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

80486. УКРАЇНСЬКА НАЦІОНАЛЬНА ДЕРЖАВНІСТЬ (листопад 1917 — квітень 1918 рр.) 49.43 KB
  Центральна Рада вважала що в такій ситуації можливий єдиний вихід щоб вона стала дійсною фактичною крайовою владою це утворення Української Народної Республіки. Особливе місце в структурі вищих органів УНР займала Центральна Рада. У III Універсалі міститься конструкція згідно з якою Центральна Рада поставлена українським народом разом з братніми народами України. берегти права здобуті боротьбою а в IV Універсалі сказано: Ми Українська Центральна Рада представниця робочого народу селян робітників і солдатів .
80487. СУСПІЛЬНО-ПОЛІТИЧНИЙ ЛАД І ПРАВО УКРАЇНИ В ПЕРІОД УТВЕРДЖЕННЯ КАПІТАЛІЗМУ (друга половина XIX – поч. ХХ ст.) 43.41 KB
  Сільські і волосні органи самоуправління були підпорядковані не тільки системі державних органів управління селянами мировим посередникам повітовим мировим з\'їздам і губернським по селянських справах присутствіям але й поміщикам. Сфера діяльності нових органів всестанового самоврядування була обмежена господарськокультурними справами: освітою охороною здоров\'я торгівлею будівництвом та ін. Маніфест декларував створення Державної думи як законодавчого органу на основі загального виборчого права а також введення громадянських свобод. У...
80488. ГАЛИЦЬКО-ВОЛИНСЬКЕ КНЯЗІВСТВО — ПРОДОВЖЕННЯ ТРАДИЦІЇ РУСЬКО-УКРАЇНСЬКОЇ ДЕРЖАВНОСТІ (перша пол. XIII — друга пол. XIV ст.) 40.5 KB
  Державний лад та правова система Галицько Волинського князівства. У Новгороді та Пскові утворилися феодальні республіки у ВолодимироСуздальській землі утвердилась одноосібна влада князя в ГалицькоВолинській землі великий вплив на владні відносини мала боярська аристократія. Вершини могутності ГалицькоВолинське князівство досягло під час князювання Романа Мстиславича...
80489. УКРАЇНСЬКА НАЦІОНАЛЬНА ДЕРЖАВНІСТЬ (листопад 1917 — квітень 1921 рр.) 53.6 KB
  Слід звернути увагу й на заяву Ради міністрів Української держави від 10 травня: Гетьман не думає стати самодержцем. 15 жовтня було оприлюднено листа Скоропадського голові Ради Міністрів в якому він вказуючи на завершення першого періоду будування Української держави наголошував на тому що настав вже час приступити до вироблення закону який має завершити нашу планомірну працю по будуванню державності а саме до вироблення закону про вибори до Державного Сейму . На відміну від системи центральних органів Української держави формування...
80490. ДЕРЖАВА І ПРАВО УКРАЇНИ В УМОВАХ НОВОЇ ЕКОНОМІЧНОЇ ПОЛІТИКИ (1921 — початок 1929 рр.) 59.71 KB
  Формально правову основу організації та діяльності державного механізму республіки на початку 20х років визначала Конституція УСРР 1919 р. розпочалася робота з підготовки реформи адміністративнотериторіального устрою УСРР де все ще зберігалися волості повіти і губернії. закладалися правові основи адміністративнотериторіальної реформи УСРР.
80491. ДЕРЖАВА І ПРАВО УКРАЇНИ В ПЕРІОД ТОТАЛІТАРНО-РЕПРЕСИВНОГО РЕЖИМУ (1929-1941 рр.) 208 KB
  Правовий статус України її місце у складі союзної держави Союзу РСР були законодавчо закріплені як в Конституції СРСР 1924 р. Слід мати на увазі що Всеукраїнський з\'їзд керувався директивами Комуністичної партії та постановами Всесоюзних зїздів Рад і ЦВК СРСР. вона мала право: видавати декрети постанови і розпорядження ті з них які визначали загальні норми економічного та політичного життя або вносили докорінні зміни в практику діяльності установ республіки підлягали затвердженню сесією ВУЦВК; припиняти дію і відміняти постанови...
80492. ДЕРЖАВА ТА ПРАВО КИЇВСЬКОЇ РУСІ ( VI – початок XIII ст. ) 202 KB
  ВСТУП ДО КУРСУ ІСТОРІЯ ДЕРЖАВИ ТА ПРАВА УКРАЇНИ. План: Вступ до курсу історія держави та права України. ПРЕДМЕТ ІСТОРІЇ ДЕРЖАВИ І ПРАВА УКРАЇНИ Що ж являє собою історія держави і права України Це наукова дисципліна яка вивчає: еволюцію української державної традиції в цілому; розвиток механізмів державної влади в Україні; зародження та функціонування правової системи в цілому і окремих галузей права України. Історія держави і права України вивчає факти і виявляє закономірності історичного розвитку її перш за все цікавлять юридичні...