Цифрові вимірювальні прилади

Принцип дії цифрових вимірювальних приладів заснований на перетворенні вимірювального неперервного сигналу в електричний код, який відображається у цифровій формі.

У загальному випадку цифровий прилад містить вхідний пристрій, аналогово-цифровий перетворювач і цифровий відліковий пристрій.

Вхідний пристрій призначений для забезпечення великого вхідного опору, зміни діапазону вимірювання та визначення полярності вхідного пристрою. Аналогово-цифровий перетворювач перетворює аналоговий розмір у дискретний сигнал у вигляді електричного коду пропорційний вимірювальній величині. Результат вимірювання реєструється на табло цифрового відлікового пристрою.

Перевагою цифрових приладів є малі похибки вимірювання (0,1 – 0,001%) у широкому діапазоні вимірювальних сигналів, висока швидкість дії (до 500 вимірювань/с), видача результатів вимірювань у цифровому вигляді, можливість документальної реєстрації вимірювальної інформації за комп’ютерної техніки для наступного опрацювання.

До недоліків варто віднести: складність схем і конструкції, високу вартість, меншу надійність. Ці недоліки можна вважати тимчасовими, оскільки в даний час вони швидко усуваються у зв’язку з розвитком мікроелектронної елементної бази.

Будова багатомежових приладів. Шунти та додаткові опори

Щоб збільшити діапазон вимірювання сили струму в раз необхідно, щоб крізь амперметр, як і раніше, проходив струм силою, а струмпроходив крізь паралельний амперметру шунт (рис.1). Напруга між точками і:

Рис.1 Рис. 2

Звідси видно, що опір шунта (1)

Щоб збільшити діапазон вимірювання напруги в разів необхідно, щоб на вольтметрі була напруга , а на додатковому опорі (рис.2)

Оскільки крізь вольтметр та додатковий опір протікає струм однієї і тієї ж сили, то . Звідси додатковий опір

. (2)

Багатомежові вольтметри та амперметри містять у собі системи шунтів та додаткових опорів, які змінюють діапазони (межі) вимірювальних величин.

Вплив вимірювальних приладів на роботу електричної схеми

Завжди потрібно пам’ятати про те, що вмикання в схему вимірювального приладу змінює умови її роботи. Тому виміряні приладом значення сили струму або напруги будуть відрізнятися від тих значень, що існували у схемі без приладу.

Так, якщо вимірювати невідомий опір резистора за допомогою амперметра та вольтметра, потрібно підключити резистор до джерела струму та вимірити силу струму, що тече крізь резистор, і падіння напруги на ньому. Потім, використовуючи закон Ома, визначити значення невідомого опору:

(3)

Схеми підключення амперметра і вольтметра зображені на рис. 3 і рис.4.

Рис. 3 Рис. 4

Перша схема застосовується тоді, коли внутрішній опір вольтметра . Сила струму, що вимірюється амперметром:

(4)

Якщо , то. При цьому внутрішній опір амперметра– будь-який.

При використанні другої схеми напруга, що вимірюється вольтметром,

. І, якщо , то. При цьому внутрішній опір вольтметра може бути будь-яким.

При значеннях ,,одного порядку необхідно скористатися обома схемами одночасно.

При використанні другої схеми , (5)

а при використанні першої схеми, вважаючи, що дорівнює зовнішній напрузі, яка подається на обидві схеми, маємо:. (6)

Виражаючи з рівняння (6) внутрішній опір амперметра і підставляючи його значення в (5), одержимо:(7)

Враховуючи, що порядок опору резисторів може бути невідомий, необхідно використовувати обидві схеми і за отриманими результатами визначити, якими значеннями танеобхідно користуватися, щоб з достатньою точністю розрахувати значення.

Якщо , а, то. Якщо, а, то.

ПОСЛІДОВНІСТЬ ВИКОНАННЯ РОБОТИ.

Завдання 1. Вимірювання опору резисторів за допомогою амперметра і вольтметра.

1. Зібрати схему відповідно до рис 5.

Рис.5

2. Підключити вольтметр до точок ісхеми (діапазон 3 В).Амперметр встановити на діапазон 5 А. Поставивши ручку перемикача у нейтральне положення, подати від джерела струму на схему напругу 2-2,5 В (не більше, оскільки резистори внаслідок перегріву вийдуть з ладу). Виміряти силу струму і напругу при під’єднанні резистора. Результати занести до таблиці 2.

3. Підключити вольтметр до точок ісхеми, не змінюючи напруги джерела струму. Зробити вимірювання згідно з п.2, результати занести до таблиці 2.

4. Розрахувати опір резистора за формулою (7). Оцінити похибки вимірювання.

5. Аналогічно визначити опір резистора , результати занести до таблиці 2

Таблиця 2.

№ досліду	, В	, А	, Ом	, В	, А	, Ом
1
2
Середнє

Завдання 2. Ознайомлення з принципом роботи цифрового вольтметра.

Велику групу серед цифрових приладів складають цифрові вольтметри. На рис. 6,анаведена структурна схема цифрового вольтметра з часовим перетворювачем, де вимірювальна напруга перетворюється на інтервал часу, тривалість якого визначається числом імпульсів генератора зразкової частоти (ГЗЧ), що запам’ятовуються. Вольтметр має: вхідний пристрій (ВП), що забезпечує високий опір приладу; керуючий пристрій (КП), який запускає генератор лінійно змінюваної напруги (ГЛЗН) та обнуляє лічильник імпульсів напругиі лінійно спадаючої напруги(Л); порівняльні пристрої ПП₁і ПП₂, які виробляють сигнали при рівності напруг; ключ (К), що пропускає імпульси частотиза часіз ГЗЧ на лічильник Л; цифровий відліковий пристрій (ЦВП), який фіксує результат вимірювання.

Рис. 6,а Рис. 6, б

Робота цифрового вольтметра пояснюється діаграмами, наведеними на рис. 6,б. З них видно, що , дечисло імпульсів, що надійшли у лічильник за час, а. Множникчисельно дорівнює швидкості зміни лінійно спадаючої напруги. Підставляючиу вираз для, одержимо або.

Таким чином, показники цифрового відлікового пристрою, який фіксує кількість імпульсів у лічильнику, будуть пропорційні значенню вимірювальної напруги .

Завдання 3. Визначення температури ниткирозжарення.

Залежність електричного опору металів від температури виражається формулою: (8)

де електричний опір металевого зразка при температурі;його електричний опір при 0^оС;температурний коефіцієнт електричного опору даної речовини. З формули (8) можна визначити температуру:

(9)

1. Виміряти опір нитки розжарення лампи при кімнатній температурі за допомогою омметра. Вважати, що отриманий опір приблизно дорівнює опору .

2. Підключити лампу до джерела струму. Виміряти силу струму в колі при напрузі 4 В на кінцях нитки розжарення лампи. Обчислити її опір в нагрітому стані за законом Ома.

3. Знаючи величини ,та температурний коефіцієнт опору для вольфраму (), обчислити температуру нитки розжарення лампи.

4. Результати обчислень занести до таблиці 3.

Таблиця 3.

, Ом	, В	, А	, Ом	, оС

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ.

1. Які електровимірювальні прилади називають прецизійними?

2. Як визначити ціну поділки в багатомежових приладах?

3. Як збільшити діапазон вимірювання сили струму або напруги?

4. Які переваги і недоліки у цифрових приладів порівняно з аналоговими?

5. Пояснити за структурною схемою принцип дії цифрового вольтметра.

6. Які основні джерела похибок вимірювання у третьому завданні?

7. Як можна підвищити точність вимірювань в цьому експерименті?

Л А Б О Р А Т О Р Н А Р О Б О Т А № 302.