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

33 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

19190. Упругое рассеяние в системе центра масс. Связь между сечением рассеяния и прицельным параметром 171 KB
  Лекция 2 Упругое рассеяние в системе центра масс. Связь между сечением рассеяния и прицельным параметром. Вычисление сечения рассеяния в лабораторной системе координат по известному сечению рассеяния в системе центра масс. Рассмотрим процесс упругого рассеяния в сис
19191. Сечение рассеяния в кулоновском и обратноквадратичном потенциале 136.5 KB
  Лекция 3 Сечение рассеяния в кулоновском и обратноквадратичном потенциале. Кулоновский потенциал взаимодействия имеющий вид Ur = /r где  = q1q2 один из немногих потенциалов для которого можно вычислить аналитически дифференциальное сечение рассеяния. На его приме
19192. Упругое рассеяние иона на атоме при экранированном кулоновском потенциале взаимодействия 206 KB
  Лекция 4 Упругое рассеяние иона на атоме при экранированном кулоновском потенциале взаимодействия. Функция экранирования. Линдхардовское сечение рассеяния для экранированного кулоновского потенциала. Аппроксимация аналитическими выражениями. Рассмотрим процессы
19193. Ядерная и электронная тормозная способность и их связь с удельными потерями энергии при движении ионов в твердом теле 250 KB
  Лекция 5 Ядерная и электронная тормозная способность и их связь с удельными потерями энергии при движении ионов в твердом теле. Расчет тормозных способностей ионов для кулоновского и экранированного кулоновского потенциалов взаимодействия. Расчет тормозных способнос
19194. Расчет траекторных пробегов ионов в твердом теле и распределение внедренных ионов по глубине образца 285 KB
  Лекция 6 Расчет траекторных пробегов ионов в твердом теле и распределение внедренных ионов по глубине образца. Коэффициент отражения и зарядовый состав отраженных ионов. Под пробегом будем понимать путь который проходит ион в твердом теле до полной остановки. Перед в
19195. Расчет коэффициента распыления в модели Зигмунда. Эмпирические формулы расчета коэффициента распыления 167 KB
  Лекция 7 Расчет коэффициента распыления в модели Зигмунда. Эмпирические формулы расчета коэффициента распыления. Энергетическое и угловое распределение распыленных частиц. Ионное травление. Расчет скорости ионного травления. Профиль ионной имплантации при учете расп
19196. Отраженные и вторичные электроны электрон-электронной эмиссии. Энергетический спектр и угловые характеристики 154 KB
  Лекция 8 Отраженные и вторичные электроны электронэлектронной эмиссии. Энергетический спектр и угловые характеристики. Расчет удельных потерь энергии и траекторного пробега. В методах элементного и структурного анализа обычно используются электронные пучки с энерг...
19197. Сечение ударной электронной ионизации. Оже-электроны. Систематика Оже-переходов. Переходы Костера-Кронига 214.5 KB
  Лекция 9 Сечение ударной электронной ионизации. Ожеэлектроны. Систематика Ожепереходов. Переходы КостераКронига. Излучательные переходы. Классификация линий характеристического рентгеновского излучения. Вероятности рентгеновской флуоресценции и Ожепереходов. П
19198. Взаимодействие рентгеновского излучения с твердым телом (фотоэффект, эффект Комптона) 353 KB
  Лекция 10 Взаимодействие рентгеновского излучения с твердым телом фотоэффект эффект Комптона. Сечение фотоэффекта и его связь с линейным коэффициентом поглощения рентгеновского излучения. Расчет массового коэффициента поглощения для полиатомных образцов. Полезно