22610

Вимірювання електрорушійної сили ( ЕРС ) та напруг компенсаційним методом

Лабораторная работа

Физика

Ознайомитись з компенсаційним методом вимірювання ЕРС та напруг. Компенсаційний метод вимірювання. Цей недолік усувається якщо вимірювання здійснювати методом порівняння з мірою коли невідома величина порівнюється з мірою а на шкалі відтворюються лише відносні значення.

Украинкский

2013-08-04

54 KB

34 чел.

6

Лабораторна робота

"Вимірювання електрорушійної сили ( ЕРС ) та напруг компенсаційним методом".

   Мета роботи. 

1. Ознайомитись з компенсаційним методом вимірювання ЕРС та напруг.

2. Зняти залежність ЕРС термопари від температури.

   Прилади та матеріали. Потенціометр постійного струму ПП-63, лабораторний автотрансформатор ЛАТР-2, джерело живлення, нагрівач, термометри, термопара, штатив.

Короткі теоретичні відомості.

1. Компенсаційний метод вимірювання. Точність стрілочних приладів часто обмежується точністю градуювання їх шкали, що особливо суттєво для приладів з нелінійною шкалою. Цей недолік усувається, якщо вимірювання здійснювати методом порівняння з мірою, коли невідома величина порівнюється з мірою, а на шкалі відтворюються лише відносні значення. Цей метод реалізують головним чином застосуванням мостових та компенсаційних вимірювальних кіл.

        Компенсаційні кола дозволяють робити високоточні вимірювання невідомої напруги (ЕРС), струму та інших електричних величин. Принцип їх дії розглянемо на прикладі вимірювання опорів.

                        

                                                     R1

                                 1                   

              +                                                       V

              _            2

               

                                                  Rx   

Мал. 1

        Вольтметр перемикається між потенціометром R1 та невідомим резистором Rx. Потенціометр регулюється так, щоб покази вольтметра були однакові в обох положеннях перемикача. Це свідчить про рівність R1 та Rx. Якщо відкалібрувати R1 у одиницях опору можно відразу зчитувати значення Rx. Точність шкали вольтметра тепер несуттєва, але він повинний мати вхідний опір, який значно (не менш, як у 10 разів) перевищує Rx. Для усування незручностей, пов'язаних з цією умовою, застосовують нульовий метод вимірювань (мал.2),  який є наступною модернизацією компенсаційного методу.

                                       Нуль-                                                           Еталонна

                                    індикатор                                                        напруга       

                 +                                                    R1                                    +

                                                                                          U   _

          Вимірювальна                                                                    

          напруга                               Uk

             Ux

                           _

Мал.2.

 Чутливий вимірювач струму (нуль-індикатор) знаходиться під дією двох напруг зустрічного напряму: вимірюваної Ux та компенсаційної Uк. Потенціометр R1 регулюється до нульового показу нуль-індикатора. У цьому разі компенсуюча напруга Uк дорівнює невідомій напрузі Ux. Коли напруги скомпенсовані, струм через нуль-індикатор відсутній, досліджувана схема не навантажується, вхідний опір вимірювача не впливає на вимірювання. Потенціометр можна відкалібрувати у одиницях напруги. Така вимірювальна система має високу точність. Відсутність споживання струму від джерела вимірюваної напруги в режимі Ux =Uк дозволяє використовувати компенсатори для вимірювань у малопотужних колах, наприклад вимірювання ЕРС термопар. Нуль-індикаторами при цьому можуть бути не тільки гальванометри високої точності, але й вимірювальні мости та потенциометричні устрої вимірювання напруг.

        У даній лабораторній роботі застосовується промислова потенціометрична система ПП-63,у якій здійснюється компенсаційний метод вимірювання ЕРС та напруг. Розглянемо її спрощену схему ( див. Додаток 1 ).

        У положенні 1 перемикача П1 струм І від допоміжного джерела живлення U протікає через коло R0 ,R1, R2, R3, R4 і створює компенсаційну напругу Uк на потенціометрах R3, R4. З осями цих потенціометрів поєднані шкали, за якими робиться відлік значення вимірюваної ЕРС. Перемикач П3 дозволяє створити два режими роботи - калібрування ("К") та вимірювання ("U"). У режимі калібрування до потенціометрів R3, R4 підключається еталонне джерело ЕРС Ее. Потенціометри R3, R4 встановлюються на нульові позначки шкал, а потенціометри R1 та R2 (ручка "Рабочий ток", "Грубо/плавно") регулюються так, щоб у колі гальванометра струм був відсутній (нуль на гальванометрі), чим виконується умова компенсації ЕРС еталонного джерела живлення Uк = Eе. У режимі вимірювання (положення "U") до потенціометрів R3, R4 підключається джерело вимірюваної ЕРС або напруга Uх. Регулюванням потенціометрів R3, R4 домогаються відсутності струму у колі гальванометра, тобто виконання умови компенсації  вимірюваної ЕРС або напруги Ux. Після цього зі шкал потенціометрів R3,R4 здійснюється відлік значення вимірюваної величини. У початковий момент вимірювання можуть існувати значні раскомпенсації схеми. Щоб запобігти перевантаженням гальванометра у цей час послідовно з ним підключають опір R7. Після усунення значної раскомпенсації опір R7 можна закоротити перемикачем П2 та закінчити вимірювання без обмеження струму у гальванометрі з найкращою точністю.

        Щоб підвищити точність вимірювання невеликих напруг зменшують напругу живлення компенсаційної схеми U. Для цього перемикачем П1 до потенціометрів R3,R4 підключають подільник напруг R5,R6 (положення 2). Тобто наведена схема має два діапазони вимірювань. За допомогою додаткових кіл кількість діапазонів приладу можна збільшити.

        Для багаторазового відтворення робочого струму І треба мати еталонне джерело, яке може підтримувати ЕРС строго визначеного рівня на протязі тривалого часу. Цим умовам відповідає нормальний елемент Вестона ( див. додаток 4 ) або прецезійне джерело із стабілітроном. Технічні дані та правила користування промисловим приладом ПП-63 більш докладно наведені у Додатку 3.

2. Термочутливий елемент (термопара). Дія термочутливого елемента грунтується на ефекті Зеєбека, відкритому у 1821р. Він полягає у тому, що в електричному колі, яке містить послідовно поєднані між собою різнорідні провідники, виникає струм, якщо поєднувальні контакти провідників знаходяться під дією різних температур. Тобто за цих умов виникає електрорушійна сила (термо ЕРС ). У найпростішому випадку, коли таке коло має тільки два різнорідних провідники, вона називається термопарою. Класичне термопарне коло наведене на малюнку  3.

                                                                                                Робочий

                                                           метал 1     Т2                спай

                                                           метал 2   

                                                                                                    E= C(T2 - T1)

          ВП

                                                                                                Опорний

                                                           метал 2    Т1                 спай

                                                           метал 1                                   

Мал.3

      Конструктивно термопара складається з двох послідовно поєднаних спаюванням або зварюванням дротів з різних металів. Вимірювальний прилад підключають до розриву одного з них. Якщо місця поєднань (спаї) провідників, утворюючих термопару, знаходяться під різними температурами Т1 та Т2, то у колі термопари виникає ЕРС тим більша, чим більша різниця температур робочого та опорного спаїв:

E = C ( T2 - T1 )

      Коефіцієнт пропорційності C називається температурним коефіцієнтом термо ЕРС і його значення залежить від фізичних властивостей контактуючих матеріалів.

         Комбінуючи різні пари металів та сплавів створюють термопари, працюючі у значному діапазоні температур ( від -270 C до +2500 C), а у поєднанні з електровимірювальними приладами - термоелектричні термометри непоганої точності (0,5 - 2) С. Ці термометри застосовують в умовах непридатних для використання звичайних термометрів: значні механічні навантаження або прискорення; вимірювання температур, вищих за температуру плавлення скла; малі розміри досліджуваного об'єкту; велика відстань від термометра до спостерігача і т.д. Під час вимірювань термоелектричним термометром один з його контактів (опорний спай) треба обов'язково термостатувати. Для цього занурюють опорний спай у сосуд з таючим льодом, який має температуру 273,13 К. Вимірювана ЕРС може бути перерахована до температури, якщо відомий температурний коефіцієнт термо ЕРС. Значення цього коефіціенту беруть або з таблиць, якщо відома пара металів, або визначають градуюванням.

Опис експериментальної установки та методика вимірювань.

Блок-схема експериментальної установки, призначеної для градуювання  термопари наведена на мал.4 ( див. Додаток 2 ). Опорний спай термопари занурений у сосуд з таючим льодом, температура якого контролюється термометром Т1. Робочий спай термопари та термометр Т2 знаходяться у порожнині нагрівача Н. Нагрівач зроблений з дротяного опору великої потужності. Його поступове розжарювання здійснюється змінним струмом від освітлювальної мережі за допомогою лабораторного автотрансформатора  (ЛАТР-2). Термо ЕРС, яка відповідає різниці температур між опорним та робочим спаями, вимірюється потенціометром постійного струму ПП-63, у якому реалізований компенсаційний метод вимірювання. Живлення схеми потенціометра здійснюється від окремого джерела постійної напруги (випрямляч B), який підключається до мережі 220 В, 50 Гц.

         Щоб вдало виконати роботу, радимо дотримуватись наступної послідовності.

    1. Завантажити до сосуду лід, підключити окреме джерело постійної   напруги В до мережі та дати йому прогрітися на протязі 15 хв. Цей час необхідний для встановлення температурного режиму схеми джерела живлення та опорного спая термопари.

    2.  Зробити калібрування потенціометра ПП-63 згідно з інструкцією до експлуатації та перевести його до режиму вимірювання.

    3. Підключити до мережи 220 В, 50 Гц трансформатор ЛАТР-2 та встановити на ньому напругу у 180 В. Під час поступового розжарювання робочого спаю термопари з інтервалом у ( 10 - 20 ) С зняти покази термометра Т2 та відповідні цим температурам значення термо ЕРС, які вимірює потенціометр ПП-63. Гранична температура розжарювання  (200 - 250) С.

ЗАВДАННЯ.

    1. Ознайомтесь з описом лабораторної роботи, принципом дії, будовою та призначенням регулюючих елементів потенціометра постійного струму ПП-63.

    2. Ознайомтесь з будовою експериментальної установки, призначеної для градуювання термопари.

    3. Зніміть залежність ЕРС термопари від температури:

U ( mB )  =  f ( t C )

    4. Збудуйте градуйовочний графік термопари:

tC  =  f ( U ( mB ))

    5. Введіть експериментальні дані до ЕОМ, знайдіть та запишіть аналітичну формулу, апроксимуючу результати Ваших вимірювань.

Контрольні питання.

    1. У чому полягає суть компенсаційного методу вимірювання ЕРС?

    2. Поясніть принцип дії найпростішої компенсаційної схеми.

    3. Для чого робиться калібровка компенсаційної схеми перед вимірюваннями?

    4. Яким вимогам потрібно відповідати еталонне джерело ЕРС, яке використовують для калібровки?

    5. Яке призначення має нормальний елемент Вестона у складі потенціометра ПП-63, чому використовується саме він, яку має будову?

    6. Як підвищити точність вимірювання малих напруг компенсаційним методом?

    7. Як захистити гальванометр від великого струму, якщо існує сильна раскомпенсація вимірювальної схеми?

    8. На якому ефекті грунтується вимірювання температури за допомогою термопари?

    9. Як збудован найпростіший термоелектричний термометр?

    10. Навіщо робиться термостатування опорного спаю термопари?

    11. Для чого робиться градуювання термопари?

    12. Назвіть переваги та недоліки термопари як приладу для вимірювання температури.

    13. Який метод використаний для визначення аналітичної залежності, апроксимуючої експериментальні результати градуювання термопари? У чому полягає суть цього методу?

Список літератури.

    1. Ф.Мейзда. Электронные измерительные приборы и методы измерений, М, Мир, 1990, ст. 91-96, 143-146.

    2. Т.М.Алиев и др. "Измерительная техника", М, Высшая школа, 1991, ст.95-97, 147-149.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81714. Тема России в поэзии А. Блока. Чтение наизусть и разбор одного стихотворения 32.56 KB
  В основе символизма лежит философия Владимира Соловьева, именем которого было ознаменовано для Блока - и не для него одного – начало 90 – х г. г. 19 в., то есть период « Прекрасной Дамы». Учение, теократию В. Соловьева можно довольно точно определить как воплощение духовного в жизненном. Вечная Женственность
81715. Черты социально – бытовой драмы и высокой трагедии в пьесе А. Островского « Гроза». Речевая характеристика персонажей 35.44 KB
  Катерина луч света в темном царстве по выражению Добролюбова появилась не откуда-то из просторов другой жизни другого исторического времени ведь патриархальный Калинов и современная ему Москва где кипит суета или железная дорога о которой рассказывает странница Феклуша это разное историческое время а родилась сформировалась в тех же калиновских условиях. О подробно демонстрирует это уже в экспозиции пьесы когда Катерина рассказывает Варваре о своей жизни в девичестве Главный мотив этого рассказа все пронизывающая любовь к...
81716. Противопоставление героев (Обломов – Штольц, Обломов – Ольга) и его значение в идейном содержании романа И.А.Гончарова «Обломов» 34.08 KB
  В 1849 г в альманахе Литературный сборник с иллюстрациями при журнале Современник был напечатан Сон Обломова. Современник признал мастерскими и правдивыми сцены из усадебной жизни и увидел в Сне Обломова творческий шаг вперед по сравнению с Обыкновенной историей. Но степень объективной моральной ценности Обломова все же невелика. Внутреннее единство барина и опустившегося слуги Захара трагикомическое по своей сути воспринимается как фарсовый вариант морального умирания Обломова.
81717. Лирика С. А. Есенина. Основные темы, идеи, художественное мастерство. Чтение наизусть одного стихотворения 44.16 KB
  Уже первый и единственный вышедший до революции сборник поэта Радуница 1916 содержал в себе эстетически завершенную картину деревенского мира воплощенную в такой же цельной системе неповторимых есенинских образов и интонаций. Так намечается уход поэта из реального мира на поиски какойто заповедной родины нездешних полей и перелесков неразгаданной земли скрытых от его взора синим мраком куда тем не менее влечется его душа. Туда в свою вневременную звездную стихию и устремляется душа поэта. В стихотворении Там где вечно...
81718. Образ Наполеона и тема наполеонизма в произведениях отечественной классики 19 века 31.37 KB
  В связи с этим возникает вопрос о роли личности в данном историческом событии и в истории вообще. утверждает решающую роль народных масс в истории. Вопрос о роли личности в истории поднимается в начале 3 тома 1 часть 1 глава: 1. Применительно к истории личность в большей степени действует бессознательно чем сознательно.
81719. Конфликт поколений и его разрешение в романе И. Тургенева « Отцы и дети» 35.11 KB
  Либералам противопоставлен нигилист Базаров в котором читатель без труда узнавал выразителей идей и настроений революционной молодежи. Базаров выражает эти идеи и настроения в самой крайней форме. Такова логика Базарова поэтому вместе с постановлениями отжившего крепостнического строя и либеральным реформаторством он так же категорично отрицает любовь поэзию музыку красоту природы философское мышление семейные связи альтруистические чувства такие нравственные категории как долг право обязанность. Базаров выступает сознательным...
81720. Новаторство лирики В.Маяковского. Чтение наизусть и разбор одного стихотворения 33.28 KB
  Уже в Облаке в штанах проявляются основы новых принципов стиха которые сделали поэзию В. Эти принципы и в дальнейшем проявлялись в стихотворениях и поэмах В. Художественные принципы М. ЛЕФовцы выдвинули 3 новых принципа искусства: 1.
81721. Образ странствующего героя в произведениях отечественной литературы 31.91 KB
  И на пути к заветной цели к миллиону и своему винокуренному заводику Ч. Он на этом пути не успокоится пока не завоюет миллион а с ним и власть над миром мертвых душ. определяет 2 пути для России: светлый и трагический. символ однообразного кружения сбившейся с прямого пути души русского человека.
81722. Философская лирика Ф. И. Тютчева. Чтение наизусть и разбор одного стихотворения 34.14 KB
  В поэзии Тютчева мир одухотворен очеловечен пребывает в вечном движении и развитии. Тютчев утверждает: Не то что мните вы природа: Не слепок не бездушный лик В ней есть душа в ней есть свобода В ней есть любовь в ней есть язык.