Главная страница Случайная страница Разделы сайта АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Пояснения к лабораторной работе
4.1. Комбинированные аналоговые измерительные приборы
Комбинированные электромеханические измерительные приборы предназначены для измерения напряжения и силы постоянного тока, среднеквадратического значения напряжения и силы переменного тока синусоидальной формы, а также сопротивления постоянному току. В связи с этим их называют также авометрами (ампервольтомметрами). Устройство этих приборов основано на использовании магнитоэлектрического измерительного механизма (микроамперметра) и измерительных цепей (добавочных резисторов, шунтов, выпрямителей для преобразования измеряемой электрической величины в значение постоянного тока). При измерении напряжения постоянного тока предел измерения изменяется при помощи переключающего устройства, коммутирующего соответствующие добавочные резисторы, включенные последовательно с микроамперметром. При измерении переменных напряжений в схеме прибора используются двухполупериодный выпрямитель (рис. 1.1). Угол поворота подвижной части измерительного механизма в этом режиме зависит от средневыпрямленного значения измеряемого напряжения или тока. Шкала прибора градуируется при этом в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения (тока) синусоидальной формы. Рис. 1.1. Схема трехпредельного выпрямительного вольтметра
Сопротивление постоянному току измеряется авометром путем преобразования измеряемого сопротивления в значение напряжения. При измерении сравнительно небольших сопротивлений (до сотен Ом) обычно используется схема, приведенная на рис. 1.2, а. Здесь R 0 – сопротивление образцового резистора, Rx – измеряемое сопротивление и Ux – напряжение, функционально связанное с измеряемым сопротивлением. Однако при использовании данной схемы увеличение значений измеряемых сопротивлений при приемлемых значениях R 0 , которое должно быть значительно больше Rx, приводит к существенному падению чувствительности прибора и увеличению нелинейности шкалы. Поэтому при измерении сравнительно больших сопротивлений используют схему, приведенную на рис. 1.2, б. При использовании этой схемы, значение R 0 должно быть существенно меньше Rx, что удобно для измерения больших сопротивлений с приемлемой нелинейностью. В обоих случаях шкала прибора имеет нелинейный характер, однако в первом случае она прямая, а во втором – обратная (большему значению сопротивления соответствует меньшее отклонение стрелки).
а б Рис. 1.2. Иллюстрация принципов измерения сопротивлений в комбинированных измерительных приборах
Источником питания в авометрах обычно служат гальванические элементы, у которых ЭДС со временем уменьшается. Поэтому перед измерением сопротивления это уменьшение корректируется специальным переменным резистором, ручка управления которым выведена на панель управления прибора (при измерениях на пределе Ω при разомкнутой входной цепи стрелка прибора устанавливается на отметке ∞; на других пределах при закороченной входной цепи – на отметке 0). Оценку абсолютного значения основной инструментальной погрешности при измерении напряжений и токов следует осуществлять по формуле , где – предел допустимой приведенной основной погрешности при измерении напряжений и токов; нормирующее значение (предел измерений). В случае измерения сопротивлений оценка абсолютного значения основной инструментальной погрешности определяется в единицах длины шкалы и ее необходимо перевести в единицы соответствующей шкалы сопротивлений (ом или килоом)с учетом цены деления шкалы вблизи показания прибора. , где – предел допустимой приведенной основной погрешности при измерении сопротивлений; L – длина шкалы в миллиметрах. 4.2. Комбинированные цифровые измерительные приборы Комбинированные цифровые измерительные приборы (мультиметры) предназначены для измерения тех же параметров электрических цепей, что и электромеханические, однако отличаются рядом преимуществ. Основные из преимуществ заключаются в высокой точности, автоматическом получении цифрового отсчета и малом влиянии на измеряемую величину (что ведет к уменьшению возможных методических погрешностей). Функциональная схема универсального цифрового мультиметра типа Щ4300 приведена на рис. 1.3. Рис. 1.3. Функциональная схема цифрового мультиметра типа Щ4300
Как и большинство цифровых измерительных устройств, цифровой мультиметр состоит из последовательного ряда аналоговых измерительных преобразователей (АП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового отсчетного устройства (ОУ). Назначение аналоговых измерительных преобразователей состоит в преобразовании входной измеряемой величины Х в величину, наиболее удобную для цели собственно измерений, т.е. получении численного значения величины путем ее сравнения с некоторой ее частью, принятой за единицу измерения. Это численное значение – код в двоично-десятичной системе счисления формируется в блоке АЦП и затем отображается визуально на ОУ. Входными величинами Х, которые можно измерять, пользуясь данным цифровым мультиметром, являются: – напряжение постоянного и переменного тока; – сила постоянного и переменного тока; – сопротивление цепи постоянному току. входным измерительным преобразователем (ВИП), включающим в себя выпрямительный мост и образцовые резисторы, все эти входные величины преобразуются в напряжение постоянного тока Ux, с некоторым коэффициентом преобразования K, определяемым характеристиками ВИП: Ux = Kх. Затем это постоянное напряжение Ux подается на вход интегратора, реализованного на операционном усилителе, в течение всего первого такта интегрирования Т 0 (ключ К1 замкнут, ключ К2 разомкнут) (рис. 1.4). Рис. 1.4. Временные диаграммы работы АЦП Основное назначение первого такта интегрирования заключается в уменьшении влияния помех на результат измерения. Поскольку наиболее существенная помеха на электронные приборы возникает от источника сетевого напряжения частотой 50 Гц, то интервал Т 0 для более полной компенсации этой помехи выбран кратным периоду помехи и равным 40 мс, т.е. двум периодам сетевой частоты. В конце первого такта интегрирования на выходе интегратора U инт формируется напряжение, пропорциональное среднему значению входного напряжения Ux за период Т 0 U инт = , где С – постоянная интегрирования. В начале второго такта интегрирования ключ К1 размыкается, а ключ К2 – замыкается, переключая вход интегратора к выходу источника U o. Этот момент времени отмечается появлением на выходе сравнивающего устройства СУ положительного фронта импульса, открывающего ключ К3 и, следовательно, разрешающего прохождение на вход счетчика ∑ импульсов от генератора G стабилизированных по частоте импульсов. Таким образом, во втором такте интегрируется напряжение источника стабильного опорного напряжения U 0, знак которого противоположен Ux. Направление интегрирования во втором такте противоположно по отношению к первому. Следовательно, во втором такте интегрирования (постоянная интегрирования не изменяется).
Второй такт заканчивается в момент равенства нулю выходного напряжения интегратора и этот момент характеризуется появлением низкого напряжения на выходе сравнивающего устройства СУ, запирающего ключ К3 и прекращающего поступления образцовых по частоте импульсов в счетчик ∑. Следовательно, длительность второго такта интегрирования Tx определится из выражения , откуда . Таким образом, во втором такте интегрирования происходит преобразование среднего значения напряжения Ux в интервал времени Tx. Поскольку Ux с = КX с, то сформированный интервал времени будет пропорционален измеряемой величине X с . Точность этого преобразования измеряемой величины в интервал времени будет определяться стабильностью коэффициента К и величин T 0 и U 0. Изложенное выше объясняет, почему подобного типа цифровые приборы часто называют приборами двухтактного интегрирования. Полученный интервал Tx, представленный длительностью импульса U су на выходе сравнивающего устройства, измеряется в блоке АЦП путем сравнения его с единичной мерой времени t 0 – периодом повторения счетных импульсов образцового стабилизированного генератора G. Измерение осуществляется подсчетом числа периодов импульсов образцового генератора, укладывающихся в полученный интервал времени Tx. Технически это эквивалентно подсчету числа этих импульсов N, прошедших на счетчик импульсов ∑ за время открытого состояния ключа К3, где – частота образцового генератора G. Подставляя в эту формулу значения Tx, получаем выражение , или .
Так как U 0, K, T 0, f 0 – величины постоянные, то измеряемая величина X c прямо пропорциональна числу N, которое в качестве результата измерения в соответствующих единицах измерения индицируется на отсчетном устройстве ОУ. При этом заметим, что поскольку число импульсов дискретно, то при измерении интервала времени возникает специфическая аддитивная составляющая погрешности – погрешность дискретности, абсолютное значение которой может достигать величины ± t 0. Рассмотренный цифровой мультиметр имеет как аддитивную, так и мультипликативную составляющие погрешности, и поэтому предел его основной допустимой относительной погрешности (в процентах) выражается двучленной формулой , где X max – рабочий предел измерения шкалы; X – измеренное значение на этом пределе; c и d –константы, характеризующие класс точности прибора, приводимые в его технических характеристиках. Содержание отчета
· цель работы; · формулы, используемые при обработке результатов измерений с расшифровкой буквенных обозначений переменных; · таблицы с результатами измерений; · выводы по каждому пункту задания.
Контрольные вопросы
1. Почему у аналоговых омметров противоположные шкалы для измерения малых и больших значений сопротивлений? 2. В чем смысл введения понятий предельных значений абсолютной, относительной и приведенной погрешностей? 3. Что указывается в техническом паспорте измерительного прибора при нормировании его погрешности? 4. Поясните разницу между основной погрешностью измерительного прибора и дополнительными погрешностями. 5. От чего зависит выбор формы представления пределов основной допустимой погрешности? 6. Чем характеризуются систематическая и случайная погрешности? 7. Что такое класс точности измерительного прибора? 8. Как по классу точности измерительного прибора оценить пределы допустимых основной абсолютной и относительной погрешностей результата измерения? 9. Почему не рекомендуется проводить измерения, если результат отсчитывается в начале шкалы измерительного прибора? 10. Что такое нормирующее значение и как оно влияет на определение оценок погрешности измерения? 11. Как обеспечивается расширение предела измерения в n – раз у вольтметров? 12. Как обеспечивается расширение предела измерения в n – раз у амперметров? 13. Как в комбинированных приборах осуществляется преобразование напряжений переменного тока в напряжение постоянного тока? 14. В чем состоят достоинства цифровых мультиметров? 15. В чем состоит суть метода двухтактного интегрирования и каковы его достоинства?
|