Измерение электрических и магнитных величин. Лабораторный практикум

Структурная схема изучаемого в данной работе ЦМ (см. рис. 3.2) содержит входные устройства (ВУ), преобразующие измеряемые величины в постоянное напряжение; аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий напряжение в код; цифровое отсчётное устройство ЦОУ [1, 2, 3].

Прибор индицирует результат измерения на двух отсчетных устройствах – цифровом табло и аналоговом отсчетном устройстве в виде изображения на обычной линейной шкале аналогового измерительного прибора. В некоторых случаях взятие отсчета в аналоговой форме оказывается удобнее, чем в цифровой.

Быстродействие прибора при измерении частоты и емкости – 1 измерение в секунду, а при измерении остальных параметров – 2 измерения в секунду.

3.1.РАБОТА С ПРИБОРОМ

1.Выбор измеряемого параметра производят переключателем. Его положения отмечены символами, характеризующими измеряе-

мую величину, например, символ «−|(−» указывает, что измеряемым параметром является емкость, символ «Hz» – частота.

Перечень измеряемых параметров, а также метрологические характеристики прибора приведены в инструкции по эксплуатации. Число измеряемых параметров оказывается больше положений переключателя, поэтому некоторым положениям переключателя соответствуют два измеряемых параметра.

Например, при положении переключателя «Hz ADP» могут измеряться частота сигнала или амплитуда подводимого к прибору сигнала. Из двух символов на лицевой панели один («Hz») красного цвета, а другой («ADP») – синего. Переход от одного режима к другому производят нажатием кнопки 1 синего цвета. До нажатия кнопки на дисплее высвечивается ранее установленный параметр, например частота (символ «Hz»). После нажатия кнопки прибор переходит в режим измерений амплитуды подводимого сигнала, и на дисплее вы-

20

свечивается символ «ADP». Сочетание этих двух режимов при одном положении переключателя 5 удобно для контроля входного напряжения в режиме измерений частоты, так как изменение режима происходит без использования переключателя простым нажатием кнопки.

Подобным же образом переходят от измерений на переменном токе к измерениям на постоянном токе (на табло символ «AC» меняется на «DC»).

2. Выбор предела измерений. В приборе предусмотрено два режима измерений – с автоматическим или с ручным выбором диапазона (предела) измерений. Более удобен автоматический выбор. В этом режиме следует выполнять все пункты лабораторного задания. Автоматический выбор устанавливается двумя способами:

1) при изменении положения переключателя 5;

2) при нажатии и удержании в нажатом положении клавиши

4 («RANGE») более 2 секунд.

При работе прибора с автоматическим выбором предела на дисплее высвечивается «AUTO».

Для перехода к ручному выбору следует нажать кнопку 4, после чего выключается режим автоматического выбора (гаснет «AUTO» на дисплее) и включается наибольший предел измерений. Так, при измерении частоты этот предел составляет 1 МГц.

Рассмотрим, чем следует руководствоваться, выбирая предел измерения ручным способом.

В режиме измерения частоты в приборе предусмотрена индикация результата в виде четырехразрядного числа. На установленном пределе 1 МГц максимально возможный отсчет составит 999,9 кГц, так что первая цифра отсчета соответствует сотням кГц, а последняя

– сотням Гц. Предел измерений следует выбирать таким образом, чтобы все разряды были заполнены значащими цифрами.

Пусть, например, измеряемая частота равна 1,263 кГц. При этом на пределе 1 МГц будут заполнены только два младших разряда, и отсчет составит 1,2 кГц. В этом случае погрешность составит 1,4 кГц и будет превышать результат измерений. В данном случае необходимо перейти

21

к меньшему пределу измерений нажатием кнопки 4. После первого нажатия кнопки включается предел 100 кГц, отсчет по дисплею при этом возрастет до 1,26 кГц, но и при этом на цифровом индикаторе будут заполнены только три младших разряда. Нажатием кнопки 4 следует перейти к следующему меньшему пределу – 10 кГц. При этом отсчет составит 1,263 кГц, и предел будет выбран правильно.

Если нажать на кнопку понижения пределов еще раз, то измеряемая частота превысит установленный предел 1 кГц, т.е. возникнет перегрузка прибора. При этом на цифровом индикаторе начинает мигать цифра старшего разряда и звучит прерывистый звуковой сигнал.

Возвратиться к пределу 10 кГц можно двумя способами:

1)многократным нажатием кнопки 4 последовательно перейти к пределам 100 Гц, 1МГц, 100 кГц, 10 кГц. Возможность переключения пределов в сторону их увеличения в приборе не предусмотрена;

2)переходом в режим автоматического выбора предела одним из указанных выше способом.

3. Преобразователь напряжение-код (ПНК). Работа начинается с приходом команды «пуск». Устройство управления УУ улавливает первый фронт сигнала 2 после фронта сигнала 1 (рис. 3.3), который определяет начало 1-го такта – момент t1. Управляющим сигналом 4 замыкается ключ КЛ1, и напряжение постоянного тока U поступает на интегратор ИНТ. Ключ КЛ2 при этом разомкнут. Пока будем считать, что напряжение U только положительное. Интегратор инвертирующий, поэтому напряжение на его выходе линейно падает. Вместе

стем в момент времени t1 коротким импульсом 3 сбрасывается в исходное состояние счетчик импульсов СТ, и ОИ начинает считать фронты сигнала 6, который, начиная с момента t является инверсией сигнала 2. Через половину периода после того, как на счетчике образуется код заданного постоянного числа (момент t2) устройство управления УУ заканчивает первый такт и начинает второй. Сигналом U0 размыкается КЛ1, а сигналом 8 замыкается КЛ2. При этом на интегратор от источника опорного напряжения ИОН поступает отрицательное напряжение U и напряжение на выходе интегратора ли-

22

нейно возрастает. Вместе с тем в момент t2 короткий импульс 3 снова сбрасывает счетчик, и он снова начинает считать фронты сигнала 6.

Рис. 3.3. Структурная схема ПНК

В момент t3 выходное напряжение интегратора доходит до нуля. Это фиксирует устройство сравнения УС – оно сравнивает это напряжение с нулевым потенциалом. Элемент & прекращает изменение сигнала 6. В момент t3 заканчивается второй такт. К этому моменту на счетчике образовался код числа N2, выражающий результат преобразования. Преобразователь кода ПК преобразует этот код в другой, необходимый для управления цифровым отсчетным устройством ЦОУ.

4. Основные режимы работы мультиметра следующие.

Режим удержания. Измерениям некоторых параметров, например, частоты в диапазоне 1 МГц, сопутствует большая случайная погрешность, которая при последовательных измерениях проявляется как быстрая смена индицируемого на цифровом индикаторе младшего разряда отсчета, что делает невозможным считывание результата. Визуальный отсчет результатов возможен только с интервалом 3-5 с, и для регистрации быстро меняющихся отсчетов предусмотрен режим с удержанием.

Режим инициируется нажатием кнопки 2 («HOLD»). При этом на цифровом индикаторе высвечивается символ «H» и отображается значение частоты, непосредственно предшествующее моменту нажа-

23

тия кнопки. Это значение сохраняется на индикаторе до момента повторного нажатия кнопки 2.

Таким образом, измеренное значение частоты фиксируется в течение всего интервала между последовательными нажатиями кнопки, который может устанавливаться оператором. Для надежного визуального отсчета показания достаточно 3-5 с.

Режим разностных измерений. Если необходимо измерять малые приращения измеряемой величины относительно установленного уровня, то применяют режим разностных измерений. Для этого нажимают кнопку 3 («REL»), при этом на цифровом индикаторе высвечиваются символ «REL» и последнее перед нажатием кнопки значение измеряемой величины, например, частоты f0. Это значение записывается в память прибора как опорное, после чего включается режим автоматического выбора пределов измерений.

В ходе измерений в дальнейшем на индикаторе в цифровой форме высвечивается разность fo – fi , где fi – результат текущего измерения частоты. Для удобства регистрации результатов измерения разности можно использовать режим с удержанием. Выключить режим разностных измерений можно двумя способами:

1) нажатием и удержанием кнопки 3 в течение более чем двух секунд;

2) сменой режима измерений.

5. Измерение переменных напряжений [2, 3]. Переменное напряжение характеризуют несколькими параметрами:

1)амплитудным значением Um;

2)средним значением Uср = 1/Т ∫ Ux(t) dt;

3)средневыпрямленным значением Uсрв = 1/Т ∫ ½Ux(t)½ dt;

4)среднеквадратическим (действующим) значением

При измерениях на низких частотах обычно непосредственно определяют средневыпрямленное значение, получаемое с помощью преобразователей (детекторов) средневыпрямленного значения. По-

24

добный детектор используется в изучаемом мультиметре. Примером детектора средневыпрямленного значения является мостовая схема, показанная на рис. 3.4, а.

Рис. 3.6. Форма измеряемых напряжений

Если диоды VD имеют одинаковые вольтамперные характеристики (эти характеристики в идеализированном виде показаны на рис. 3.4, б), то при гармоническом входном напряжении выходное напряжение детектора будет иметь форму, показанную на рис. 3.5.

25

Если внутреннее сопротивление диодов пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением нагрузки Rн, то амплитудное значение выходного напряжения можно считать равным Um, а среднее значение выходного напряжения детектора будет равно средневыпрямленному

Uсрв и составит 2Um/π = 0,637.

Как правило, вольтметры переменного тока градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы.

Для синусоидального напряжения Uскз = 0,707Um, а отношение Uскз/Uсрв = 1,11 называется коэффициентом формы.

Для получения Uскз средневыпрямленное значение синусоидального напряжения следует умножить на его коэффициент формы, равный 1,11. Это делается при градуировке шкалы вольтметра.

Если, например, измеряется гармоническое напряжение с амплитудой 1 В (рис. 3.6, б), то выходное напряжение детектора средневыпрямленного значения составит 0,637 В, а для получения отсчета 0,707 В, равного среднеквадратическому значению, выходное напряжение надо умножить на 1,11: 0,637 В×1,11 = 0,707 В.

Измерение сигналов другой формы происходит аналогично: сначала с помощью детектора измеряется средневыпрямленное значение, а затем оно умножается на 1,11.

Если измерено напряжение в виде меандра с нулевым средним значением, то выходное напряжение детектора составит 1 В, а результат измерения после умножения будет равен 1,11В (рис. 3.6, а). Для напряжения треугольной формы средневыпрямленное значение составит 0,5 В, а результат измерений будет равен 0,5 В×1,11 = 0,55 В (рис. 3.6, в).

Очевидно, что результат измерений будет совпадать со среднеквадратическим значением только для гармонического напряжения, а для напряжений другой формы результат будет отличаться от реального среднеквадратического значения. Например, для меандра результат измерений равен 1,11 В, а среднеквадратическое значение составляет 1 В.

26

6. Градуировка шкалы частот генератора. Для выполнения некоторых пунктов лабораторной работы необходим источник гармонического напряжения заданной частоты. В качестве такого источника применяется генератор GFG-8219А. Регулировка частоты генератора производится следующим образом:

1)ступенчато – кнопки 1. При этом выбирается один из пяти диапазонов изменения частоты генератора;

2)непрерывно – ручкой 2. Однако эта ручка не снабжена шкалой

сцифровыми значениями частоты, а на имеющуюся круговую шкалу нанесено 20 равноотстоящих делений – 10 мелких и 10 крупных.

В лабораторной работе с помощью мультиметра производится градуировка круговой шкалы генератора GFG-8219А (рис. 3.7) и определяются частоты, соответствующие границам его диапазонов.

1

Рис. 3.7. Генератор GFG-8219А

7. Исследование частотной характеристики мультиметра в режиме вольтметра. Согласно паспортным данным мультиметра погрешность вольтметра переменного напряжения нормирована в очень узком диапазоне частот – от 40 Гц до 1 кГц.

В работе определяется зависимость показаний прибора от частоты в более широком частотном диапазоне при неизменном значении входного напряжения.

27

Для получения такой зависимости на вход мультиметра, переключенного в режим вольтметра, подают выходное напряжение встроенного в электронно-лучевой осциллограф генератора и отсчитывают показания при изменении частоты в широких пределах.

При снятии частотной характеристики следует руководствоваться некоторыми общими правилами.

Сначала следует грубо оценить, в каких пределах потребуется изменять частоту. Для этого устанавливают определенное входное напряжение, например равное 1 В, и, изменяя частоту, определяют верхнюю и нижнюю границы частотного диапазона, на которых показание вольтметра уменьшается до установленного уровня, например 0,7 или 0,9 В. Конкретное значение уровня зависит от поставленной задачи. В данном случае уровень определяется допустимой погрешностью вольтметра. Если допустить погрешность не более 0,1 В, то уровень составляет 0,9 В.

Если верхняя и нижняя границы частотного диапазона отличаются на несколько порядков, то при построении частотной характеристики вольтметра следует воспользоваться логарифмическим масштабом на оси частот.

При определении показаний экспериментальные точки следует брать тем чаще, чем быстрее изменяется показание в зависимости от частоты.

8. Определение погрешности при измерениях емкости конденсатора.

Исследуемый конденсатор подключите к входным зажимам мультиметра и многократно измерьте значение емкости конденсатора Ci.

Постройте гистограмму полученных значений. Вычислите оценку для измеряемой емкости и несмещенную оценку дисперсии. По оценке емкости и ее номинальному значению следует определить оценку систематической погрешности, а по оценке дисперсии – среднеквадратическое отклонение. Полученные результаты тем точнее отражают истинное значение, чем больше число выполненных измерений.

28

3.2.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Измерение переменных напряжений.

Соедините вход мультиметра с выходом генератора. К выходному коаксиальному разъему 4 генератора подключите тройник (разветвитель сигнала). Один из выходных разъемов тройника с помощью коаксиального кабеля соедините с входом первого канала осциллографа, второй – со входом мультиметра (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Схема подключения приборов

Установите частоту синусоидального напряжения генератора около 1 кГц. Для этого следует кнопками на передней панели генератора установить диапазон 1 кГц. Установите по экрану осциллографа амплитуду гармонического напряжения 1 В, изменяя положение ручки 3 генератора.

Переключателем режима измерений мультиметра установите род работы – переменное напряжение («V»). При этом на дисплее появятся символы «AC» и «AUTO» и высветится результат измерений, который следует записать.

Проведите такие же измерения для сигналов в форме меандра и треугольных. При изменении формы сигналов следует по экрану осциллографа точно выдерживать амплитуду сигнала 1 В. Сопоставьте полученные результаты с расчетами, проведенными в п. 3 (см. «Работа с прибором»).

2. Градуировка шкалы частот генератора.

Переведите мультиметр в режим измерений частоты. При крайнем положении ручки 2 по часовой стрелке измерьте частоты, соответствующие диапазонам, устанавливаемым кнопками 1. Представьте результаты в виде табл. 3.1 с указанием погрешностей измерений частот.

29