13445

КОМПЕНСАТОР (ПОТЕНЦІОМЕТР) ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 9 КОМПЕНСАТОР ПОТЕНЦІОМЕТР ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Мета роботи: 1. Ознайомитись із принципом дії будовою та технічними особливостями компенсатора потенціометра постійного струму КПС. 2. Навчитись за допомогою КПС вимірювати електрорушійну силу ...

Украинкский

2013-05-11

702 KB

26 чел.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 9

КОМПЕНСАТОР (ПОТЕНЦІОМЕТР) ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Мета роботи:

1. Ознайомитись із принципом дії, будовою та технічними особливостями компенсатора (потенціометра) постійного струму (КПС).

2. Навчитись за допомогою КПС вимірювати електрорушійну силу (ЕРС), напругу, струм, опір та виконувати повірку чи калібрування стрілкових приладів високих класів точності.

При підготовці до виконання роботи необхідно:

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

2. Уміти відповідати на наступні запитання:

1) Який метод вимірювання використовують у КПС? Поясніть суть цього методу та вкажіть переваги.

2) Що таке нормальний елемент? Які його параметри та правила користування?

3) Чому КПС має дві назви? Поясніть принцип компенсації.

4) Яку точність мають КПС та від чого вона залежить?

  5) Як встановлюють робочий струм у КПС?

6) Як впливає корекція на залежність ЕРС нормального елементу від температури?

7) Як вимірювати ЕРС або напругу за допомогою КПС?

8) Як вимірювати струм за допомогою КПС?

9) Як вимірювати опір за допомогою КПС?

10) Як повірити чи калібрувати вольтметри та амперметри високих класів точності за допомогою КПС?

Короткі теоретичні відомості

       1. Найточніші вимірювання, пов'язані з ЕРС та напругою постійного струму, в тому числі еталонні роботи, виконують саме за допомогою КПС. Висока точність КПС, що на порядок вища, ніж у найточніших стрілкових приладів, визначається, перш за все, тим, що в ньому застосовано метод порівняння з мірою, а в стрілкових приладах - метод безпосередньої оцінки. Так, можна порівняти терези з коромислом, де вимірювана маса порівнюється з мірами маси – гирями  та циферблатні ваги – зі  шкалою.  Перші дуже точні, тому що  під час зважування в них використовуються міри маси – гирі  та найточніший з усіх відомих, нульовий метод вимірювання. У циферблатних  же  вагах  міри маси – гирі ,  застосовувались лише при їх градуюванні. А до моменту зважування ефект дії мір зберігається в їх "пам'яті", що складається з пружини та проградуйованої

в одиницях маси шкали. Нестабільність цієї "пам'яті" та ряд інших причин суттєво знижують точність.

2. Мірою ЕРС, що є першоджерелом високої точності КПС, є спеціальний нормальний елемент (НЕ). ЕРС кожного екземпляру НЕ відома до п'ятого знаку. Її розмір при температурі 20°С вказано в паспорті НЕ (звичайно від 1,0185 V до 1,0195 V). Стабільність цієї  ЕРС на протязі всього строку служби НЕ дуже висока. Вона визначається класом точності НЕ. Так, для НЕ найвищого класу точності 0,001 допускається зміна ЕРС за рік не більш як на 0,001% (близько 10 мкВ).

На жаль, ЕРС НЕ залежить від температури. Але для кожного екземпляру НЕ можна визначити ЕРС при даній температурі, знаючи з його паспорта ЕРС при 20°С, за наведеною формулою або таблицею. Це значення вводять для корекції КПС при точних вимірюваннях. Внутрішній опір НЕ лежить у межах (500...1500) Ω. Розрядний струм при цьому не повинен перевищувати 1μА. Лише для елементів найнижчого класу 0,02 (ненасичених) допускають розрядний струм до 10 μА. При експлуатації та зберіганні НЕ треба оберігати його від поштовхів і струсів, а також нижчих за 10 0С та вищих за 35 0С температур.

У найсучасніших КПС використовують ще точнішу міру – елемент  Джозефсона (див. [4]). Його напруга відома з похибкою, що не перевищує 0,000005%.

3. У назві лабораторної роботи вказано два найменування засобу вимірювання – компенсатор  та потенціометр. Термін "компенсатор" застосовується в наукових працях та лабораторній практиці. Походить він від того, що в ньому засобові вимірювання застосовується принцип компенсації невідомої вимірюваної величини відомою. Термін "потенціометр" звичайно застосовують у промисловості та торгівлі при продажу цього засобу вимірювання тому, що він безпосередньо вимірює різницю потенціалів.

      Розглянемо, у чому полягає принцип компенсації. Нехай треба виміряти невідому ЕРС Ex (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Схема вимірювання ЕРС із застосуванням принципу компенсації.

     

Назустріч їй ("плюс" до "плюса", "мінус" до "мінуса") через нуль-індикатор HI (гальванометр із нулем посередині шкали) включимо регульовану міру ЕРС або напруги (на рис.9.1 - калібратор) - РМ. За допомогою цієї РМ можна задавати регулятором та визначати за його шкалою будь-які значення ЕРС або напруги. Вони й є тією компенсуючою Uкi, що порівнюється з вимірюваною Ex. Якщо Ex < Uкi, струм I протікає через нуль-індикатор так, як показано на рис.9.1, і стрілка HI відхиляється ліворуч. Якщо Ex > Eкi, стрілка HI відхиляється праворуч. Регулюючи значення компенсуючої напруги Uкi за допомогою РМ домогаємось рівності Ex = Uкi. При цьому I = 0, стрілка HI знаходиться на нульовій позначці шкали. Значення вимірюваної Ex прочитаємо на шкалі РМ. Це і є найпростіший КПС, який створює точно відому компенсуючу ЕРС чи напругу та порівнює її із вимірюваною ЕРС чи напругою. Запам'ятайте, що функціонально компенсатор є вольтметром!

     Цінною особливістю КПС є дуже високий вхідний опір Rвх → ∞. Дійсно, в момент компенсації струм I = 0, тобто КПС практично не споживає енергії від об'єкта вимірювання. Точність КПС залежить, перш за все, від точності, з якою відома Uкi. Вона залежить також від чутливості (а не від точності) нуль-індикатора. Класи точності сучасних КПС з нормальними елементами на порядок вищі, ніж у високоточних вольтметрів і сягають значень 0,01; 0,02; 0,05. На практиці для створення регульованої компенсуючої напруги Uкi використовуюють багатодекадні магазини високоточних резисторів Rк, що живляться точно заданим, так званим робочим струмом Ip (рис. 9.2).

   Проградуйовані вони прямо в значенняx компенсуючої напруги (для певногоробочого струму).

Рис. 9.2. Спрощена схема КПС.

      

Процес вимірювання невідомої напруги або ЕРС за допомогою КПС складається з двох  етапів:

1) встановлення робочого струму Ip;

   2) компенсація невідомої ЕРС або напруги Ux відомою Uкi. Робочий струм  Іp створюється  джерелом струму Ep достатньої ємності та протікає у контурі I  (рис.9.2). Від точності його встановлення прямо залежить точність КПС. Якщо Ip регулювати реостатом Rp за показами міліамперметра, то принципово неможливо подолати обмеження, що накладаються його класом точності (практично це 0,1). Тому у КПС відмовились від міліамперметра (на рис.9.2 він перекреслений). А для точнішого встановлення ip застосовано принцип компенсації падіння напруги від цього струму на високоточних резисторах Rн + Rнt  електрорушійною силою нормального елемента:         Ip(Rн + Rнt) = Uн = Eне,

звідки                                      Ip = Eне / (Rн + Rнt).

Для цього в схемі КПС додано контур II нормального елемента. Якщо перемикач П поставити в положення 1, то електрорушійна сила Eне за допомогою НІ порівнюється з падінням напруги від робочого струму Uн. Завдяки цьому забезпечується значно вища, ніж за показами міліамперметра точність встановлення Ip. Тепер вона визначається високою точністю, з якою відома Eне (див.п.2), точністю підгонки , Rн + Rнt теж дуже високою, та чутливістю НІ.

Для того, щоб врахувати залежність ЕРС нормального елемента від температури, в схему КПС, окрім постійного резистора Rн , введено проградуйовану декаду температурної корекції Rне. Наприклад, для даного КПС необхідно: Ip = 0,1mА. Знаючи температуру, при якій  проводиться вимірювання, та паспортну ЕРС даного НЕ при 200С за формулою, або таблицею знаходимо його ЕРС при даній температурі, наприклад:   

Eне  = 1,0189 V.

Звичайно, Rн = 10180 Ω.

Тоді виведеним на передню панель КПС перемикачем встановлюємо коректуючий додаток Rнt = 9 Ω. Тоді маємо:

ip = 1,0189V/ (10180+9) = 0,1A

При будь-яких температурах цей додаток  Rнt  треба встановлювати відповідно  до зміни ЕРС   нормального елемента так,  щоб  завжди    було   

Ip = 0,1 mА. Таким чином,  увівши корекцію на температуру, реостатом Rp  при положенні 1 перемикача П домоглись нульових показів НІ, встановивши цим самим потрібний робочий струм.

   Переходячи до другого етапу роботи КПС, ставимо перемикач П в положення 2. При цьому в контурі ІІІ вимірювана напруга Ux через НІ підключається для порівняння зустрічно компенсуючій напрузі Uкi. Змінюючи Uкі  домогаємось, як і раніше, нульових показів НІ, тоді:

                                                    Ux = Uкі.

Компенсуюча напруга Uкі знімається з багатодекадного магазину високоточних резисторів, що живиться робочим струмом Ip. Для цього струму перемикачі Uкі  проградуйовані ПРЯМО в значеннях вимірюваної напруги.

   Точність вимірювання і тут дуже висока. Визначається вона точністю встановлення Ip, точністю підгонки опорів багатодекадного магазину резисторів (а це не дуже складна задача для сучасної техніки) та чутливістю НІ, яка теж без особливих складностей може бути доведена до потрібного рівня. Таким чином, остаточно:                           

                                       Ux=Uкі=Ip*Rкі=Eне*Rкі / (Rн+Rнt)

4. Компенсатори постійного струму за способом урівноважування поділяють на три групи: неавтоматичні, напівавтоматичні та автоматичні. Неавтоматичні потенціометри врівноважують вручну. Як НІ використовують магнітоелектричний гальванометр. Результат вимірювання визначають за положеннями перемикачів декад. Основна похибка таких потенціометрів - 0,01% та вища.

       У напівавтоматичних потенціометрах основна частка вимірюваної напруги або ЕРС компенсується вручну, а невелика різниця Ux – Uкi вимірюється вмонтованим у потенціометр автокомпенсатором напруги. Це мікровольтметр із напівпровідниковим або фотогальванометричним підсилювачем, що може працювати як у нульовому, так і у диференційному режимі. Межа його вимірювання складає десяту частку ціни поділки останньої декади (щоб було просто підсумувати його покази з положеннями перемикачів декад). Зараз усі потенціометри класів 0,05 та вище саме такі (див. [4]).

Автоматичні потенціометри характерні повною автоматизацією процесу врівноважування. Результат вимірювання в них визначають за показами стрілки на шкалі приладу. Вони зручні в користуванні, але мають похибку, не меншу за 0,2%.

За опором робочого ланцюга КПС поділяють на два типа: потенціометри великого опору та малого опору.

У перших опір робочого ланцюга сягає 10kΩ на 1V напруги живлення. Межа вимірювання (1,2...2,5)V, робочий струм 1μА...0,1mА. Потенціометри малого опору мають опір робочого ланцюга значно    менший,   а саме, (20...100) Ω. Межа вимірювання не перевищує 1V, робочий струм може сягати (10...25)mА. Їх зручно використовувати, наприклад, для вимірювання ЕРС термопар та інших об'єктів із малим внутрішнім опором.

5. Застосування потенціометрів постійного струму (КПС). Тут, перш за все, треба виходити з того, що за своїми  можливостями КПС - це вольтметр високої точності з дуже високим вхідним опором. Тому застосовувати КПС можна для:

1) точних вимірювань ЕРС та напруг постійного струму (прямі вимірювання);

2) точних вимірювань фізичних величин, пов'язаних відомою залежністю від ЕРС або напруги, наприклад, сили струму або опору (непрямі, опосередковані вимірювання);

3) повірки, калібрування та градуювання приладів високих класів точності, використовуючи КПС як робочий еталон.

Процес вимірювання ЕРС або напруги було розглянуто раніше. Додати до цього слід лише те, що для розширення межі вимірювання КПС використовують подільник напруги (ПН), що входить у його комплект. Подільник напруги (рис.9.3) дозволяє збільшити межу вимірювання КПС у 10, 100 або 500 разів.

До негативних сторін застосовування ПН слід віднести деяке зниження точності вимірювання та вхідного опору.

Рис. 9.3. Схема подільника напруги з комплекту КПС. Rcuit

    Для непрямого вимірювання сили струму  Ix   ланцюг з невідомим струмом розривають і туди послідовно, як амперметр, включають резистор точно відомого опору (найкраще, міру опору), чим меншого, тим краще, з точки зору похибок від взаємодії засобу вимірювання з об'єктом. Потім вольтметром або потенціометром постійного струму на цьому резисторі вимірюють падіння напруги від невідомого струму Ix. Знаючи напругу та опір, за законом Ома обчислюють струм (рис. 9.4).

I=Ux / R0

Рис. 9.4. Схема вимірювання струму за допомогою компенсатора.

Для непрямого, опосередкованого, вимірювання опору послідовно з резистором невідомого опору Rx включають резистор відомого опору R0  (краще, міру опору) (рис.9.5).  Цей ланцюг підключають до джерела живлення E. Потім вольтметром, або потенціометром постійного струму вимірюють по черзі напругу на невідому резисторі Ux та відомому U0. Так як струм через послідовно включені резистори однаковий

                                  I = Ux / Rx = U0 / R0 ,        то   Rx = R0 ( Ux / U0).

  Рис. 9.5. Схема вимірювання опору за допомогою КПС.

       Повірка чи калібрування приладів високих класів точності. Найчастіше повірка чи калібрування виконується порівнянням показів приладу, що повіряється чи калібрується, з показами робочого еталону. Причому, його допустима абсолютна похибка повинна бути, в 3...5 разів меншою ніж у приладу, що повіряється чи калібрується [1].

     Якщо треба повіряти, калібрувати або градуювати прилади високих класів точності, то важко, або й неможливо знайти робочий еталон - стрілковий прилад, який відповідає цій вимозі.

Тому в цих випадках доводиться застосовувати як робочий еталон КПС.

Рис. 9.6. Схема повірки чи калібрування вольтметра.

     Наприклад, на рис.9.6 показана схема повірки чи калібрування вольтметра. За допомогою джерела живлення Ep та регулятора R0 на вольтметрі Vx який повіряють, встановлюють необхідні значення напруги. Подільник напруги ПН необхідний тоді, коли межа вимірювання вольтметра Vx вища, ніж у КПС. Для повірки чи калібрування амперметра можна застосувати схему рис.9.7.

Рис. 9.7. Схема повірки чи калібруваня амперметра.

      Послідовно з амперметром, який повіряють, чи калібрують включають високоточний резистор відомого опору-міру опору. За допомогою джерела живлення Ep та регулятора Rp встановлюють необхідні значення струму, який потім непрямим методом за падінням напруги на R0 точно вимірюють потенціометром постійного струму.

                          

Порядок виконання лабораторної роботи

1. Вивчити схему, будову та призначення органів управління лабораторного КПС. Вказати на принциповій схемі всі перемикачі та ручки управління лабораторного КПС.

2. Зібрати схему 1 (на планшеті на робочому столі).

3. За лабораторним термометром (це допоміжний засіб вимірювання за класифікацією засобів вимірювання)  визначити температуру в приміщенні. Підрахувати за формулою, або встановити за таблицею у кінці планшету ЕРС нормального елементу при цій температурі. Ввести відповідну корекцію у КПС.

4. Встановити необхідний робочий струм.

5. Виміряти встановлену викладачем напругу. Якщо вона вища за межу вимірювання лабораторного КПС, скористатись дільником напруги з комплекту КПС.

6. Повірити (калібрувати) вольтметр високого класу точності. Після опрацювання результатів написати обгрунтовані числовими даними висновки про відповідність повіреного приладу нормам (як у лабораторній роботі N2).

7. Виміряти за допомогою КПС вказаний викладачем струм.

8. Виміряти за допомогою КПС опір даного викладачем резистора.

9. Написати окремі висновки за кожним пунктом лабораторної роботи.

Звіт про роботу

Звіт про виконання лабораторної роботи повинен містити:

1. Коротку теорію та схеми.

2. Результати вимірювання заданої напруги.

3. Результати повірки та висновки про відповідність нормам вольтметра високого класу точності.

4. Результати вимірювання та обчислення струму.

5. Результати вимірювання та обчислення опору резистора.

6. Загальні висновки з роботи.

7. Контрольні запитання.

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34634. Современные теории мотивации 83.29 KB
  Модель Портера Лоулера Характеристики эффективного контроля Стратегическая направленность контроля должен отображать общие приоритеты организации и поддерживать их. Относительная сложность оценки какого либо вида деятельности в количественном виде или измерение её результативности по принципу затраты эффект никогда не должна служить критерием для решения нужно ли вводить механизм контроля. Соответственно информация о результатах контроля важна только тогда когда доходит до тех лиц которые обладают правом произвести на её...
34636. Маркетинг персоналу 105 KB
  Маркетинг персоналу потрібно розглядати у взаємозв’язку з іншими функціями управління персоналом, тому що його домінанти повністю інтегруються у процес управління персоналом, кожна зі стадій якого містить елементи, які складають зміст маркетингу персоналу.
34637. Составляющие успеха организации 30.46 KB
  Для этого организации периодически приходится менять свои цели разрабатывать новые виды продукции и услуг. Необходимость управления практическая реализация Внутренняя среда организации Под внутренней средой организации понимается совокупность присущих ей свойств переменных элементов факторов конкретной характеристики которых в сочетании придают ей определенное лицо. Внутренние переменные ситуационные факторы внутри организации которые в совокупности придают ей определенное лицо Цель конкретное конечное состояние или желаемый...
34639. Школа научного управления 1875 -1920 (Ф.Тейлор, Ф. и Л. Гилберт, Г. Гант) 26.04 KB
  Контактная аудитория общественная организация по защите прав потребителя Мотивация Мотивация процесс побуждения себя и других к деятельности для достижения личных целей или целей организации. Существует 2 типа создания мотивов: Внутренняя мотивация самовырабатываемые факторы которые заставляют людей вести себя определенным образом Внешняя мотивация то что делается с людьми или для людей чтобы создать у них побудительные мотивы.
34640. Школа административного (классического управления) 1920 – 1950 (Файоль, Урвик, Муни, Слоун) 17.13 KB
  Факторы на которые не может влиять организация: Экономический фактор состояние экономики влияет на стоимость всех ввозимых ресурсов и на способность потребителей покупать товары и услуги Политический совокупность госучреждений и структур которые оказывают влияние и ограничивают деятельность организации учитывается уровень коррупции возможность смены власти политическая стабильность доверие населения к власти проводимая политическая линия НТП Технология учет научнотехнических достижений прогноз развития науки и техники...
34641. Школа человеческих отношений (1930 – 1950) и поведенческих наук (1950 – наше время) 17.02 KB
  Школа поведенческих наук Макгрегор повышение эффективности организации за счет повышения эффективности её человеческих ресурсов. Решения выбора альтернативы Управленческое решение обдуманный вывод о необходимости осуществить какието действия связанные с достижением цели организации либо наоборот воздержаться от них. Эффективным организационным решением будет то которое будет на самом деле реализовано и внесет наибольший вклад в достижение целей организации.
34642. Типы организаций 21.39 KB
  Процесс принятия рационального решения Состоит из 7 основных этапов Диагностика или определение проблемы Существует 2 способа рассмотрения проблемы: Проблемой считается ситуация когда поставленные цели не достигнуты. Проблема как потенциальная возможность для этого необходима релевантная информация это данные касающиеся только конкретной проблемы человека цели в определенный период времени Все проблемы имеют: Определенное лицо Что Связанный с какимто конкретным местом Где Время возникновения и частота повторяемости...