13441

Деякі особливості використання вольтметрів змінного струму

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНА РАБОТА № 5 Деякі особливості використання вольтметрів змінного струму Мета роботи : Опрацювати опис даної роботи та відповідні розділи рекомендованої літератури [1] [2] [3] [5]. 2. Уміти відповідати на наступні запитання: 1. Поясніть будову та принцип д

Украинкский

2013-05-11

237.5 KB

17 чел.

ЛАБОРАТОРНА РАБОТА № 5

Деякі особливості використання вольтметрів змінного струму

Мета роботи : Опрацювати опис даної роботи та відповідні розділи рекомендованої літератури [1], [2], [3], [5].

2. Уміти відповідати на наступні запитання:

1. Поясніть будову та принцип дії електромеханічних вольтметрів різних систем.

2. Накресліть  схеми  перетворювачів середньовипрямленого значення та поясніть їх дію.

3. Накресліть схеми перетворювачів середньоквадратичного значення (с.к.з.) напруги та поясніть їх дію.

4. Накресліть схеми перетворювачів амплітудного значення та поясніть їх дію.

5. Накресліть схему підключення до електричної мережі вольтметра з вимірювальним трансформатором напруги; в яких випадках виникає необхідність такого підключення?

6. Накресліть схему резисторного та конденсаторного дільників напруги. Як визначити коефіцієнт масштабного перетворення напруги?

7. Накресліть вольт-амперну характеристику (ВАХ) напівпровідникового діоду. Поясніть нелінійність шкали випрямного вольтметра при вимірюванні малої напруги.

8. Як за ВАХ діода (із довідника) визначити Rпр, Rзв, Kв. При якому мінімальному значенні напруги шкала приладу  матиме лінійний характер?

9. Які причини температурної та частотної похибки випрямних вольтметрів, як здійснюється їх компенсація?

Короткі теоретичні відомості

Вимірювання змінних струмів та напруг набагато складніше за вимірювання постійних. Постійний струм чи напруга характеризується лише одним параметром, який однозначно визначає їх енергетичну дію, наприклад, теплову. Цей параметр і називають значенням або розміром постійного струму чи напруги, наприклад, 2 А або 5 V.

Змінний струм чи напруга – набагато  складніше явище, яке можна характеризувати багатьма різними параметрами,  з яких 6 мають назву "Напруга" з відповідним прикметником,  що дуже суттєво змінює це просте, здавалось би, поняття.

Розглянемо ці 6 різних параметрів з метою подальшого селективного їх вимірювання різними засобами вимірювання.

1. Миттєве значення змінюється з часом і відповідає у кожен момент значенню такої ж постійної напруги або струму з урахуванням їх напрямку (знаку). Воно може визначатись, наприклад, за формулою u = 5 sinwt, тобто змінюватись з часом від 5 V до мінус 5 V, переходячи через нульове значення. Вимірювати миттєве значення напруги, якщо частота невелика, наприклад, частки герца можна за допомогою магнітоелектричного вольтметру. У наведеному прикладі стрілка магнітоелектричного вольтметра з нулем посередині шкали буде рухатись між позначками 5 V та мінус 5 V, займаючи в кожен момент часу положення, що відповідає миттєвому значенню вимірюваної напруги.

При підвищенні частоти із-за інерційності рухомої частини вимірювального механізму такий прилад не встигає відслідковувати зміни миттєвого значення напруги. В таких випадках для вимірювань миттєвих значень напруги доводиться застосовувати електромеханічні (шлейфові) осцилографи (до частот 15..20 кHz) або електронні – на  вищих частотах.

2. Середнє значення напруги змінного струму (постійна складова) (рис.5.1):

1     T

Uo =        ∫   u(t)  dt                                         (5.1)

T    0

Цей параметр можна виміряти, наприклад, магнітоелектричним вольтметром.

3. Пікове значення  напруги змінного струму Uпік на рис.5.1 є найбільшим миттєвим значенням напруги за час вимірювання. Цей параметр вимірюють спеціальними електронними піковими вольтметрами, на шкалі яких є позначка " Vпік ".

Рис. 5.1 Графік синусоїдальної напруги з постійною складовою Uо

4. Амплітудне  значення  напруги  змінного  струму – Um   на рис.5.1 відповідає піковому для ідеальної синусоїди без постійної складової. Вимірюється  спеціальними  електронними  амплітудними вольтметрами.

5. Середньовипрямлене значення напруги змінного струму:

1    T

Uсв =        ∫  | u(t) | dt                                         (5.2)

T   0

Саме на цей параметр реагують випрямні (детекторні) вольтметри. Проте на практиці Uсв досить рідко потрібно знати інженерові, і тому, звичайно, випрямні вольтметри градуюють у середньоквадратичних (діючих) значеннях напруги синосоїдального змінного струму. Користуючись випрямним вольтметром, наприклад, у складі комбінованого приладу (тестеру), слід пам'ятати, що градуювання його шкали у середньоквадратичних значеннях придатне лише для ідеально синусоїдальних струмів (Кф = 1,11). При сумнівах щодо останньої умови користуватись такими приладами недоцільно, тому що можлива велика методична похибка вимірювання, врахувати яку в більшості випадків практично неможливо.

6. Середньоквадратичне, або діюче, або ефективне значення напруги змінного струму:

1     T

U =    ∫ u2 (t) dt                       (5.3)

T    0

Саме це значення позначається великою літерою U без індексу. Саме його мають на увазі, коли називають термін "напруга змінного струму" без будь-яких прикметників. За своєю енергетичною, наприклад, тепловою, дією, ефектом середньоквадратичне значення рівноцінне такому ж значенню напруги постійного струму. Вимірювати діюче значення напруги можна, наприклад, електростатичним вольтметром.

Між переліченими параметрами змінного струму є зв'язок, що визначається формою досліджуваного сигналу та характеризується коефіціентами амплітуди Kа  та  форми  Kф:

Kа = Um / U;      Kф = U / Uсв;

Але ці коефіціенти відомі лише для сигналів, форма яких відповідає ідеальним математичним моделям.

Якщо форма сигналу несинусоїдальна, то спроби використання коефіціентів форми та амплітуди для вирішення вимірювальних задач в інженерній практиці, як правило, недоцільні.

Таким чином, приступаючи до вимірювання напруги змінного струму перш за все треба чітко усвідомити, яке з шести перелічених значень потрібно. Потім вирішують, чим вимірювати, що не менш складно, так як розбіжність між показами різних вольтметрів може бути значною. Наприклад, при вимірюванні однієї і тієї ж напруги сигнала прямокутної форми електродинамічний вольтметр (що реагує на діюче значення) покаже 100 V, випрямний (що реагує на середньовипрямлене значення) 111 V, а піковий електронний – 70,7 V.

Для грамотного вибору вольтметра необхідно добре знати їх принципи дії, будову та метрологічні характеристики.

Перш за все, коротко розглянемо найважливіші метрологічні характеристики вольметрів.

1.2. Метрологічні характеристики вольтметрів

Метрологічними називають характеристики засобів вимірювальної техніки (ЗВТ), що впливають на результат і на похибки вимірювань. Метрологічні характеристики (МХ) ЗВТ слід вивчати за [1] та [2]. Коротко нагадаємо найважливіші МХ. Узагальненою характеристикою ЗВТ є клас точності. Для найбільш розповсюджених, стрілкових, вольтметрів клас точності подається у відсотках межею допустимої зведеної похибки. Остання визначається основною та додатковими складовими.

Основна похибка ЗВТ притаманна йому в нормальних (паспортних) умовах застосування, коли величини, що впливають на МХ ЗВТ не виходять за межі, вказані в його нормативно-технічні документації (наприклад, у технічному паспорті). Такими впливними величинами є: наприклад, температура довкілля, атмосферний тиск, діапазон частот, коефіцієнт форми вимірюваної напруги і  т.ін.

Додаткові похибки ЗВТ виникають внаслідок відхилення впливних величин від нормальних значень у більш широких межах так званих робочих умов застосування і додаються до основних. Робочі і нормальні умови подаються у нормативно – технічній  документації на ЗВТ. За межами робочих умов застосування експлуатація ЗВТ не допускається, тому що в цьому випадку їх метрологічні характеристики виходять за межі нормованих значень, тобто невідомі.

Важливою МХ вольтметра є його вхідний опір. Він визначає споживання енергії приладом від об'єкту вимірювання, яке змінює режим роботи останнього та призводить до виникнення похибок вимірюванння від взаємодії приладу з об'єктом.

1.3. Принципи дії та будова електромеханічних вольтметрів змінного струму

Структурна схема вольтметра змінного струму (ВЗС) залежить, перш за все, від його вимірювального механізму. Якщо використовують магнітоелектричний механізм, який, як відомо, придатний тільки для мереж постійного струму, то обов'язково спочатку треба перетворити вимірюваний змінний струм чи напругу у постійний. Це виконується різними перетворювачами, якими визначається схема приладу та значення напруги, на яке він реагує.

Розглянемо електромеханічні вольтметри без перетворювача роду струму. В таких приладах застосовують вимірювальні механізми (ВМ) електромагнітної (ЕМ), електродинамічної (ЕД), феродинамічної (ФД) та електростатичної (ЕС) систем.

Структурна схема приладу, складається лише з вимірювального ланцюга та вимірювального механізму. Вимірювальний ланцюг вольтметра містить додаткові резистори для вибору (встановлення) потрібної межі вимірювання, а також елементи компенсації температурної та частотної похибок.

Для розширення меж вимірювання вольтметрів змінного струму використовують також додаткові резистори (ДР),  вимірювальні трансформатори напруги (ТН) та дільники напруги (ДН), останні, найчастіше конденсаторні, для електростатичних вольтметрів.

Будову, принцип дії, царину застосування та основні характеристики вольтметрів різних систем треба вивчити за рекомендованою літературою, наприклад. [ 2, 3, 5 ].

В табл.5.1 подано основні характеристики ВЗС.

Система

ЕМ

ЕД

ФД

ЕС

Випрямна

Умовне позначення

Клас точності

0,2 – 1,5

0,1 – 0,5

0,5 – 2,5

0,05 – 1,0

1,5 – 4,0

Діапазон робочих частот

40Гц - 3кГц

40Гц - 5кГц

20Гц– 1,5кГц

20Гц – 50мГц

30Гц - 20кГц

Найменша межа вимірювання

0,5

7,5

0,5

10

0,5

Споживана потужність

0,1

0,1

0,02

хххххххххх

0,00001

Розширення межі вимірювання

ДР,ТН

ДР,ТН

ДР,ТН

ДН

ДР

Вольтметри ЕМ, ЕД,ФД та ЕС систем реагують на середньоквадратичне значення вимірюваної напруги, шкали їх градуюють у цих же значеннях. У більшості випадків цими вольтметрами можна вимірювати також і постійні напруги. Але у ЕМ та ФД вольтметрів при цьому похибки можуть помітно перевищити значення, нормовані їх класами точності. Головна причина цих додаткових похибок полягає в тому, що феромагнітні елементи цих ВМ виготовлені з матеріалів, яким притаманні гістерезисні явища.

1.4. Електромеханічні вольтметри з перетворювачами

Структурна схема приладу складається з перетворювача змінного струму чи напруги в постійний та магнітоелектричного вимірювального механізму. В залежності від перетворювача, який дає назву приладові, такі вольтметри поділяють на три основні різновиди:

- випрямні (детекторні);

- термоелектричні;

- електронні.

Випрямні вольтметри складаються з однопівперіодного чи двопівперіодного випрямного перетворювача на напівпровідникових діодах, додаткових резисторів, елементів компенсації температурних та частотних похибок і магнітоелектричного ВМ. Типові их характеристики наведені в табл.5.1, а схеми – на  рис.5.5  и  5.6.

Принципи дії і характеристики цих схем, а також засоби компенсації температурних та частотних похибок необхідно вивчити за [ 2,5 ].

У випрямних перетворювачах приладів застосовують германійові або кремнійові діоди. Випрямні властивості діода характеризуються коефіціентом випрямляння

Kв = Iпр / Iзв  ?  Rзв / Rпр

де -   Iпр,   Iзв – прямий струм, від "плюса" до "мінуса", у напрямі стрілки символічного зображення діода на схемі,  і зворотний – в протилежному напрямі;  Rпр, Rзв – прямий  і зворотний опір діода ( залежно від полярності прикладеної напруги).

Вольтамперна характеристика (ВАХ) діода наведена на рис.5.2, а.

Зверніть увагу на нелінійний характер графіка рис.5.2, особливо при маленьких напругах, до Umin. Тому при маленьких напругах зменшується  і може впасти, навіть до значення = 1, тобто коли діод вже не випрямляє струм. При застосуванні у вимірювальних приладах ця властивість діода обмежує можливість вимірювання маленьких напруг, тобто нижню межу вимірювання.

Залежить також і від температури. Він зменшується на (1...2)% при підвищенні температури на 1ос. Це приводить до температурних похибок випрямних приладів.

Причиною ж частотних погрішностей випрямних приладів є обмежені частотні властивості напівпровідникових діодів. На рис.5.3, зображена еквівалентна схема діода, що випрямляє струм підвищеної частоти. 

Рис.5.2. Вольтамперна характе-     Рис. 5.3 Еквівалентна схема діода

                         ристика діода                                   для підвищеної частоти

Його випрямляючий перехід має певну ємність Cп, яка залежить від площі переходу. Ця ємність, реактивний опір якої зменшується при зростанні частоти (Xс = 1/wC) шунтує випрямляючий перехід, створюючи для струму, який потрібно випрямити, обхідний шлях. Цей шлях частина струму долає без випрямлення. Тому при зростанні частоти частка невипрямленого струму через діод зростає, зменшуючи його Kв.

Найпростішою схемою випрямного приладу могла б бути схема (рис.5.4). Але на практиці вона не може бути застосована ні в амперметрах, ні у вольтметрах. Адже при застосуванні такого приладу грубо порушується одне з основних правил метрології: підключення вимірювального приладу до досліджуваного об'єкту не повинно помітно змінювати режим роботи останнього. Але при підключенні такого приладу послідовно з об'єктом для вимірювання у ньому, наприклад, синусоїдального струму, цей струм набуде форми, зображеної на (рис.5.4), тобто стане пульсуючим.

При паралельному підключенні до об'єкту такого приладу для вимірювання напруги також неминучі спотворення режиму роботи об'єкта. Дійсно, в одну половину періоду змінної напруги, коли діод VD1 відкритий, вхідний опір приладу, що складається з суми відносно невеликих опорів вимірювального механізму Rвм та прямого опору діода Rпр надто малий. В другу половину періоду, коли діод VD1 закритий, вхідний опір визначається дуже великим значенням зворотнього опору діода VD1.

Окрім несиметричності вхідного опору, недоліком схеми рис.5.4 є небезпечний режим роботи діода VD1. Дійсно, в половину періоду, коли діод VD1 закритий, до нього прикладається повне амплітудне значення вимірюваної напруги, яке може призвести до електричного пробою випрямного переходу.Тому на практиці застосовують схему однопівперіодного приладу, зображену на (рис.5.5).Однопівперіодною її називають тому,  що  струм   через  вимірювальний механізм проходить тільки в одну половину періоду.

Рис. 5.4 Найпростіша схема та               Рис.5.5 Практична схема та

осцилограма   струму                             осцилограми струмів

випрямного приладу                 днопівперіодного  випрямного приладу

Схема рис. 5.5 вільна від недоліків схеми  рис. 5.4. Симетричність вхідного опору забезпечується однаковістю діодів VD1 і VD2 та опорів R1  і  Rвм.

Рис. 5.6 Схема та осцилограми струмів двопівперіодного випрямного приладу

Схему рис.5.6 називають двопівперіодною тому,  що струм через вимірювальний  механізм проходить у обидві половини періоду вимірюваного сигналу. Шлях струму і1, в першу половину періоду показаний на схемі рис.5.6 суцільною лінією, а i2 в другу половину періоду - пунктирною. Як видно з рис.5.6, в обидві половини періоду струм через ВМ проходить у одному напрямку - від точки в (+) до точки г (-). Тому чутливість такого приладу вдвічі вища, ніж у однопівперіодного. Здавалось би, що саме ця схема краща для вимірювання малих напруг. Але насправді це не так із-за нелінійності вольтамперної характеристики діода на ділянці малих напруг (рис.5.2). Дійсно, при вимірюванні невеликої напруги, наприклад Ux (рис.5.2), однопівперіодним вольтметром майже вся ця напруга прикладається до діода, і через вимірювальний механізм протікає досить великий струм ix (див. рис.5.2). Якщо вимірювати цю ж напругу Ux двопівперіодним вольтметром, то в кожну половину періоду ця напруга поділяється між двома послідовно з'єднаними діодами (для спрощення про падіння напруги на вимірювальному механізмі в обох випадках нема мови). Ця половина напруги Ux прикладена до кожного діода, створює у ньому невеликий струм  і1 або  i2 (рис.5.2). Як видно з графіка, сума струмів (і1 + i2), яка протікає при використанні двопівперіодної схеми через вимірювальний механізм, значно менша від одного струму ix в однопівперіодній схемі. Тому для вимірювання малих напруг доцільніша однопівперіодна схема.

Рис. 5.7 Практична    схема     двопів-        Рис.5.8   Практична   схема

періодного випрямного приладу              двопівперіодного  випрямного

з шунтуванням за постійним                     приладу  з  шунтуванням   за

струмом                                                       змінним струмом

Практичними варіантами двопівперіодних схем є такі, у яких два діода замінено манганіновими резисторами – рис.5.7 і 5.8. Завдяки майже нульовому температурному коефіціентові опору останні температурні похибки таких приладів дещо зменшуються. Крім того ці резистори, шунтуючи схему, в одному випадку за постійним струмові, а в другому – за  змінним, розширюють межі вимірювання.

Рис. 5.9 Схема  С компенсації                 Рис. 5.10 Схема L компенсації

частотних похибок випрям-                  частотних похибок випрям-

ного приладу                                           ного приладу

Для компенсації частотних похибок випрямних приладів використовують частотозалежні RC або RL ланцюжки (схеми 5.9 і 5.10). Розглянемо їх дію. При зростанні частоти вимірюваного сигналу Kв діодів зменшується. Тому зменшується випрямлена частка струму, а значить, і покази магнітоелектричного механізму, який реагує тільки на постійну складову струму. Але при цьому в схемі рис.5.9 з зменшується і реактивний опір RC ланцюжка (Хc = 1/ωC), завдяки чому змінний струм, який подається на випрямний міст зростає. Це, звичайно, дещо збільшує і випрямлений струм, компенсуючи в певному діапазоні частот частотну похибку приладу.

У схемі рис.5.10  частотозалежний RL ланцюжок шунтує випрямний міст. Змінний струм i, створений вимірюваним сигналом, ділиться на  дві частини: iв - на випрямний міст та  iш - на частотокомпенсуючий ланцюжок RL. При зростанні частоти вимірюваного сигналу реактивний опір RL ланцюжка збільшується (ХL = ωL), тому струм iш через нього дещо падає, підвищуючи тим самим частку струму iв на випрямний міст. При цьому трохи збільшується і випрямлений струм через вимірювальний механізм, що в певному діапазоні частот компенсує частотну похибку приладу.

Випрямні вольтметри реагують на середньовипрямлене значення вимірюваної напруги, а градуюються, як правило, у діючих значеннях ідеальносинусоїдальної напруги. Тому їх слід використовувати тільки при впевненості в чисто синусоїдальному характері вимірюваної напруги. Виконавши п.2.3 лабораторної роботи, ви впевнитесь, як істотно впливає зміна форми вимірюваної напруги на покази випрямних вольтметрів. Виконавши п.2.2 лабораторної роботи, ви впевнитесь у тому, що споживання потужності від об'єкту у випрямних вольтметрів значно менше, ніж у ЕМ та ЕД приладів,  (див. табл.5.1), тому і похибки впливу будуть меншими. Це є, в першу чергу, результат використання високочутливих МЕ вимірювальних механізмів.  А  в п.2.5 лабораторної роботи ви оціните частотний діапазон випрямного та інших вольтметрів.

Найуживаніші структурні схеми приладів зображені на рис 5.11 і 5.12

1.5 Електронні аналогові вольтметри (ЕАВ)

 

 

Рис.5.11 Структурна схема високочутливого електронного аналогового вольтметра змінного струму.

Рис. 5.12 Структурна схема електронного аналогового вольтметра

з широким діапазоном робочих частот

Вольтметри схеми рис.5.12 мають ширший частотний діапазон, але меншу чутливість, ніж вольтметри схеми рис.5.11 із-за нелінійності вольтамперної характеристики діодів при малих напругах. Для вольтметрів схеми рис.5.11 чутливість може бути дуже високою, обмежуючись лише власними шумами підсилювача змінного струму. Але частотний діапазон, внаслідок обмеженості відповідної характеристики того ж підсилювача змінного струму вужчий, ніж у приладів схеми рис.5.12.

Деякі типові характеристики електронних аналогових вольтметрів подані у табл.5.2.

Назва характеристики

Схема

рис.5.11

Схема

рис.5.12

Найменша межа вимірювання, V

Вища частота робочого діапазону, MHz

Межа основної зведеної похибки, %

Межа зведеної похибки в робочих умовах, %

Вхідний опір, МΩ

0,3

1000

(1,5...2,5)

(10...30)

5...25

1...10

10...1000

(1,0...2,5)

(2,5...10)

1...10


                                           Таблиця 5.2

Метрологічні характеристики ЕАВ значною мірою визначаються властивостями вимірювального перетворювача змінної напруги в постійну.

За вимірюваним параметром змінної напруги розрізняють перетворювачі пікового (амплітудного), середньовипрямленого та середньоквадратичного (діючого) значень.

1.5.2. Перетворювачі амплідутного значення (пікові детектори) поділяють на два різновиди: з відкритим (рис.5.13 а) та закритим (для постійної складової напруги) входами (рис.5.14 а).

а                                              б)

Рис. 5.13 Схема (а) та осцилограма (б) вихідної напруги

перетворювача амплітудного значення з відкритим входом

У пікових детекторах із відкритим входом конденсатор С заряджається практично до максимального позитивного (при такому включенні діода) значення вхідної напруги (рис.5.13 б). Особливістю амплітудних перетворювачів із відкритим входом (рис.5.13 а) є те, що вони реагують не тільки на змінну, а ще й на постійну складову вхідної напруги. Тому, якщо вхідна напруга має постійну складову Uo, (рис.5.14 б), то вихідна напруга буде

Uвих  ≈  Uo + Um.

Рис.5.14 Схема (а) та осцилограма вихідної напруги (б)

амплітудного перетворювача з закритим входом

Амплітудні перетворювачі з закритим входом (рис.5.14 а) мають на вході конденсатор С, який затримує постійну складову вхідної напруги (постійний струм через конденсатор не проходить). Тому вольтметри з такими перетворювачами реагують тільки на змінну складову вхідної напруги. При подачі на їх вхід напруги рис.5.13б на виході буде Uвих ≈ Um (тобто без врахування постійної складової Uo). Для зменшення пульсацій вихідної напруги в таких перетворювачах встановлюють фільтр нижніх частот RфCф.

Верхня межа частотного діапазону таких перетворювачів визначається, перш за все, паразитними параметрами (ємністю та індуктивністю провідників і елементів схеми). Тому конструктивно амплітудні детектори виконують як виносну головку (пробник), яка приєднується до приладу за допомогою кабеля.

Детальний опис схем амплітудних перетворювачів подано в [5].

1.5.3. Вольтметри середньовипрямленого  значення  можуть мати перетворювачі змінної напруги у постійну  аналогічні  розглянутим раніше (рис.5.5,  5.8). Але найчастіше застосовують перетворювачі з  включенням детектора в ланцюг негативного зворотнього зв'язку підсилювача (рис.5.15). Завдяки зворотньому зв'язку за  струмом, протікаючий  через  вимірювальний механізм струм не залежить від нелінійного опору навантаження підсилювача. Підвищується чутливість, лінійність і точність перетворювача. Сумарна відносна похибка перетворювача для синусоїдальних сигналів не перевищує (0,1...0,2)%, а діапазон робочих частот – від  20 Hz до 20 kHz, а іноді й вище.

Рис. 5.15 Схема електронного аналогового вольтметра

середньовипрямленого значення

При використанні електронних вольтметрів із перетворювачами середньовипрямленого значення слід пам'ятати, що їх шкала, як і у звичайних випрямних приладів, проградуйована в середньоквадратичних (діючих) значеннях синусоїдальної напруги. Тому й використовувати такі прилади доцільно лише для дослідження синусоїдальних сигналів (Kф  = 1,11).

1.5.4. Електронні вольтметри середньоквадратичного значення.

Перетворювачі середньоквадратичного значення напруги у більшості випадків будують з використанням термоелектричних перетворювачів при застосуванні методів лінеаризації функції перетворення. Функціональна схема такого приладу подана на рис.5.16, а детальний опис у [5].

У схемі електронного вольтметра діючого значення з рівномірною шкалою (рис.5.16) використано два квадратичних перетворювача ТП1 і ТП2, один із яких включений у ланцюг негативного зворотнього зв'язку. Термоелектрорушійні сили перетворювачів відповідно дорівнюють:      2                            2

e1  =  k1I1;      e2  =  k2I2,

де I1, I2 – струми через нагрівачі термопар; k1, k2 – коефіціенти, що визначаються властивостями термоперетворювачів.


Рис.5.16 Схема електронного аналогового вольтметра

середньоквадратичного значення

Вихідний струм широкополосного підсилювача змінного струму (див. рис.5.16) I1 пропорційний вхідній вимірюваній напрузі Uвх

I1 = kпUвх,

де kп – коефіціент  передачі підсилювача змінного струму.

         Тому         e1 = k1kп2Uвх2.

При великому коефіцієнтові передачі підсилювача постійного струму його вхідний сигнал

Δe = e1 - e2 ≈ 0,   тобто   e1e2 ;     kп2Uвх2 = k2I22,

а покази вимірювального механізму  a:     a =  S1I2 = S1kп              Uвх = kvUвх

тобто пропорційні діючому значенню вхідної напруги.

1.6. Похибка впливу при вимірюванні напруги

Напруга, як і струм, є енергонесучим, енергомістким параметром. При вимірюванні напруги вольтметром ми підключаємо прилад до об'єкта, і при цьому відбираємо від нього частину енергії, яка й використовується для переміщення рухомої частини у найпростіших, електромеханічних вольтметрах. У електронних приладах на допомогу приходять зовнішні джерела енергії, але деяка частка енергії від об'єкту при вимірюванні все-таки відбирається. Внаслідок цього, особливо в малопотужних об'єктах, при підключенні до них вольтметра може помітно змінитись режим роботи. Найпомітнішим для нас проявом цієї зміни стане зменшення напруги на об'єкті. Тобто, при підключенні вольтметра для вимірювання напруги на об'єкті, вона стає меншою із-за впливу приладу. Різниця напруг на об'єкті з підключеним вольтметром та без вольтметра і є похибкою впливу.

Розмір цієї похибки визначається тим, яку частку енергії об'екта відбирає на себе вольтметр,або ж співвідношенням між опорм об’єкту та вхідним опором вольтметра.

На рис.5.17 подана схема вимірювання напруги, на якій об'єкт вимірювання показаний як еквівалентний генератор 1 вимірюваної напруги Uх із внутрішнім еквівалентним опором Rі. Вхідний ланцюг вольтметра 2 має опір Zвх. Відносне значення похибки впливу із-за шунтування досліджуваного об'єкту вхідним опором вольтметра

                                                         знак "мінус" тому,  що результат      вимірювання  при  підключеному вольтметрові  завжди менший за Рис. 5.17 Схема, що пояснює виникнення                                  за дійсне значення напруги на об'єкті

похибки від взаємодії вольтметра з об'єктом                             (без вольтметра).

На низьких частотах             Rвх << 1 / ωCвх,

тобто                                    δ = -  Rі / (Rі + Rвх)

На високих частотах    Rвх >> 1 / ωCвх,     тобто  |δ| = ωRіCвх.

Тобто, на низьких частотах похибка впливу визначається, перш за все, вхідним активним опором вольтметра Rвх, а на високих - вхідною ємністю Cвх.

2. Порядок виконання роботи

2.1.Визначення вхідного опору вольтметра

Вхідний опір вольтметра можна визначити опосередкованим вимірюванням, використавши схему рис.5.18.

Рис. 5.18 Схема вимірювання вхідного опору вольтметра

Встановіть опір магазину резисторів Rм = 0, і подайте від джерела напруги (генератора) напругу частотою 50 Гц значення близького до верхньої межі вимірювання вольтметра; запишіть його покази U1. Тепер збільшуйте Rм доти, поки покази досліджуваного вольтметра зменшаться точно вдвічі. Запишіть опір магазина резисторів – він дорівнює вхідному опору досліджуваного вольтметра.

Повторіть дослід для використовуваних у роботі електромагнітного та випрямного вольтметрів. Для електростатичного (ЕС) та електронного (Ел) вольтметрів паспортні значення Rвх вказані на самих приладах.

Обчисліть активну потужність Pв, споживану кожним вольтметром при напрузі, що відповідає верхній межі вимірювання Uв:

Pв = Uв2 / Rвх.

Занести виміряні, обчислені та подані на шкалі кожного вольтметра метрологічні характеристики у табл. 5.3.                     

                                                                                                                  Таблиця 5.3

Тип         вольтметра

Система

Зав. №

Межа вимірюв.

Клас точності

Rвх,kΩ

Pв,W

ЕМ

ВП

ЕС

Ел

2.2. Оцінка впливу вхідного опору вольтметрів

на результат вимірювання напруги

2.2.1. Дільник напруги з двох однакових резисторів R1 і R2 (перемикачем можна змінювати ці значення обидва одночасно) підключений до регульованого джерела напруги U частотою 50 Гц (рис 5.19).

Рис. 5.19 Схема дослідження похибки від  взаємодії вольтметра з об'єктом

Встановіть значення загальної напруги U близьким або рівним межі вимірювання досліджуваного вольтметра і підтримуйте в усіх подальших дослідах незмінним.

Згідно другому закону Кірхгофа ця напруга повинна ділитись на дві рівні частини - падіння напруги U1 на резисторі R1 та U2 - падіння напруги на резисторі R2 (ніякий вольтметр поки що не підключаємо):

U = U1 + U2;  U1 = U2 = U / 2.

При підключенні вольтметра паралельно будь-якому резисторові, наприклад R2 (див. рис.5.19) для вимірювання на ньому напруги U2 вхідний опір приладу Rвх шунтує резистор R2. Внаслідок цього еквівалентний опір ділянки б  в, де підключений резистор R2 зменшується:

Re = R2 Rвх / (R2 + Rвх).

При цьому режим роботи об'єкта, яким у нас є дільник напруги, змінюється.  Опір ділянки б в стає меншим ніж опір ділянки а б (а без підключення вольтметра вони були однаковими).  Тому й напруги U1 та U2 вже не будуть однаковими: U2 стане меншою за U1.

Теж саме відбудеться при підключенні вольтметра до R1.

Знаючи напругу U, та вхідні опори досліджуваних вольтметрів і всі по черзі значення опорів R1 та R2 дільника напруги, розрахуємо, що повинні показувати різні вольтметри при вимірюванні напруги U2 для усіх значень (R1,R2).Значення обчислень запишіть у таблицю в графу U1,U2 (практично обчислене) значення для всіх приладів, що застосовуються у лабораторній роботі.

Наприклад (табл.5.4).

Вольтметр - електромагнітний;        Rвх = 2 kΩ;  U = 30 V.Т

Таблиця 5.4

R1, R2

Ω

Re, Ω

Теоретично U1, U2(v) 

практично U,U2.( v )

Похибка від взаємодії

Теоретичне значення

Обчислене значення

Результат вимірювання

Абсолют. ∆, v

Відносна δ, %

100

500

2000

5000

Провівши експеримент із вимірювання кожним вольтметром напруг U1 чи U2 при всіх значеннях опорів об'єкту, занесіть одержані результати у графу U1,U2 (виміряне значення) Обчисліть також значення абсолютної похибки впливу від взаємодії     ( Δ = Uтеор - Uпр.) ;                                              та відносної похибки впливу від взаємодії ( δ = (Δ / 0.5 U)100% ) кожного вольтметра при всіх значеннях опорів R1 та R2 об'єкту.

Використавши результати теоретичних досліджень та експерименту треба оцінити розмір вхідного опору вольтметра для кожного значення опору об'єкту, при якому похибка впливу не перевищуватиме 0,3 основної похибки вольтметра.

2.3. Оцінка впливу форми кривої змінної напруги

на покази вольтметрів різних систем.

2.3.1. Вимірювання вольтметрами різних систем напруги на виходах одно- та двопівперіодного випрямлячів.

Підтримуючи на входах обох випрямлячів лабораторного стенду однакове діюче (середньоквадратичне) значення напруги, за показами вольтметра лабораторного стенда виміряти усіма вольтметрами по черзі напругу на виходах однопівперіодного, а потім двопівперіодного випрямляча. Результати занесіть у таблицю 5.5

                                                                                                        Табл. 5.5.                                                                                                                        

Система вольтметра

Вхідна напруга, V

Результат вимірювання напруги на виході випрямляча

Одно півперіод ного

Двопівперіод ного

ЕМ

ВП

ЕС

Ел

Поясніть письмово отримані результати.

2.3.2. Виміряйте усіма вольтметрами по черзі напругу на виході триністорного регулятора потужності при різних кутах відсікання. Форми напруг надані на рис. 5.20, де позначено θ – кут відсікання.

Результати запишіть у табл. 5.6. і поясніть їх письмово.

Таблиця 5.6.

Система вольтметра

Покази вольтметрів при кутах відсікання θ

θ ═ 0о

θ ═ 45о

θ ═ 90о

ЕМ

ВП

ЕС

Ел

Рис. 5.20 Осцилограми вихідних напруг триністорного

регулятора потужності при різних кутах відсікання

2.5. Визначення додаткової частотної похибки вольтметрів

                                                                                        Таблиця 5.7

                                                                                               

Система

вольтметра

Покази вольтметрів, V на частотах f, Hz

20

50

125

250

630

1250

6300

10000

ЕМ

ВП

Ел

ЕС

Підключіть вольтметри до виходу генератора синусоїдальної напруги, встановіть вихідну напругу генератора в межах 30...50 V. Змінюючи частоту сигналу, запишіть у табл. 5.7 покази вольтметрів. Під час експерименту необхідно вихідну напругу генератора підтримувати на незмінному рівні.

Побудуйте АЧХ вольтметрів у логарифмічному масштабі по осі частоти. Поясніть причини частотної похибки для вольтметрів різних систем.

ВИМОГИ  ДО  ЗВІТУ

Звіт про виконання лабораторної роботи повинен містити:

1. Схеми вимірювань.

2. Основні розрахункові формули з поясненням до них.

3. Таблиці з результатами вимірювань та обчислень.

4. Результати обробки даних експерименту.

5. Окремі висновки про кожний із експериментів лабораторної роботи.

PAGE  13


Перетворювач

Підсилювач

Змінного струму

МЕ вимірювальний механізм

U~

kU~

U=

U=

U~

Перетворювач

Підсилювач

Змінного струму

Е вимірювальний механізм

U=

U~

Rм (магазин резисторів)

Досліджуваний вольтметр

Джерело   напруги (генератор)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52692. Правовое воспитание младших школьников 41.5 KB
  Вечная задача педагогики воспитание умного доброго честного и сильного человека сегодня как никогда остро встает перед школой. Начальная школа это время формирования человекаличности. Основываясь на положения следующих государственных нормативноправовых актов: Общая декларация прав человека; Декларация прав ребенка; Конвенция ООН о правах ребенка; Конституция Украины; Национальная программа Дети Украины . основной целью можно считать: познакомить учащихся младших классов с основными...
52693. Здоровьесберегающие технологии в начальной школе 68.5 KB
  А так как дети находятся в школе до вечера важное значение имеет воспитание у детей потребности в здоровье как жизненно важной ценности сознательного стремления к ведению здорового образа жизни. Здоровье одна из сущностных характеристик человека наряду с духовностью интеллектуальностью определяющая степень жизнеспособности устойчивости организма в соответствие среде обитания возможности реализовать свои биологические и социальные требования. На первый план выступает не только задача физического развития детей сохранения и укрепления...
52694. Суть та структура проектно-технологтчної діяльності учнів 78.5 KB
  Суть та структура проектно-технологтчної діяльності учнів В останні десятирічча в центрі уваги психолого-педагогічної науки знаходиться вивчення особливостей і можливостей людини умов цілеспрямованої дії на розвиток її творчого потенціалу створення повноцінного навчаючого і розвиваючого середовища. Вона допомагая сформувати в учнів життєво важливі основи технологічних знань і вмінь залучити їх до різних видів практичної діяльності з...
52695. Новое время: встреча Америки и Европы. 4-й класс 44 KB
  – Зачем люди отправлялись в путешествия ответы детей– Что вы знаете об открытии Америки ответы детей слайд 1 см. На пути Колумба оказалась земля которую он принял за Индию слайд 2. Фернан Магеллан был португальцем слайд 3. Даниэль Дефо 1660–1731 написал знаменитый приключенческий роман “Жизнь и удивительные приключения Робинзона Крузо†восславивший труд и волю к жизни слайд 4.
52696. Венерические болезни и меры профилактики 31.5 KB
  Проблемное обучение Тема: Венерические болезни и меры профилактики. Цель: сформировать понятия венерические болезни гонорея сифилис генитальный герпес знание мер профилактики симптомов возбудителей болезни. Планируемый результат: знать понятия венерические болезни гонорея сифилис генитальный герпес знание мер профилактики симптомов возбудителей болезни. На всем Земном шаре люди сталкиваются независимо от их желания с такой проблемой как венерические болезни а столкнувшись с ней не очень компетентны в данной области.
52697. Сценарій свята, присвяченого останньому дзвонику «Хай доля ваша буде дзвінка та крилата»! 111 KB
  Хай відкривають двері у майбутнє. На все життя запам’ятайте мить чудову Ми радо запрошуємо на свято 53 випуск Манвелівської середньої загальноосвітньої школи щоб їх благословити на доросле життя В Під рушниками – оберегами Хай перший ваш проляже шлях Хай біжить він не по тернах по квітучих вже полях випускники зупиняються В. Побажаємо щастя хай доля стелиться їм світлим полотном танцюристи передають рушники батькам які роблять почесний коридор.
52699. Повторение изученного материала. (Сложение и вычитание многозначных чисел) 51 KB
  Проверка выполнения домашнего задания. В течение урока мы будем помогать строителям дома выполняя разные математические задания тем самым будем закреплять изученный материал. а Подготовка площадки для строительства нового дома: 1.10кг б как вы думаете с чего начинается строительство дома ответы детей с планапроекта грамотное составление плана проекта способствует правильному строительству дома поэтому внимание: расшифруйте фразу из ответов решив эти примеры по 2 командам.