Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Уральский Федеральный университет им. Б.Н. Ельцина «УПИ»

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Lab02.doc

Скачиваний:

Добавлен:

18.09.2019

Размер:

340.48 Кб

Скачать

☆

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Методические указания к лабораторной работе № 2

по дисциплине ”Метрология, стандартизация и сертификация”

для студентов всех форм обучения специальностей:

210100 - Управление и информатика в технических системах;

220100 - Вычислительные машины, комплексы, системы и сети.

330100 – Безопасность жизнедеятельности в техносфере

Екатеринбург 2006

УДК 621.317

Автор Э. Г. Миронов

Научный редактор доц., канд. техн. наук Н.П. Бессонов

ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ: Методические указания к лабораторной работе № 2 по дисциплине “Метрология, стандартизация и сертификация” / Э. Г. Миронов.

Екатеринбург: УГТУ – УПИ 2006. 17с.

Методические указания содержат описание лабораторной работы по исследованию аналоговых электронных средств измерений. Приводятся описания звукового генератора, электронного осциллографа и лампового вольтметра цифрового частотомера, а также порядок их практического использования при проведении экспериментов. Даются подробные указания по практической части работы.

Библиогр.: 8 назв. Рис. 7. Табл. 5. Прил. 6.

Подготовлено кафедрой "Автоматика и информационные технологии".

Работа №2

Электронные средства измерений

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является изучение принципа действия и освоение практического использования генератора синусоидальных электрических колебаний, электронного осциллографа, аналогового электронного вольтметра и цифрового электронного частотомера.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

После изучения принципа действия и освоения практического использования генератора, осциллографа, электронного вольтметра и цифрового частотомера проводятся следующие экспериментальные исследования:

- оценка формы сигнала на выходе генератора с помощью осциллографа;

- измерение частоты и фазы напряжения на выходе генератора с помощью осциллографа;

- определение коэффициента трансформации по напряжению заданного трансформатора;

- измерение частоты напряжения на выходе генератора с помощью цифрового электронно – счетного частотомера.

По результатам проведенных экспериментов составляется отчет по работе.

Технические характеристики используемых средств измерений приведены в приложениях к данным методическим указаниям.

Подключение средств измерений к исследуемой цепи следует проводить соблюдая общие правила подключений (сначала подключается общий, “земляной”, вывод соединительного кабеля к общей ,”земляной”, клемме исследуемой цепи, а затем потенциальный вывод соединительного кабеля подключается к потенциальной клемме исследуемой цепи).

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ

3.1. Исследование сигналов на выходе генератора

Для исследования сигналов на выходе генератора с помощью электронного осциллографа собрать схему, приведенную на рис. 1.

ЭО

кс

Г y x

Рис. 1. Схема эксперимента при исследовании формы сигнала:

Г - генератор;

ЭО - электронный осциллограф

После проверки схемы преподавателем включить приборы и прогреть их в течении 5 минут. Убедиться в работоспособности используемых приборов, изменяя положение органов управления и фиксируя результаты этих измерений.

Провести исследование сигналов на выходе генератора. Для этого установить последовательно три значения выходного напряжения при разных частотах и зарисовать сигналы, полученные на экране осциллографа. Значения напряжений (от 1 до 30 В) и частот (от 100 Гц до 100 кГц) выбираются студентами самостоятельно и устанавливаются с помощью органов управления генератора, используя при этом встроенный вольтметр и регуляторы частоты выходного напряжения.

3.2. Измерение частоты

Измерение частоты напряжения на выходе генератора проводится с помощью осциллографа по схеме, приведенной на рис. 2.

ЭО

Контрольный

сигнал ( ) Исследуемый

сигнал ( ) Г

y x

Рис. 2. Схема эксперимента при измерении частоты

Измерение частоты в данной работе проводится при помощи фигур Лиссажу. При этом используются следующие положения.

Если опорная частота и измеряемая частота соотносятся как простые целые числа, то на экране осциллографа наблюдаются неподвижные фигуры, называемые фигурами Лиссажу. В работе опорная частота =50 Гц “снимается” с клемм осциллографа “Контрольный сигнал”. Измеряемая частота подается на осциллограф с генератора.

Для получения фигур необходимо выключить генератор развертки осциллографа, установить частоту выходного напряжения генератора равную (последовательно) 25, 50, 75, 100, 150, 200 Гц и, подбирая усиление осциллографа по «x» и по «у», а также подстраивая частоту генератора, добиться устойчивых осциллограмм на экране и зарисовать их для каждой из рассмотренных частот.

По фигурам Лиссажу неизвестная частота определяется с использованием формулы:

(1)

где

- измеряемая частота;

- опорная (известная) частота;

- число точек касания фигуры с вертикальной линией;

- число касания фигуры с горизонтальной линией.

В качестве примера одна из фигур Лиссажу приведена на рис. 3.

Рис. 3. Пример фигуры Лиссажу

На рис. 3 приняты следующие обозначения:

1 - вертикальная линия,

2 - горизонтальная линия,

3 - точка касания с вертикальной линией ( = 2),

4 - точка касания с горизонтальной линией ( = 1),

5 - фигура Лиссажу,

6 - экран осциллографа.

3.3. Измерение фазовых сдвигов

Для измерения фазового сдвига с помощью осциллографа методом эллипса собирается схема, приведенная на рис.4.

ЭО

y x

R C

Рис. 4. Схема эксперимента при измерении фазовых сдвигов

(R = 50 кОм; C = 0,05 мкФ)

Для реализации измерения фазового сдвига методом эллипса между напряжениями на входах осциллографа «X» и «У» необходимо выключить генератор развертки осциллографа и получить на экране фигуру, приведенную на рис. 5.

a c d b

Рис. 5. Фигура на экране осциллографа при измерении фазового сдвига методом эллипса

Эксперимент проводится на частотах 25, 50, 100, 200, 300, 400 Гц. Для каждой из частот по формуле (2) подсчитывается .

(2)

где - сдвиг по фазе;

и - отрезки на экране осциллографа (см. рис.5).

Результаты эксперимента вносятся в табл.1.

Таблица 1

Результаты экспериментов и расчетов

, Гц	, мм	, мм		, град	Примечание
1	2	3	4	5	6
25
50
100
200
…

3.4. Измерение коэффициента трансформации

Коэффициент трансформации измеряется на заданной частоте по схеме, приведенной на рис. 6.

Тр

1 2

Г V2

1 2

Рис.6. Схема измерения коэффициента трансформации:

Тр - трансформатор;

- напряжение на первичной обмотке Тр;

- напряжение на вторичной обмотке Тр;

Г - генератор;

V1, V2 - вольтметры.

Значение напряжения и его частота устанавливаются в соответствии с вариантом задания (см. табл. 2).

Таблица 2.

Номер варианта	Частота, кГц	Напряжение , В	Примечание
1	5	7; 8; 9; 10	Использованы приборы:
2	7	6; 7; 8; 9
3	9	5; 6; 7; 8
4	11	4; 5; 6; 7

При проведении эксперимента для каждого заданного напряжения проводится по два измерения (одно при подходе к заданному напряжению “слева ” и второе при подходе к заданному напряжению “справа ”).

Заданные напряжения и полученные в ходе эксперимента напряжения заносятся в табл. 3.

Таблица 3

Результаты экспериментов и расчетов

, В
,В

Значение коэффициента трансформации определяется по формуле (3)

(3)

Рассчитанное значение заносится в табл. 3 при составлении отчета по работе.

При обработке результатов эксперимента используются следующие соотношения:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

где

- среднее арифметическое значение (результат измерения);

- число измерений;

- результат i-го измерения;

- верхний предел шкалы используемого вольтметра;

σ- среднее квадратичное отклонение (СКО);

σ- СКО результата измерения (среднего арифметического значения);

- абсолютная случайная погрешность результата измерения;

- коэффициент Стьюдента, зависящий от принятой доверительной вероятности и числа измерений (см. прил.1);

- относительная не исключенная систематическая погрешность (НСП) результата измерения;

- коэффициент, зависящий от принятой доверительный вероятности и закона распределения результатов измерений (для доверительной вероятности Р=0,95 к=1,1);

- относительные погрешности, обусловленные используемыми вольтметрами и и зависящие от классов точности этих вольтметров (если классы точности заданы в виде приведённых погрешностей и , то и оцениваются соотношениями (9) и (10));

- верхние приделы измерения вольтметров и (на используемых диапазонах измерения);

- минимальные значения напряжений и , получаемые при проведении измерений;

- абсолютная не исключенная систематическая погрешность;

- коэффициент, зависящий от принятой доверительной вероятности и отношения (см. прил.2);

- абсолютная и относительная погрешности результата многократного косвенного измерения.

Формула (12) используется, если правомерно соотношение (14).

Если < 0,8, то ; если > 8,0, то ;

Результаты расчетов сводятся в табл. 4 после округления по принятым

в метрологии правилам.

Таблица 4

Свободная таблица

Параметры
Значение параметра

Табл. 4 заполняется при составлении отчёта.

3.5.Измерение частоты генератора

Частота напряжения на выходе генератора измеряется по схеме, приведенной на рис. 7.

Г Ч

Рис. 7. Схема измерения частоты на выходе генератора:

Г - генератор;

Ч - цифровой электронно-счетный частотомер.

Частота измеряется в диапазоне от 1 до 4 кГц (конкретное значение частоты выбирается студентами самостоятельно). Результаты измерений заносятся в табл.5.

Таблица 5

Результаты измерений частоты

Измеряемая частота , кГц

Показания частотомера, кГц

Примечание

……………………..

........ кГц

..... кГц

В табл. 4 приняты следующие обозначения:

- исследуемое значение частоты на выходе генератора, установленное с помощью лимба и переключателя “множитель”;

- показание частотомера при подходе к исследуемой частое “слева”;

- показание частотомера при подходе к исследуемой частое “справа”;

- среднее арифметическое значение частоты;

- абсолютное значение погрешности результата измерения.

При обработке результатов эксперимента используются соотношения (4), (5), (6), (7) и (8), приведенные выше, для оценки величин . Величины и , входящие в выражение (8), являются относительными погрешностями установки частоты генератора ( ) и измерения частоты частотомером ( ). Для генератора ГЗ-33 значение . Значение для используемого частотомера ЧЗ-32 много меньше значения и им можно пренебречь.

(15)

где и - определены выше.

(16)

где (17)

(18)

(19)

- абсолютная суммарная погрешность результатов прямых многократных измерений.

(20)

где - относительная суммарная погрешность.

Выражение (16) правомерно, если выполняется условие

(21)

Если условие (21) не выполняется, то приравнивается к большему из слагаемых ( или ). Результаты расчетов сводятся в таблицу, аналогичную таблице 4, приведенной выше.

7. Отчет по работе

Отчет должен содержать: титульный лист, описание проведенных экспериментов, схемы соединений, таблицы с экспериментами и расчетными значениями рассматриваемых величин, формулы, по которым были проведены расчеты, графики и, при необходимости, диаграммы.

В отчёте также должно быть дано краткое объяснение проведенных экспериментов и выводы, которые можно сделать на основании полученных данных. Таблица и графики должны быть пронумерованы и иметь наименование.

Отчёт по работе в законченном виде представляется преподавателю в начале очередного занятия.

После просмотра отчёт с замечаниями (если они есть) возвращается студенту для внесения исправлений. Если замечаний нет, то работа засчитывается, а отчет передается в архив кафедры.

Контрольные вопросы

Принципы построения и основные характеристики генератора типа ГЗ-33, осциллографа ЭО-7 и милливольтметра ВЗ-13.
Как сказывается изменение параметров напряжения развертки (амплитуды, частоты, линейности) на изображении сигнала, подаваемого на вход “У” осциллографа?
Как сказывается изменение фазы между напряжениями, подаваемыми на входы “X” и ”У” осциллографа?

Список литературы

Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Под ред. Е. М. Душина. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 480 с.
Кузнецов В. А., Ялунина Г. А. Основы метрологии: Учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во стандартов, 1995. 312 с.
Миронов Э. Г. Погрешности измерений: Учеб. пособие. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1994. 84 с.
Миронов Э.Г. Основы метрологии: Учеб. пособие. Екатеринбург: ' Изд-во УГТУ, 2000. 113с.
ГОСТ 8.007-76. ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения.
ГОСТ 8.401-80 ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования.
МИ 1552-86. ГСИ. Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей результатов измерений.
2083-90. ГСИ. Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешностей

Приложение 1

Значения коэффициента Стьюдента

Число измерений (n)	Доверительная вероятность (Р)
Число измерений (n)	0,95	0,99
4	3,18	5,84
6	2,57	4,03
8	2,37	3,50
10	2,26	3,25
12	2,20	3,11
16	2,13	2,95
20	2,09	2,86
25	2,06	2,80
30	2,05	2,76
60	2,00	2,66
120	1,98	2,62
	1,96	2,58

Приложение 2

Значение коэффициентов

0,8	1	2	3	4	5	6	7	8
0,76	0,74	0,71	0,73	0,76	0,78	0,79	0,80	0,81
0,86	0,82	0,80	0,81	0,82	0,83	0,83	0,84	0,85

Приложение 3

ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ ГЗ-33

Краткая техническая характеристика

Генератор типа ГЗ-33 представляет собой источник синусоидальных электрических напряжений звуковых и ультразвуковых частот. Диапазон частот генератора разбит на четыре поддиапазона:

от 20 до 200 Гц; от 200 Гц до 2 кГц;

от 2 до 20 кГц; от 20 до 200 кГц.

Погрешность установки частоты……………………………..2%

Максимальная выходная мощность………………………….5 Вт

Нелинейные искажения……………………………………….3%

Изменение выходного напряжения осуществляется плавно, а также ступенями от 10 до 100 дБ.

Максимальное выходное напряжение не менее 40 В.

Погрешность измерения выходного напряжения встроенным в генератор вольтметром не превосходит следующих значений от верхнего предела измерений:

2,5% в диапазоне частот от 20 до 5000 Гц;

3,5% в диапазоне частот от 5 до 20 кГц;

5,0% в диапазоне частот от 20 до 200 кГц.

Примечание. Верхний предел измерения устанавливается с помощью переключателя аттенюатора “Пределы шкал, ослабление”.

Питание генератора производится от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В.

Приложение 4

Электронный осциллограф типа эо - 7

Краткая техническая характеристика

Электронный осциллограф ЭО - 7 (С 1 - 1 по стандартной классификации наименований и обозначений) предназначен для визуального наблюдения на экране электронно-лучевой трубки электрических сигналов, а также для оценки частоты и фазовых сдвигов исследуемых сигналов.

Основные характеристики осциллографа:

Чувствительность по вертикальному каналу ...………….... 0,25 см/мВ эфф.

Коэффициент вертикального усилителя .........……………. 1800.

Частотный диапазон от 2 Гц до 250 кГц.

Входное сопротивление ………...................……………....... 2 МОм.

Входная емкость ....................................……….…………….. 3 пФ.

Чувствительность по горизонтальному каналу …………..... 4,5 см/В эфф.

Коэффициент усиления горизонтального усилителя ............. 35.

Частотный диапазон развертки от 2 Гц до 50 кГц.

Приложение 5

Электронный аналоговый вольтметр типа вз-13

Краткая техническая характеристика

Электронный аналоговый прибор (ламповый милливольтметр) типа ВЗ-13 построен на электронных лампах и предназначен для измерения эффективных напряжений в широком диапазоне частот.

Основные характеристики прибора:

- пределы измерения напряжения 3-10-30-100-300 мВ, 1-3-10-30-100-300 В;

- частотный диапазон измеряемых напряжений от 20 Гц до 1 мГц;

- основная приведенная погрешность ± 4%;

- входное сопротивление ...................... 1 МОм;

- входная ёмкость .................................25 пФ.

Приложение 6