13442

ДОСЛІДЖЕННЯ ВИМІРЮВАЛЬНИХ МОСТІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Лабораторная работа

Физика

Лабораторна робота № 6 ДОСЛІДЖЕННЯ ВИМІРЮВАЛЬНИХ МОСТІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Мета роботи: вивчити основи теорії схеми та будову врівноважених мостів постійного струму дослідити властивості врівноважених мостів здобути навички вимірювань за допомогою мостів. При пі...

Украинкский

2013-05-11

131.5 KB

56 чел.

Лабораторна робота № 6

ДОСЛІДЖЕННЯ ВИМІРЮВАЛЬНИХ МОСТІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Мета роботи: вивчити основи теорії, схеми та будову врівноважених мостів постійного струму, дослідити властивості врівноважених мостів, здобути навички вимірювань за допомогою мостів.

При підготовці до виконання роботи необхідно:

І. Опрацювати опис даної роботи та відповідні розділи рекомендованої літератури [4][5]

ІІ. Уміти відповідати на наступні запитання:

  1.  Що таке одинарний врівноважений вимірювальний міст постійного струму? Для чого його застосовують? Які переваги та недоліки він має?
  2.  Як урівноважують одинарний міст? Наведіть умову рівноваги моста.
  3.  Які умови повинні виконуватись, щоб досягти високої точності моста?
  4.  Від чого залежить чутливість моста і як її при необхідності підвищити?
  5.  Яка повна схема включення гальванометра і як у ній протікають стуми, в залежності від того, яка кнопка натиснута?
  6.  Чому при вимірюванні одинарним мостом малих опорів виникають великі похибки?
  7.  Що таке подвійний міст? Для чого його застосовують і як його врівноважують? Накресліть його схему і дайте необхідні пояснення.
  8.  Чому при вимірюванні подвійним мостом на точність вимірювань малих опорів не впливають опори з’єднувальних проводів і перехідні опори затискачів?
  9.  Як забезпечується рівність нулю другого доданка в умові рівноваги подвійного моста?
  10.  Яка умова рівноваги подвійного моста? Наведіть її і дайте необхідні пояснення.

Короткі теоретичні відомості.

Врівноважені мости постійного струму використовують для точних вимірювань електричних опорів постійному струмові.

Рис. 6.1 Спрощена схема чотирьохплечого вимірювального моста

На рис.6.1 зображена спрощена принципова схема одинарного (чотирьохплечого) врівноваженого моста. Він має чотири вершини, позначені літерами a, b, c, d і чотири плеча, що знаходяться між вершинами. Вимірюваний опір Rx, включений в одне із плечей моста, порівнюється з опорами мір - резисторів R1, R2 і R3, включених у три інших плеча, тобто плече Rx - об'єкт вимірювань, а інші плечі - об'єкти порівняння.

До точок a і b приєднано джерело живлення, а до точок c і d - нуль-індикатор HI.

В основу дії врівноваженого моста покладений нульовий метод вимірювання. Різницю ефектів, що створюються вимірюваним опором і опорами вимірювальних резисторів, зводять до нуля в процесі врівноважування моста.

Міст урівноважують, регулюючи опори його плечей R1, R2 і R3 і добираючи їх таким чином, щоб потенціали точок c і d зрівнялись. Коли міст досяг стану рівноваги, напруга в діагоналі нуль-індикатора Ucd = 0, і струм через нуль-індикатор Iг = 0.  Головна ознака врівноважених мостів-відсутність струму в діагоналі нуль-індикатора в момент вимірювання опору об'єкта.

Як HI у врівноважених мостах постійного струму використовують магнітоелектричні гальванометри. Вони мають надзвичайно високу чутливість що сягає 107 - 108 поділок/ампер.

Значення вимірюваного опору обчислюють із умови рівноваги моста. Умова рівноваги пов'язує опори плечей моста і виконується тільки при рівновазі моста, коли Iг = 0.

Умова рівноваги моста:

R1R2 = R3R4,    або    Rx = R4 = R1 (R2/R3)

Міст урівноважують, найчастіше, регулюючи опір плеча R1 при постійному відношенні опорів R2/R3. Урівноважені мости - дуже точні засоби вимірювальної техніки. Основна відносна похибка вимірювань найкращих лабораторних вимірювальних мостів не перевищує кількох тисячних і навіть десятитисячних часток відсотка, а класи точності широко розповсюджених мостів, які нормуються межею допустимої основної відносної похибки, лежать у межах = 0,05...0,5% при діапазоні вимірювань від 100 Ом до 1 МОм. На краях діапазону вимірювань похибки більші ніж посередині діапазону. Існують також спеціальні мости з верхньою межею вимірювань до 1010 Ом, які мають більші похибки. Врівноважені мости досить складні, мають великі розміри, потребують виконання операцій урівноважування моста і деяких розрахунків, що під силу лише кваліфікованому персоналові.

На повітряних суднах, у промисловості, науці та медицині застосовують аналогові і цифрові мости з автоматичним урівноважуванням і відліком показів за шкалою, чи за цифровим відліковим пристроєм, або зчитуючи покази з паперової стрічки. У таких мостів основна зведена похибка має порядок (0,1-1)%.

Для підвищення точності врівноважених мостів необхідно щоб опори резисторів плечей були дуже точно підігнані до номінальних значень, а гальванометр мав максимальну чутливість. При недостатній чутливості гальванометра Sг він може показувати відсутність струму, хоча міст ще не повністю врівноважений, через гальванометр тече струм, і умова рівноваги ще не досягнута.

Необхідно також, згідно з інструкцією до моста, правильно вибрати межу вимірювань, установлюючи рекомендоване відношення R2/R3. Правильний вибір межі вимірювань (у залежності від значення вимірюваного опору) забезпечує підвищення чутливості схеми моста Sc і, завдяки цьому, точності вимірювань.

Загальна чутливість моста Sм дорівнює добутку чутливості гальванометра на чутливість схеми моста.

,

де ∆ і ∆I - відповідно, відхилення від нуля стрілки гальванометра та відхилення від нуля струму   через   гальванометр, спричинені зміною опору Rx на величину  ∆  Rx після врівноважування моста.

Чутливість моста зростає при підвищенні напруги живлення, але її вибирають невеликою (2-4 В), щоб у схемі протікали малі струми і не нагрівали її елементів.

На рис.6.1 показана спрощена схема одинарного врівноваженого моста. Необхідні опори плечей відношення R2 і R3 встановлюють за допомогою перемикачів, а резистор порівняння R1 виконують як чотирьох -, п'яти - або шестидекадний магазин резисторів.

Рис.6.2 Схема включення гальванометра у вимірювальну діагональ моста

Повна схема ланцюга гальванометра показана на рис.6.2. Щоб запобігти ушкодженню гальванометра великими струмами, коли міст ще не врівноважений, гальванометр слід вмикати натискуванням кнопки “ГРУБО”. Тоді послідовно з ним вмикається резистор опору 50 кОм. Після часткового врівноважування моста, коли стрілка гальванометра  підійде  близько до нуля, натиском кнопки “ТОЧНО” гальванометр включають безпосередньо в схему моста. Підбирати гальванометр до моста слід таким чином,  щоб забезпечити режим його роботи близький до критичного. Цього можна досягнути при умові, що вихідний опір моста між точками c і d буде приблизно дорівнювати вказаному в паспорті або на шкалі гальванометра значенню зовнішнього критичного опору.

Магнітоіндукційне заспокоєння гальванометра здійснюється при натисканні кнопки ЗАСПОКОЄННЯ, коли цей опір стає нульовим.

Одинарні мости НЕ ВИКОРИСТОВУЮТЬ для вимірювання опорів менших за 100 Ом, бо при цьому виникають дуже великі похибки.

Це пояснюється тим, що послідовно з вимірюваним опором Rx включені також опори зовнішніх з'єднувальних проводів (Пр), за допомогою яких він підключений до моста, а також перехідні опори затискачів моста (ЗМ) і затискачів вимірюваного опору (ЗО) (див. рис.6.1). Всі ці опори складаються, і міст вимірює суму опорів замість Rx. Тому, при вимірюванні опорів порядку 1 Ом і менших, виникають похибки, що досягають кількох відсотків і навіть десятків відсотків.

Для вимірювань опорів менших за 100 Ом застосовують подвійні (шестиплечі) мости, які дозволяють уникнути похибки, викликаної впливом опорів з'єднувальних проводів і затискачів. Схема подвійного моста показана на рис.6.3.

Міра опору R0 та вимірюваний опір Rx повинні мати струмові та потенціальні затискачі. Як видно зі схеми моста, опори зовнішніх з'єднувальних проводів і контактні опори струмових затискачів (С) входять лише в ланцюг джерела живлення і не входять у вимірювальну схему (резистори R1,R2, R3, R4 та НІ).

Плечі моста R1, R2, R3 і R4 мають опори не менші за 10 Ом. Тому опори зовнішніх з'єднувальних проводів (Пр), контактні опори потенціальних затискачів (П) і затискачів моста (ЗМ) не впливають на результати вимірювань,  бо сума цих опорів значно  менша (принаймні у 100 разів) за опір кожного з плечей моста, з яким вони включені послідовно.

Рис. 6.3 Спрощена схема подвійного вимірювального моста

Опори R0 і Rx, малі, і для того, щоб напруги на них значно перевищували напруги на вказаних проводах і затискачах, необхідно через R0 і Rx пропускати досить великий струм. Тому в ланцюг живлення включені реостат R і амперметр A для встановлення максимального струму, допустимого для R0 і Rx.

Струмові затискачі  вимірюваного опору Rx та міри опору R0 з'єднані між собою товстим мідним провідником, який має дуже малий опір. Сума опорів цього провідника і опорів струмових затискачів вимірюваного опору та міри опору не перевищує сотих часток ому. На схемі подвійного моста ця сума опорів зображена у вигляді одного резистора  r.

Умова рівноваги подвійного моста:

Резистори R1 і R4 виконані як магазини резисторів, декади яких з'єднані таким чином, що при зміні R1 одночасно на стільки ж змінюється і R4. Тому завжди виконується рівність R1 = R4.

За допомогою штепсельних перемикачів завжди встановлюють також R2=R3. Таким чином виконується умова R1/R2 = R4/R3 і множник у дужках наведеної формули дорівнює нулю.

При деяких відхиленнях опорів резисторів R1, R2, R3 і R4 від розрахункових значень, вираз у дужках може дещо відрізнятися від нуля. Але другий доданок в умові рівноваги все рівно практично дорівнює нулю, бо дуже малий опір r перемножується на дуже малий вираз у дужках. Тому умова рівноваги спрощується і має вигляд

                                               Опис лабораторної установки

Дослідження властивостей урівноважених мостів постійного струму виконують на установці, в яку входять одинарно-подвійний міст, гальванометр, магазин резисторів, міри опору класу точності 0,01, які мають номінальні значення 10, 100, 1000, 10000 Ом, а також 0,1 Ом, резистор із невідомим вимірюваним опором Rx, реостат, амперметр, джерело живлення моста і зовнішні з'єднувальні провідники.

Одинарно-подвійний міст може діяти у двох режимах: одинарного або подвійного моста. Обрання режиму здійснюють переключенням двох перемичок.

Плече порівняння R1 одинарного моста має п'ять декад 10х100, 10х10, 10х1, 10х0,1, 10х0,01 Ом. Кожне з плечей відношення, тобто R2 і R3, складається з чотирьох резисторів: 10, 100, 1000 і 10000 Ом. Включення потрібного (одного із чотирьох) резистора плеча виконують за допомогою штепсельних перемикачів.

У подвійному мості кожне з плечей порівняння R1 і R4 виконане як п'ятидекадний магазин, подібно до одинарного моста. Плечі відношення R2 і R3 мають ті ж значення, що і у одинарного моста і значення їх опорів встановлюють також за допомогою штепсельних перемикачів. Подвійний міст має внутрішні міри опору 0,001 та 1 Ом.

Порядок виконання роботи

1. Вивчіть схеми, принципи дії та будову врівноважених одинарних і подвійних мостів.

 

Рис. 6.4 Схема зовнішньої комутації лабораторної установки в режимі одинарного моста

2. Увімкніть одинарно-подвійний міст за схемою одинарного моста (рис.6.4). Зверніть увагу, що затискачі N з'єднані між собою перемичкою.

3.Зробіть повірку чи калібрування одинарного моста та обчисліть його основні похибки. Для цього приєднайте по черзі до мосту і виміряйте опори трьох мір опору: 10, 100, 1000 або 10000 Ом. (за вказівкою викладача). Міри опору відіграють роль робочих еталонів і підключаються до моста на місце резистора невідомого опору Rx.

Перед початком вимірювань, для забезпечення найбільшої чутливості моста , установіть оптимальне співвідношення опорів плечей R2 і R3 за рекомендаціями табл.6.1.

Урівноваження моста починайте включенням гальванометра в схему моста кнопкою ГРУБО. Тоді гальванометр не вийде з ладу внаслідок протікання великого струму, коли міст ще не врівноважений.

Зафіксуйте кнопку ГРУБО, повертаючи її за годинниковою стрілкою. Повертайте ручки декад плеча врівноважування R1, починаючи зі старших декад (х100, х10), і добийтесь мінімальних показів гальванометра. Тільки після цього відпустіть кнопку ГРУБО, натисніть кнопку ТОЧНО і остаточно врівноважте міст, регулюючи опори молодших декад (х1; х0,1; х0,01). При рівновазі моста гальванометр покаже нуль. Рекомендується кнопку ТОЧНО не фіксувати і при зашкалюванні гальванометра миттю її відпускати.

Таблиця 6.1.

Одинарний міст

Подвійний міст

Rx,Ом

R2,Ом

R3,Ом

, %

50-102

100

1000

0,05

102-103

100

100

0,05

103-104

1000

100

0,05

104-105

10000

100

0,05

0,01-0,1

10000

10000

0,05

0,1-1

100

100

0,05

1-10

100

100

0,05

10-102

10

10

0,05

% - межа допустимої основної відносної похибки моста, за якою визначається його клас точності.

Після врівноважування моста запишіть номінальне значення міри опору Rо і значення опорів R1, R2 і R3 у табл.6.2. Обчисліть результат вимірювання опору міри за формулою:

Rвим = R4 = R1 R2 / R3     і занесіть його в табл.6.2.

4. Обчисліть відносні похибки для всіх результатів вимірювань і занесіть їх значення в табл.6.2. Порівняйте ці похибки з допустимими значеннями відносних похибок (див. табл.6.1) і запишіть висновок у табл.6.2.

Таблиця 6.2.

Rо,

Ом

R1,

Ом

R2,

Ом

R3,

Ом

Rвим,

Ом

, %

Висновок про відповідність нормі

100

1000

10000

0.1

5. Виміряйте одинарним мостом опір міри опору з номінальним значенням 0,1 Ом, що відіграє роль вимірюваного опору Rx, при опорах плечей моста R2 = 10 Ом і R3 = 10000 Ом. Результат вимірювання та значення відносної похибки занесіть у табл.6.4. Зверніть увагу, що результат суттєво перевищує номінальне значення опору міри.

6. Проведіть експериментальне дослідження впливу опорів зовнішніх з'єднувальних проводів на результати вимірювань малих опорів одинарним урівноваженим мостом: відключіть від моста міру опору Rо = 0,1 Ом, з'єднайте кінці проводів, затискуючи їх під одним із затискачів міри, та виміряйте опір з'єднувальних проводів. Обчисліть дійсне значення опору міри: R'о = Rвим - Rпр.

7. Виміряйте невідомий опір резистора Rx. Для цього встановіть опори плечей відношення R2 = R3 = 100 Ом, приєднайте до затискачів Xо моста резистор Rx, урівноважте міст, таким чином, визначте приблизно значення опору резистора Rx. Знаючи приблизно цей опір, оберіть за табл.6.1. оптимальне співвідношення опорів плечей R2 і R3, знову врівноважте міст і обчисліть точне значення опору Rx. Якщо спочатку міст не врівноважується, треба збільшити R2 і зменшити R3.

8. Проведіть дослідження залежності чутливості одинарного врівноваженого моста від співвідношення опорів плечей моста. Підключіть до затискачів Xо магазин опорів і встановіть опір магазина в межах 200...1000 Ом за вказівкою викладача. Установіть опори плечей моста R2 = R3 = 10 Ом і повністю врівноважте міст. Виміряйте опір магазину Rx і запишіть його в табл.6.3. Змініть опір магазину на величину  Rx, при якій стрілка гальванометра відхилиться від нуля на ∆ = 8...10 поділок. Дані занесіть у табл.6.3. Повторіть досліди для R2 = R3 = 100 Ом і R2 = R3 = 1000 Ом. Обчисліть чутливість моста для всіх дослідів.

Таблиця 6.3.

Rx, Ом

R2, Ом

R3,Ом

Rx, Ом

, поділ.

Sм поділ., %

10

10

100

100

1000

1000

9. Увімкніть одинарно-подвійний міст за схемою подвійного моста (рис.6.5) і підключіть до нього міру опору номіналом 0,1 Ом, яка відіграє роль робочого еталону та приєднується до затискачів вимірюваного опору Rx.

Зверніть увагу, що затискачі N повинні бути з'єднані двома перемичками з потенціальними затискачами вмонтованої в міст міри опору N. Установіть опір вмонтованої міри Rо = 1 Ом і опори плечей відношення R2 = R3 = =1000Ом. Установіть реостатом R струм I = 0,5 A, урівноважте міст, і обчисліть результат вимірювань за формулою

Rвим = Rо R1/R2

Рис. 6.5 Схема зовнішньої комутації лабораторної установки в режимі подвійного моста

Обчисліть також відносну похибку вимірювань. Результати вимірювань і обчислень занесіть у табл.6.4.

Таблиця 6.4

Режим моста

Rx, Oм

R1, Oм

R2, Oм

R3,Oм

R, Oм

Ro, Oм

,%

Уітстона одинарний

0.1

10

10000

___

Кельвіна подвійний

0.1

1000

1000

1

10. Порівняйте результати вимірювань малого опору одинарним і подвійним мостами. Письмово у протоколі поясніть причини надмірно великих похибок при вимірюваннях одинарним мостом малих опорів і чому похибки малі при використанні для цього подвійного моста.

PAGE  1


Г

Б

Д

Х0

Г

N

-

R2

R3

III

IV

I

II

V

+

+

-

+

-

Rx

Г

Б

XД

Х0

Г

N

-

R2

R3

III

IV

I

II

V

+

+

-

+

-

Rx

A

R


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20230. Співвідношення Онзагера 35.5 KB
  Співвідношення Онзагера. Теорія Онзагера – одна з основних теорем термодинаміки незворотних процесів встановлена в 1931р. Згідно з теоремою Онзагера якщо немає магнітного поля і обертання системи як цілого то =2. Якщо ж на систему діє зовнішнє магнітне поле Н і система обертається зі швидкістю ω то 3 Це пов’язано з тим що сила Лоренца і Коріоліса не змінюються при зміні напрямку швидкості частинок лише в тому випадку якщо одночасно змінюється на протилежне напрямок магнітного поля або відповідно швидкості обертання ця властивість...
20231. Рівняння стану щільних газів і рідин(теорія ББГКІ) 97 KB
  станів системи Характеризує густину ймовірності такого стану сми коли одна частинка буде в стані з координатою друга UNенергія взаємодії N частинок. станів системи розглядають набір із N кореляційних функційрізного порядку: унарна кореляційна функція яка характеризує густину ймовірності що одна частинка системи матиме узагальнені координати при довільному розташуванні N1 частинок; бінарна кореляційна функція характеризує густину ймовірності одночасного попадання двох частинок системи в точки координаційного простору і при...
20232. Молекулярне розсіяння світла на флуктуаціях густини 77.5 KB
  Молекулярне розсіяння світла на флуктуаціях густини. Розсіяння світла – це зміна якоїсь характеристики потоку оптичного випромінювання світла при його взаємодії з речовиною. Розсіяння буває двох типів: молекулярне довжина розсіяного світла = довжині падаючого світла. Якщо енергія випромінювання фотона = енергії поглинутого то розсіяння св називається Релеївським або пружнім.
20233. Рівняння стану Боголюбова М.М. 52 KB
  Рівняння стану – функціональний зв’язок між параметрами що характеризують термодинамічний стан системи. Будьякі властивості речовини знаходимо з рівняння стану. Рівняння стану потрібно для розрахунку рівноважних властивостей речовин.Переходимо до недеформованої системи : рівняння Боголюбова М.
20234. Розсіяння світла в рідинах. Формула Ейнштейна – Смолуховського 90 KB
  Розсіяння світла в рідинах. Розсіяння світла – це зміна якоїсь характеристики потоку оптичного випромінювання світла при його взаємодії з речовиною. Цими характеристиками можуть бути просторовий розподіл інтенсивності частотний спектр поляризація світла. Теорію пружного розсіяння світла розробив Ейнштейн базуючись на ідеях Смолуховського.
20235. Теплопровідність газів 36.5 KB
  При теплопровідності перенос енергії відбувається в результаті безпосередньої передачі енергії від часинок що володіють більшою енергією до частинок з меншою енергією. Теплопровідність газів описується рням Фур’є: æ=–коефіцієнт теплопровідності [æ]=Вт мК [q]=дж с=Вт де λ – середня довжина вільного пробігу молекули газа дорівнює шляху що пройшла молекула за час поділеному на кількість співударів за цей час де середня швидкість теплового руху молекули густина газу – кількість теплоти що переноситься за одиницю часу...
20236. Основи методу молекулярної динаміки 104.5 KB
  Вивчається положення та швидкість різних частинок комірки. Одночасна зміна положення частинок в усіх комірках. ABCDположення частинок в різні моменти часу. Задача: зв’язати ці положення: Ейлер запропонував замінити на кут який утворює дотична KA до траєкторії руху тої частинки в т.
20237. Ефект Джоуля-Томсона 88.5 KB
  Ефект ДжоуляТомсона Ефект ДжоуляТомсона – це зміна температури газу в результаті адіабатичного дроселювання€ – постійне протікання газу під дією постійного перепаду тиску газів крізь пористу перегородку яка розміщена на шляху потоку. В дослідах Джоуля і Томсона вимірювалась температура в двох послідовних перерізах неперервного і стаціонарного потоках газу до дроселя та за ним. Дійсно при взаємному притяганні молекул внутрішня енергія газу включає як кінетичну енергію молекул так і потенціальну енергію їх взаємодії. Робота...
20238. Поширення пружних хвиль у рідинах. Залежність швидкості поширення та коефіцієнта поглинання від термодинамічних параметрів 115.5 KB
  Щоб описати розповсюдження хвилі в середовищі необхідно записати хвильове рівняння. Для цього: 1 Записати рівняння руху частинки середовища – макроскопічно малого об’єму середовища лінійні розміри об’ємчику набагато менші довжини хвилі звука; 2 Записати реологічне рівняння для середовища. 3 Підставити реологічне рівняння в рівняння руху → хвильове рівняння для данного середовища. Реологічне рівняння – це рівняння яке пов’язує тензор напруг з тензором деформацій і тензором швидкості деформацій.