Лаба 2 / Лабораторная работа №2_бригада1_0421
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра ИИСТ
ОТЧЕТ по лабораторной работе № 2
по дисциплине «Метрология» ТЕМА: «Исследование основных метрологических характеристик
электронных вольтметров»
Студенты гр. 0421 |
|
Токарев А.А. |
|
|
|
|
Терентьева А.С. |
|
|
|
Артемьев Я.А. |
Преподаватель |
|
|
Кузьмина А.Д. |
Санкт-Петербург
2022
Цель работы
Исследование метрологических характеристик электронных вольтметров.
Задание
1.Ознакомиться с имеющейся на рабочем столе аппаратурой и получить от преподавателя конкретное задание для выполнения лабораторной работы.
2.Определить основную погрешность электронного вольтметра на диапазоне измерений, указанном преподавателем. Построить на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра. Сделать вывод о соответствии поверяемого вольтметра его классу точности.
3.Определить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) электронного вольтметра. Построить график АЧХ и определить рабочую полосу частот вольтметра на уровне затухания АЧХ, определяемом нормативнотехнической документацией на поверяемый вольтметр. На основе анализа полученных данных сделать вывод о соответствии поверяемого прибора его классу точности.
4.Измерить электронным вольтметром напряжения различной формы (синусоидальной, прямоугольной и треугольной) с одинаковой амплитудой на частотах, лежащих в рабочей полосе частот этого прибора. Объяснить и подтвердить расчетами полученные результаты. Сделать вывод о влиянии формы измеряемого напряжения на показания
электронного вольтметра.
Описание и порядок выполнения работы
Для выполнения работы применяют схему, представленную на рис. 2.1, где ГС – генератор (синтезатор) сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы, ЦВ – цифровой вольтметр, ЭВ – электронный вольтметр, ЭЛО – электронно-лучевой осциллограф.
Основную погрешность электронного вольтметра определяют методом сличения, т. е. сравнением его показаний с показаниями образцового, в данном случае цифрового вольтметра, при синусоидальном
2
напряжении. Показания образцового вольтметра принимаются за действительные значения напряжения.
Поверку электронного вольтметра GVT-417B проводят при частоте f0 = 1 кГц на шкалах с верхними пределами 1 или 3 В, что обусловлено диапазоном регулирования выходного напряжения используемого генератора.
Поверку проводят для n = (6…10) отметок шкалы, равномерно распределенных по шкале прибора, при плавном увеличении и уменьшении его показаний. Поверяемые точки напряжения U устанавливают на электронном вольтметре, а действительные значения напряжений Uо.ув , Uо.ум получают показания цифрового вольтметра при подходе к поверяемой отметке шкалы соответственно при увеличении и уменьшении показаний.
Абсолютные, относительные, приведенные погрешности и вариации показаний определяют по формулам, приведенным в лаб. раб. 1.
По результатам испытаний и расчетов строят на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра.
На основании анализа данных об основной погрешности и вариации показаний делают вывод о соответствии указанных характеристик требованиям, определяемым классом точности поверяемого прибора.
Амплитудно-частотную характеристику электронного вольтметра определяют как зависимость показаний вольтметра от частоты входного синусоидального сигнала при постоянном значении его напряжения.
На практике широко используют понятие рабочей полосы частот средства измерений. Под рабочей полосой частот вольтметра понимают диапазон частот Δf, для которого неравномерность АЧХ вольтметра не превосходит некоторой заранее установленной допустимой величины. Так, для электронного вольтметра GVT-417B в пределах рабочей полосы не допускается изменение АЧХ, превышающее 10 % от показания прибора на частоте f0 = 1 кГц. Крайние значения диапазона частот, удовлетворяющего указанному требованию, называются нижней fн и верхней fв граничными частотами рабочей полосы электронного вольтметра.
Определение АЧХ проводят также по схеме, представленной на рис.2.1. В качестве источника сигналов используют генератор SFG-2000, который обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении частоты в его рабочем диапазоне.
На генераторе ГС устанавливают частоту f0 = 1 кГц при синусоидальной форме сигнала. С помощью регулятора выходного напряжения генератора ГС устанавливают показание электронного
3
вольтметра на отметке шкалы в диапазоне (0,7…0,9) от верхнего предела измерений и записывают установленное значение напряжения U(f0 = 1 кГц). В дальнейшем при определении АЧХ изменяют частоту генератора сигналов ГС, а его выходное напряжение поддерживают постоянным.
Для контроля уровня сигнала и его формы используют электроннолучевой осциллограф. На экране осциллографа с помощью подбора коэффициентов отклонения (VOLTS/DIV) и развертки (TIME/DIV) получают удобную для наблюдений и измерений осциллограмму – изображение нескольких периодов синусоиды с достаточно большой амплитудой; записывают амплитуду lА (или двойную амплитуду l2А) изображения сигнала для последующего контроля уровня сигнала.
АЧХ электронного вольтметра удобно определять отдельно для областей верхних и нижних частот. В области верхних частот АЧХ начинают снимать с шагом 100 кГц: 1 кГц (начальная частота), 100, 200 кГц … до частоты, при которой показания электронного вольтметра упадут до величины порядка 0,8…0,9 от первоначально установленного показания
U( f0 = 1 кГц ). Для уточнения верхней частоты fв рабочей полосы частот f электронного вольтметра в районе десятипроцентного спада АЧХ необходимо дополнительно снять несколько точек АЧХ с меньшим шагом изменения частоты входного сигнала. В процессе проведения испытаний постоянный уровень выходного сигнала ГС контролируют электронным осциллографом.
Нижняя граничная частота fн рабочей полосы Δf для электронных вольтметров переменного тока обычно находится в области единиц и первых десятков герц. Поэтому процедура определения АЧХ в области нижних частот может быть следующей: сначала уменьшают частоту от исходной
f0 = 1000 Гц через 200 Гц, а затем от 50 Гц через 10 Гц. При необходимости уточняют нижнюю частоту fн рабочей полосы, при которой АЧХ падает до уровня 0,9 от ее значения при f0 = 1000 Гц, снятием дополнительных точек с шагом 1 Гц.
Определение влияния формы входного сигнала на показания вольтметров переменного тока. В электронных вольтметрах переменного тока применяют преобразователи переменного напряжения в постоянное. Применяют преобразователи амплитудного, средневыпрямленного или действующего значений переменного напряжения в постоянное. В то же время все электронные вольтметры переменного тока независимо от вида преобразователя градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения. Это может привести к появлению дополнительных погрешностей при измерении несинусоидальных напряжений.
4
Электронный вольтметр GVT-417B имеет преобразователь средневыпрямленного значения. В таких вольтметрах угол α отклонения указателя в соответствии с принципом действия преобразователя пропорционален средневыпрямленному значению Uср входного напряжения
|
1 |
|
|
= |
|
∫ | вх( )| = ср |
|
|
|||
|
0 |
где kv – коэффициент преобразования вольтметра; uвх(t) – входное переменное напряжение с периодом Т.
Шкала вольтметра градуируется в действующих U значениях синусоидального напряжения, которое связано со средним значением напряжения постоянным коэффициентом (коэффициентом формы)
п = = ф ср = 1,11ср,
где Uп – показания вольтметра по его шкале; kф – коэффициент формы напряжения, для синусоидального равен 1,11. Таким образом, при синусоидальном напряжении по показаниям вольтметра непосредственно считывают действующие значения напряжения.
Для другой формы напряжения показания вольтметра могут значительно отличаться от его действующего значения, что приводит к появлению дополнительной погрешности измерений.
Для экспериментальной оценки влияния формы напряжения на показания электронного вольтметра последовательно измеряют сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы при их одинаковой амплитуде.
Предварительно на синусоидальном сигнале устанавливают показания вольтметров в диапазоне 0,5…0,6 от верхнего предела измерений выбранной шкалы, а затем при той же амплитуде входных сигналов измеряют вольтметром напряжения при других формах сигнала.
По значению Uп находится действующее значение U, если известен коэффициент формы сигнала kф. Коэффициенты формы kф для используемых напряжений: синусоидального – 1,11, прямоугольного – 1, треугольного –
1,15.
Дополнительная относительная погрешность влияния формы напряжения на показания вольтметра (в процентах)
= 100(п − )
По результатам исследований сделать вывод о влиянии формы кривой напряжения на результаты его измерения электронным вольтметром.
5
Протокол измерений
|
|
Таблица 2.1 |
|
|
|
|
|
Показания поверяемого |
Показания образцового цифрового вольтметра |
||
электронного |
|
|
|
При увеличении Uо.ув, В |
При уменьшении Uо.ум, В |
||
вольтметра, U, В |
|||
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.2
|
|
|
|
Область верхних частот |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f, кГц |
1 |
100 |
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U(f), В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f, кГц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U(f), В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
Область нижних частот |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f, Гц |
1000 |
800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U(f), В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f, Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U(f), В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.4 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Исследуемая |
|
|
|
|
Форма сигналов |
|
|
|
|
||||
характеристика |
|
Синусоидальная |
Прямоугольная |
Треугольная |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uп, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выполнили: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Токарев А.А. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Артемьев Я.А. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Терентьева А.С. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Преподаватель: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кузьмина А.Д. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
||
Обработка измерений
1. Выполним расчеты для поверки электронного вольтметра Таблица 2.1
|
Показания |
|
|
Погрешность |
|
||
Показа |
образцового |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
ния |
средства |
Абсолютная |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
поверя |
измерения |
|
|
Относите |
Приведе |
Вариац |
|
|
|
|
|
||||
емого |
При |
При |
При |
При |
льная(δ), |
нная(γ), |
ия(Н), |
прибо |
увелич |
умень |
увелич |
умень |
% |
% |
% |
ра, U |
ении, |
шении, |
ении, |
шении, |
|
|
|
|
Uо.ув |
Uо.ум |
Uув |
Uум |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,3 |
0,31 |
0,31 |
-0,01 |
-0,01 |
-3,33 |
-0,33 |
0,00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,6 |
0,62 |
0,61 |
-0,02 |
-0,01 |
-3,33 |
-0,67 |
0,10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,9 |
0,89 |
0,91 |
0,01 |
-0,01 |
-1,11 |
0,33 |
0,20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,2 |
1,21 |
1,19 |
-0,01 |
0,01 |
-0,83 |
-0,33 |
0,20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,5 |
1,49 |
1,48 |
0,01 |
0,02 |
1,33 |
0,67 |
0,10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,8 |
1,81 |
1,79 |
-0,01 |
0,01 |
0,56 |
0,33 |
0,20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2,1 |
2,09 |
2,08 |
0,01 |
0,02 |
0,95 |
0,67 |
0,10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2,4 |
2,42 |
2,41 |
-0,02 |
-0,01 |
-0,83 |
-0,67 |
0,10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2,7 |
2,71 |
2,72 |
-0,01 |
-0,02 |
-0,74 |
-0,67 |
0,10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3,0 |
2,99 |
2,98 |
0,01 |
0,02 |
0,67 |
0,67 |
0,10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример расчета для U = 0,3:
Абсолютная погрешность при увеличении показаний:
ув = − о.ув = 0,3 − 0,31 = −0,01
Абсолютная погрешность при уменьшении показаний:
ум = − о.ум = 0,3 − 0,31 = −0,01
Относительная погрешность:
|
= |
100Δ |
= |
|
100 ∙ −0,01 |
= −3,33[%] |
||||||
|
|
|
0,3 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Приведенная погрешность: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
= |
100Δ |
= |
100 ∙ −0,01 |
= −0,33[%] |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
3 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вариация: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
100| о.ув − о.ум| |
= |
100 ∙ |0,31 − 0,31| |
= 0[%] |
||||||||
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7
Построим график зависимости относительной и приведенной погрешности от показаний прибора:
Зависимость относительной и приведенной погрешности от показаний прибора
Относительная и приведенная погрешности, %
2,00
1,00
0,00
0 |
0,5 |
1 |
1,5 |
2 |
2,5 |
3 |
3,5 |
-1,00
-2,00
-3,00
-4,00
Показания прибора, В
Зависимость относительной погрешности от показаний прибора 
Зависимость приведенной погрешности от показаний прибора
Рисунок 1 – График зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра
2. Построим АЧХ электронного вольтметра:
Таблица 2.2
|
|
Область верхних частот |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f, кГц |
|
1 |
|
100 |
|
200 |
|
220 |
240 |
260 |
280 |
300 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электронный |
U(f),В |
2,7 |
|
2,68 |
|
2,55 |
|
2,53 |
2,50 |
2,48 |
2,46 |
2,43 |
|||||||||||
вольтметр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K(f) |
1 |
|
0,993 |
|
0,944 |
|
0,937 |
0,926 |
0,919 |
0,911 |
0,900 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение таблицы 2.2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Область верхних частот |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f, кГц |
|
320 |
|
|
|
340 |
|
|
|
360 |
|
|
380 |
|
|
400 |
|
|
500 |
|
600 |
|
700 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электронный |
U(f),В |
2,41 |
|
|
2,39 |
|
|
|
2,37 |
|
|
2,35 |
|
|
2,33 |
|
|
2,27 |
|
2,20 |
|
2,08 |
|
вольтметр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
K(f) |
0,893 |
|
|
0,885 |
|
|
0,878 |
|
0,870 |
|
|
0,863 |
|
|
0,841 |
|
0,815 |
|
0,770 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Область нижних частот |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
f, Гц |
|
1000 |
|
800 |
|
|
600 |
|
400 |
|
200 |
|
100 |
50 |
40 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Электронный |
U(f),В |
2,7 |
|
|
2,7 |
|
|
2,7 |
|
2,7 |
|
2,7 |
|
2,7 |
2,69 |
2,69 |
|||||||
вольтметр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
K(f) |
1 |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
1 |
|
1 |
|
1 |
0,996 |
0,996 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8
Продолжение таблицы 2.3
|
|
|
Область нижних частот |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f, кГц |
|
30 |
|
20 |
10 |
|
|
9 |
|
8 |
7 |
6 |
5 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электронный |
U(f),В |
2,68 |
|
2,66 |
2,52 |
|
|
2,48 |
|
2,38 |
2,31 |
2,15 |
1,95 |
||
вольтметр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K(f) |
0,993 |
|
0,985 |
0,933 |
|
|
0,919 |
|
0,881 |
0,856 |
0,796 |
0,722 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример расчета для f = 200 |
кГц: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
( = 200 кГц) |
2,55 |
|
|
|
|
|
||||||
|
( ) = |
|
|
= |
|
|
= 0,944 |
|
|
||||||
|
( = 1 кГц) |
2,7 |
|
|
|
||||||||||
Построим график АЧХ:
Амплитудно-частотная характеристика цифрового вольтметра
Относительные значения АЧХ K(f)
1,300
1,200
1,100
1,000
0,900
0,800
0,700
1 |
10 |
100 |
1000 |
10000 |
100000 |
1000000 |
Логарифмическая шкала частоты, Гц
АЧХ цифрового вольтметра |
Нижняя граница частотного диапазона |
Верхняя граница частотного диапазона
Рисунок 2 – График амплитудно-частотной характеристики цифрового вольтметра
9
3.Определим влияние формы входного сигнала на показания цифрового вольтметра:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Исследуемая |
|
|
|
|
|
|
Форма сигналов |
|
|
характеристика |
|
|
|
|
|
|
|||
Синусоидальная |
|
Прямоугольная |
Треугольная |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uп, В |
|
1,5 |
|
|
|
2,58 |
1,18 |
||
Uср, В |
|
1,35 |
|
|
2,32 |
1,06 |
|||
U, В |
|
1,5 |
|
|
|
2,32 |
1,22 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δ, % |
|
|
0 |
|
|
|
11,21 |
-3,28 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Пример расчета для сигнала прямоугольной формы: |
|
||||||||
|
|
|
= |
п |
= |
2,58 |
= 2,32[В] |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
ср |
|
1,11 |
|
1,11 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
= ф ср = 1 ∙ 2,32 = 2,32[В]
= 100( п − ) = 100 ∙ (2,58 − 2,32) = 11,21[%]2,32
Вывод
В данной лабораторной работе была выполнена поверка электронного вольтметра GVT-417B. Поверка была выполнена методом сличения. Максимальная приведенная погрешность равна 0,67%, что соответствует заявленному классу точности 1,5.
Также был построен график АЧХ электронного вольтметра, определены нижняя fн = 9 Гц и верхняя fв = 320 кГц границы частотного диапазона исследуемого прибора.
Кроме того, было определено влияние формы входного сигнала на показания электронного вольтметра. Наибольшая погрешность наблюдается при прямоугольной форме сигнала, наименьшая – при синусоидальной.
10