metodichka_2796
.pdfКОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Какая погрешность называется систематической?
2.Какая погрешность называется случайной?
3.Какая погрешность называется основной?
4.Какая погрешность называется дополнительной?
5.Как устанавливаются классы точности средств измерения?
6.Как выбирать образцовые средства измерения для поверки?
7.Как проводится обработка результатов прямых многократных из- мерений?
8.Что принимается за результат измерения?
9.Как оценивается погрешность результата измерения?
10.Какие оценки называются точечными и интервальными?
11.Как осуществляется округление результатов измерения?
12.Когда при построении доверительных интервалов используется распределение Стьюдента?
13.В чем состоит сущность метода наименьших квадратов?
14.Как определяются экспериментально параметры функциональ- ных зависимостей?
15.Как оценивается погрешность эмпирических функциональных за- висимостей ?
21
РАБОТА № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЕРМЕТРОВ И ВОЛЬТМЕТРОВ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследование свойств амперметров и вольтметров; выяснение воз- можностей их применения в различных условиях эксплуатации; изучение способов расширения пределов измерения.
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
Ознакомиться с устройством и принципом действия электромехани- ческих амперметров и вольтметров, электронных вольтметров постоянного и переменного напряжения [1, 6, 7], сделать заготовку отчета, изучить кон- трольные вопросы.
ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ
1.Определить собственное потребление и сопротивление ампермет- ра магнитоэлектрической системы.
2.Определить собственное потребление и сопротивление вольтметра магнитоэлектрической системы.
3.Определить методическую погрешность измерения тока.
4.Определить методическую погрешность измерения напряжения.
5.Проградуировать шкалу электромагнитного миллиамперметра в единицах напряжения.
6.Снять частотную характеристику вольтметров электромагнитной и выпрямительной систем.
7.Исследовать влияние формы кривой напряжения на показания вольтметров электромагнитной и выпрямительной систем. Определить ко- эффициенты формы и амплитуды.
8.Рассчитать элементы схемы (шунт, добавочное сопротивление) для расширения пределов измерения амперметров и вольтметров магнитоэлек- трической системы.
УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
1. Определение собственного потребления приборов
Собственное потребление амперметров и вольтметров определяется потребляемой ими мощностью при номинальном значении тока Iн для ам- перметров и номинальном значении напряжения Uн для вольтметров. Мощность, потребляемая приборами постоянного тока, подсчитывается по следующим формулам:
для амперметров - |
PA |
= Iн Uп , |
Вт , |
(1) |
для вольтметров - |
PV |
= Iп Uн , |
Вт , |
(2) |
22
где Uп - напряжение полного отклонения амперметра, Iп - ток полного отклонения вольтметра.
Для нахождения сопротивления амперметров и вольтметров исполь- зуют формулы:
RA |
= |
Uп |
|
, Ом , |
(3) |
|
|||||
|
|
Iн |
|
||
RV |
= |
Uн |
, Ом . |
(4) |
|
|
|||||
|
|
Iп |
|
||
Потребление вольтметров также часто характеризуется сопротивле- нием прибора, приходящимся на один вольт номинального напряжения:
ZV = |
RV |
, |
Ом В . |
(5) |
Uн |
При измерении напряжения полного отклонения амперметра иссле- дуемый прибор Ах (рис. 1) запитывают через резистор нагрузки Rн от ис- точника напряжения (0...2) В блока питания БП лабораторного стенда.
|
|
Rн |
|
|
|
|
||
БП |
|
|
|
|
|
|
Электронный |
|
|
|
|
|
|
|
|||
1,6 кОм |
|
|
|
|||||
Ах |
вольтметр |
|||||||
(0...2) В |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
типа В7-38 |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1. Схема для измерения напряжения полного
отклонения амперметра
В качестве амперметра Ах используют универсальный амперметр вольтомметр, например типа Ц-20, на пределах измерения силы постоянно- го тока, указанных преподавателем. Перед включением схемы под напря-
жение ручку регулировки напряжения блока питания устанавливают в крайнее левое положение. После включения блока питания вращением
ручки регулировки напряжения вправо указатель прибора Ах совмещают с конечной отметкой шкалы, соответствующей номинальному значению тока Iн. Напряжение полного отклонения Uп измеряют универсальным электронным вольтметром типа В7 с большим входным сопротивлением (например, В7-38). Результаты измерений занести в табл. 1.
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
Предел измерения |
Uп, В |
PA, мВт |
RA, кОм |
|
Iн, мА |
||||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для измерения тока полного отклонения вольтметра применяют схе- му, изображенную на рис. 2. Вращением ручки регулировки напряжения
23
из крайнего левого положения вправо указатель исследуемого прибора Vх совмещают с конечной отметкой шкалы, соответствующей номинальному значению напряжения Uн .
В качестве вольтметра Vх используют тот же ампервольтметр (Ц-20) на пределах измерения постоянного напряжения, указанных преподавате- лем. Ток полного отклонения Iп определяют косвенным ме- тодом путем измерения паде-
ния напряжения на образцовом
|
|
|
|
|
|
|
|
резисторе |
R0 с помощью элек- |
||
|
БП |
|
|
|
|
|
|
тронного |
вольтметра |
типа В7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
R0 |
Vх |
|||||||
|
|
|
(входным |
током электронного |
|||||||
|
(0...2) В |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
вольтметра пренебрегают вви- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рис. 2. Схема для измерения тока полного |
ду его незначительности): Iп = |
||||||||||
= UR0/R0. Результаты измерений |
|||||||||||
|
отклонения вольтметра |
|
|
и расчетов занести в табл. 2. |
|||||||
|
(значение R0 указано на макете) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Предел измерения |
UR0, В |
Iп, мА |
PV, мВт |
RV, кОм |
|
ZV, кОм/В |
|||||
|
Uн, В |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Определение методической погрешности измерения тока и напряжения
Включение амперметра или вольтметра в цепь изменяет измеряемую величину. Это изменение вызвано тем, что сопротивление амперметра не равно нулю, а сопротивление вольтметра не равно бесконечности. Поэтому даже при использовании высокоточных приборов результат измерения от- личается от того значения измеряемой величины, которое имело место до включения в цепь измерительного прибора.
Погрешность измерения, обусловленная включением измерительных приборов в цепь, называется методической и определяется по формуле:
g = |
x2 - x1 |
×100, %, |
(6) |
|
|||
|
x1 |
|
|
где x1 и x2 - значения измеряемой величины соответственно до и после включения измерительного прибора в цепь.
При измерениях тока и напряжения методическая погрешность тем больше, чем больше потребляемая прибором мощность по сравнению с мощностью исследуемой цепи.
24
Для определения методической погрешности измерения тока исполь- зуют схему, показанную на рис. 3.
|
Ах |
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
БП |
|
Rн |
|
Электронный |
I |
U |
вольтметр |
||
(0...2) В |
1,6 к |
типа В7 |
||
|
|
|
Рис. 3. Схема для определения методической
погрешности измерения тока
Измерения проводят следующим образом:
а) замыкают перемычкой зажимы “1” и “2” и вращением ручки регу-
лировки напряжения из крайнего левого положения вправо устанавливают показания электронного вольтметра в пределах U1 = (0,3...0,4) В. Ток, про- текающий через резистор Rн, определяется выражением:
I1 = RU1 ; (7)
н
б) размыкают зажимы “1” и “2” и подключают к ним амперметр Ах (прибор Ц-20 на пределах измерения постоянного тока, указанных препо- давателем). Включение в цепь амперметра вызывает уменьшение тока в на- грузке до значения:
I2 = |
U2 |
, |
(8) |
|
Rн |
||||
|
|
|
где U2 - показание электронного вольтметра после включения в цепь ам- перметра Ах .
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 3.
|
|
|
|
|
Таблица 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Предел измерения |
U1, В |
U2, В |
I1, мA |
I2, мА |
γI, % |
|
Iн, мА |
||||||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для определения методической погрешности измерения напряжения собирают схему, представленную на рис. 4, и выполняют следующие дей- ствия:
а) при разомкнутых зажимах “1” и “2” вращением ручки регулировки напряжения из крайнего левого положения вправо устанавливают показа- ния электронного вольтметра в пределах U1 = (1,3...1,5) В;
25
б) подключают к зажимам “1” и “2” вольтметр Vх (прибор Ц-20 на пределе измерения постоянного напряжения, указанного преподавателем) и записывают показание U2 электронного вольтметра.
|
R0 |
|
|
|
|
БП |
1 |
|
|
Электронный |
|
Rн |
Vх |
U |
вольтметр |
||
(0...2) В |
|||||
2 |
типа В7 |
||||
|
|
|
|||
|
|
|
|
Рис. 4. Схема для определения методической
погрешности измерения напряжения
Результаты измерений занести в табл. 4.
|
|
|
Таблица 4 |
|
|
|
|
|
|
Предел измерения |
U1, В |
U2, В |
γU, % |
|
Uн, В |
||||
|
|
|
||
|
|
|
|
3. Градуировка шкалы электромагнитного миллиамперметра в единицах напряжения
При выполнении пп. 4 и 5 лабораторного задания миллиамперметр электромагнитной системы типа Э59 применяется в качестве вольтметра переменного тока. В связи с этим необходимо проградуировать его шкалу (0...10) мА в единицах напряжения.
Для градуировки используют схему, изображенную на рис. 5, питае- мую от низкочастотного генератора синусоидальных колебаний типа Г3, например GAG-810. Напряжение на приборе Э59 измеряют электронным вольтметром переменного тока типа В3, например В3-38. Градуировку
Генератор |
|
|
|
|
Электронный |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
sin колебаний |
Э59 |
вольтметр |
|||
типа Г3 |
|
|
|
|
типа В3 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5. Схема для градуировки шкалы миллиамперметра Э59 в единицах напряжения
выполняют на частоте 50 Гц.
Перед выполнением градуировки указатель прибора Э59 устанавли- вают на нуль механическим корректором, а сам прибор прогревают при полном отклонении указателя в течение 1,5 мин. В процессе градуировки указатель прибора Э59 последовательно совмещают со всеми оцифрован- ными отметками его шкалы в порядке возрастания показаний и записыва-
26
ют соответствующие показания электронного вольтметра переменного на- пряжения. Результаты занести в табл. 5 и по данным таблицы построить градуировочный график U = ϕ(I).
Таблица 5
Показания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прибора Э59 |
0 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
(в делениях) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Показания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вольтметра |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
типа В3, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Проградуировать шкалу можно и расчетным путем, используя выра- жение, связывающее напряжение U на зажимах прибора с протекающим через него током I:
|
|
|
|
U = I R2 + (ωL)2 , |
(9) |
||
где R и L - соответственно сопротивление и индуктивность прибора Э59 (значения указаны на шкале прибора).
После экспериментальной и расчетной градуировки сравнить полу- ченные кривые.
4. Снятие амплитудно-частотных характеристик вольтметров
Амперметры и вольтметры переменного тока предназначены для применения на определенной частоте или в определенном диапазоне час- тот. Отклонение частоты тока или напряжения от тех значений, на которые прибор рассчитан, может вызвать заметное изменение его показаний, т.е. привести к дополнительным частотным погрешностям.
Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) прибора называется зависимость его показаний от частоты при неизменном значении измеряе- мой величины (тока или напряжения). В работе снимают АЧХ вольтметров электромагнитной (прибор Э59) и выпрямительной (прибор Ц-20 на пре- деле измерения переменного напряжения 7,5 В) систем по схеме, пока- занной на рис. 6. В качестве образцового прибора, показания которого в заданном частотном диапазоне не зависят от частоты, используют встро- енный электронный вольтметр низкочастотного генератора синусоидаль-
ных колебаний типа Г3
Генератор |
|
|
|
|
(GAG-810). |
|
ха- |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||
sin колебаний |
Э 59 |
Ц -20 |
Частотную |
|||||
типа Г 3 |
|
|
|
|
рактеристику |
снимают |
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
в диапазоне |
частот |
20 |
|
|
|
|
|
|
||||
Ри с. 6 . С хем а для снятия часто тн ы х |
Гц ... 20 кГц. При пере- |
|||||||
характеристик во льтм етро в |
|
|
стройке |
частоты гене- |
||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
ратора |
показание |
его |
|
27
встроенного вольтметра, выбранное в пределах 4...5 В, необходимо под- держивать неизменным с помощью ручки “Рег. выхода”.
Результаты измерений занести в табл. 6, по данным которой по- строить графики частотных характеристик исследуемых вольтметров.
Таблица 6
f, Гц |
20 |
50 |
100 |
200 |
500 |
103 |
2·103 |
5·103 |
104 |
2·104 |
Показания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прибора |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Э59, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Показания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прибора |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ц-20, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. Исследование влияния формы кривой напряжения на показания вольтметров
Электромагнитные вольтметры измеряют действующее (U), выпря- мительные вольтметры - среднее (Uср) и электронные вольтметры с ам- плитудным детектором - пиковое (Um) значения переменного напряжения.
Однако шкалы вольтметров переменного тока градуируют в действующих значениях синусоидального напряжения. Отсюда следует, что при несину- соидальной форме кривой измеряемого напряжения в показаниях выпря-
мительного и электронного с амплитудным детектором вольтметров будет присутствовать погрешность.
При выполнении работы электромагнитный (Э59), выпрямительный (прибор Ц-20 в режиме измерения переменного напряжения) и электрон- ный типа В7 (например, В7-17) вольтметры сначала непосредственно под- ключают к выходу низкочастотного генератора типа Г3, настроенного на частоту 50 Гц (рис. 7). Синусоидальность формы кривой измеряемого на- пряжения контролируют осциллографом, например типа С1-72. Показания вольтметров, которые в принципе должны быть одинаковыми, занести в первую строку табл. 7.
Затем в схему между генератором и вольтметрами включают преоб- разователь синусоидального напряжения в трапецеидальное (рис. 8). Новые показания вольтметров занести во вторую строку табл. 7.
Генератор |
|
|
|
Электронный |
Осциллограф |
||
sin колебаний |
|
|
|||||
Э59 |
Ц-20 |
вольтметр |
|||||
типа Г3 |
|
типа |
С1-72 |
||||
|
типа В7 |
||||||
(f = 50 Гц) |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
Рис. 7. Схема непосредственного подключения |
|
|
||||
|
|
вольтметров |
к генератору |
|
28 |
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Таблица 7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Подключение |
Показания вольтметров, В |
Коэффициенты |
||||
вольтметров к |
|
|
|
|
|
|
Э59 |
Ц-20 |
В7-17 |
Кф |
Ка |
||
генератору |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Непосредст- |
|
|
|
|
|
|
венное |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Через |
|
|
|
|
|
|
преобразователь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По результатам измерений определяют коэффициенты формы (Кф) и амплитуды (Ка) кривой напряжения:
Кф = |
U |
= |
1,11Uэм |
; |
|
Uср |
|
Uвып |
|
|
|
|
|
|
(10) |
|
|
Um |
|
Uэл 2 |
|||
Ка = |
= |
|
, |
|||
U |
Uэм |
|
||||
|
|
|
|
|||
где Uэм , Uвып , Uэл - показания соответственно электромагнитного, вы- прямительного и электронного с амплитудным детектором вольтметров.
Генератор |
|
|
Электронный |
Осциллограф |
|||
sin колебаний |
|
|
|||||
Э59 |
Ц-20 |
вольтметр |
|||||
типа Г3 |
типа |
С1-72 |
|||||
типа |
В7 |
||||||
(f = 50 Гц) |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
Рис. 8. Схема подключения вольтметров
кгенератору через преобразователь
6.Расчет шунтов и добавочных сопротивлений
Рассчитать шунт (добавочное сопротивление) для расширения пре- делов измерения ампервольтомметра Ц-20. Значения измеряемых токов и напряжений указываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Устройство и принцип действия магнитоэлектрического, электро- магнитного и электродинамического измерительных механизмов. Какие значения напряжения измеряют указанные приборы?
2.Какие электромеханические измерительные приборы пригодны для измерения постоянного тока, а какие - для переменного тока?
3.Амплитудно-частотные характеристики электромагнитного и элек- тродинамического измерительных механизмов.
29
4.Устройство, принцип действия и область применения выпрями- тельных приборов.
5.Как зависят показания выпрямительных приборов от температуры окружающей среды? Как снизить влияние температуры?
6.Структурные схемы электронных вольтметров постоянного и пе- ременного напряжений.
7.Амплитудно-частотные характеристики выпрямительных ампер- метров и вольтметров и электронных вольтметров с амплитудным (пико- вым) детектором на входе.
8.Как определить собственное потребление амперметров и вольт- метров постоянного тока?
9.От чего зависит методическая погрешность измерения тока (на- пряжения) и как ее определить экспериментально?
10.Как правильно выбрать амперметр (вольтметр) с точки зрения получения минимальной методической погрешности?
11.Почему показания выпрямительных и электронных с амплитуд- ным детектором на входе вольтметров зависят от формы кривой измеряе- мого напряжения?
12.Для чего используются и как рассчитать шунты (добавочные со- противления)?
30