_ком = U_x ток через нуль-индикатор не проходит и его стрелка устанавливается на ноль.

Компенсационный метод обеспечивает высокую точность измерений напряжения по следующим причинам:

- напряжение на выходе ИОН может быть определено с высокой точностью по его отсчетному устройству;

- 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.

Рисунок 4.1 – Схема, поясняющая принцип работы потенциометра

Последнее свойство потенциометров уникально и позволяет выполнять прямые измерения не только напряжения, но и ЭДС источника. Выпускаемые промышленностью потенциометры постоянного тока обычно имеют класс точности от 0,0005 до 0,5, при этом они дешевле цифровых вольтметров аналогичного класса. Потенциометры используются для точных измерений напряжения в лабораторных условиях, поверки в цеховых условиях термопар и вторичных теплотехнических приборов, работающих с термопарами и некоторых других применений. 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.

Для расширения пределов измерений потенциометра, напряжение U_x подают на его вход через делитель напряжения R1R2 (рисунок 4.2). Делитель напряжения здесь является средством измерений (имеет нормируемые метрологические характеристики).

Номинальное значение коэффициента деления

(4.1)

Для удобства значение K выбирается из ряда 10^–n, где n = 0, 1, 2 и т. д.

Связь между измеряемым напряжением U_х и показаниями потенциометра U_пот :

(4.2)

Иными словами, чтобы получить значение измеряемого напряжения, значение, отсчитанное по шкале потенциометра, надо разделить на коэффициент деления делителя (K<1).

Рисунок 4.2 – Схема подключения потенциометра через делитель напряжения

При использовании делителя через источник измеряемого напряжения U_x протекает ток и возникает падение напряжения на его внутреннем сопротивлении R_вн. Тем самым теряется одно из основных преимуществ компенсационного метода измерений, связанное с отсутствием методической погрешности. Чтобы снизить возникающую в этом случае методическую погрешность, общее сопротивление делителя R1+R2 должно быть значительно 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 – косвенными. При этом погрешность измерения напряжения U_x возрастает, поскольку теперь она будет зависеть не только от погрешности потенциометра, но и от погрешности делителя.

Относительную погрешность измерения напряжения U_x потенциометром с делителем на входе можно вычислить по формуле, %:

(4.3)

где ΔU_пот – абсолютная погрешность потенциометра;

ΔК – абсолютная погрешность делителя напряжения (абсолютная погрешность воспроизведения коэффициента K).

Упрощенная электрическая схема используемого в работе потенциометра постоянного тока показана на рисунке 4.3. 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

Рисунок 4.3 – Электрическая схема потенциометра постоянного тока