6803

Измерение постоянного напряжения и силы электрического тока

Лабораторная работа

Энергетика

Измерение постоянного напряжения и силы электрического тока. Цель работы: ознакомиться с измерительными приборами, изучить методику измерений постоянных напряжений и токов, определения погрешностей и обработки результатов эксперимента. Теорети...

Русский

2013-01-08

173 KB

70 чел.

Измерение постоянного напряжения и силы электрического тока.

Цель работы: ознакомиться с измерительными приборами, изучить методику измерений постоянных напряжений и токов, определения погрешностей и обработки результатов эксперимента.

  1.  Теоретические сведения
    1.  Виды измерительных приборов

Измерительные приборы разнообразны по назначению, принципу действия, метрологическим и эксплуатационным характеристикам. По форме представления измерительной информации их подразделяют на аналоговые и цифровые.

Аналоговые приборы бывают электромеханическими и электронными. Электромеханический прибор состоит из измерительной цепи 1, измерительного механизма 2 и отсчетного устройства 3. Измерительная цепь 1 служит для преобразования измеряемой физической величины Х (напряжения, силы тока, мощности и т.п.) в некоторую промежуточную электрическую величину Х1 (ток или напряжение), функционально связанную с величиной Х и непосредственно воздействующую на измерительный механизм 2 (делитель напряжения, шунт). Отсчетное устройство 3 содержит шкалу с делениями и указатель (механический – стрелка или световой – пятно). Обобщенная структурная схема такого прибора показана на рис.1.

Рис.1

В целях повышения чувствительности прибора, расширения диапазона измерений величин в сторону малых значений измерительная цепь содержит электронные узлы. Такие приборы, в отличие от обычных аналоговых приборов прямого преобразования, называют электронными.

Цифровым называется прибор, у которого выходной сигнал является цифровым, т.е. содержит информацию о значении измеряемой величины, закодированную в цифровом коде. Структура цифрового прибора во входной части подобна структуре электронного аналогового прибора. Необходимым элементом каждого цифрового измерительного прибора является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП – это измерительное устройство, которое осуществляет автоматическое преобразование размера выходной величины (преимущественно напряжения) входного преобразователя в её цифровое (численное) значение. На выходе цифрового прибора используется цифровое отсчетное устройство, с помощью которого через дешифратор результат измерения представляется в виде цифр и других знаков.

При измерении часто используются приборы, называемые мультиметрами, предназначенные для измерений в различных диапазонах нескольких электрических величин: постоянных и переменных тока и напряжения, электрического сопротивления и т.д.

  1.  Вольтметры

Аналоговые вольтметры постоянного и переменного периодического напряжения строят на базе измерительных механизмов различных типов. Измерительный механизм (ИМ) имеет следующие характеристики: Rм – сопротивление механизма, Ім – ток полного отклонения механизма и следовательно, напряжение полного отклонения стрелки механизма.

.

Если измеряемое постоянное напряжение превышает Uм (Ux>Uм), то включают масштабный преобразователь (делитель) измеряемого напряжения (рис.2). Тогда конечное значение шкалы вольтметра будет Uк = Uм ∙Кмп.


Рис. 2. Электромеханический вольтметр постоянного напряжения

Недостатками вольтметра постоянного напряжения будут малое сопротивление между зажимами вольтметра Rv и недостаточная чувствительность.

Электронный аналоговый вольтметр имеет большее Rv и большую чувствительность за счёт включения электронного масштабного преобразователя с Кмп ≥ 1 (рис. 3).

          

Рис. 3. Электронный вольтметр постоянного напряжения

  1.  Амперметры

Электрический ток в цепи может быть измерен прямыми или косвенными методами. При прямом измерении постоянного тока используется измерительный механизм, имеющий ток полного отклонения Iм и сопротивление Rм. Расширение шкалы (рис.8). до значения Iх производится за счёт включения шунта, сопротивление которого выбирают из условия:

 

Рис. 5. Расширение шкалы амперметра

При косвенном методе измерения значение тока с помощью измерительного преобразователя преобразуют в другую физическую величину, значение которой измеряют. Так при преобразовании значения измеряемого тока в напряжение используют вольтметры, шкала которого градируется в единицах тока.

При Rш << Rv измеряемое

значение тока определится

         .

                    Рис. 6. Косвенное измерение тока.

  1.  Виды измерений

Измерение тока и напряжения в электрической цепи проводят в диапазоне частот от 0 Гц до 1 ГГц. На более высоких частотах эти величины теряют свою однозначность в линии передачи и в её поперечном сечении. По этим причинам на сверхвысоких частотах предпочитают измерять мощность, а не ток и напряжение.

С точки зрения получения значения измеряемой величины по результатам первичных измерений различают прямые и непрямые (косвенные) измерения.

Прямое измерение – это измерение, при котором значение величины Х получают непосредственно по показанию соответствующего прибора Хп; без дополнительных расчетов.

Х= Хп.

Примеры прямых измерений: измерение силы тока – амперметром, напряжения – вольтметром и т.д. При непрямом (косвенном)  методе измерения величины Х определяют по результатам прямых измерений величин  у1, у 2, … у п, которые связаны с нею определенной функциональной зависимостью.

Х = f 1, у 2,… у п)

1.3. Классификация погрешности измерений

Качество измерений тем выше, чем ближе результат измерения  Хi к истинному значению Х.

∆ = Хi  -  Х (1)

Количественной характеристикой качества измерения является погрешность измерения. Погрешность измерительных приборов отражает свойства только самого измерительного устройства, обусловленные структурными схемами, конструктивными особенностями приборов; применяемых в них материалов и элементов, технологии их изготовления, регулировки и градуировки. Следует различать погрешность измерительного прибора (инструментальная погрешность) и погрешность измерения прибором некоторого сигнала. Погрешность прибора – это часть погрешности измерения некоторого сигнала измерительным прибором, обусловленную неидеальностью (несовершенством) средств измерительной техники;  она в определенной степени влияет на точность измерений. Погрешность прибора, определяемая по формуле (1), называется абсолютной. Более наглядное представление о точности измерений дает относительная погрешность прибора, которая рассчитывается по формуле (2)

. (2)

Для сравнения приборов между собой  введено понятие приведенная погрешность прибора , равная отношению его абсолютной погрешности ∆ к значению шкалы Хк, которое принимается равным номинальному значению Хном для приборов с равномерной шкалой:

Если абсолютная погрешность прибора постоянна по всей шкале, то его относительная погрешность существенно увеличивается к началу шкалы. Поэтому целесообразно выбирать прибор (или шкалу прибора) с таким пределом измерения, при котором его указатель при измерении располагается ближе к концу шкалы.

Одной из характеристик прибора является класс точности. Класс точности прибора Кп определяет наибольшую (предельную) допустимую приведенную погрешность прибора в рабочей области шкалы, выраженную абсолютным числом, значение которого равно приведенной погрешности в процентах. По классу точности можно определить наибольшую абсолютную погрешность  ∆, которую может иметь прибор в любой точке шкалы (без учета знака).

Например, при использовании вольтметра со шкалой 0 ÷ 100 В (Хном=100В) класса точности 1.5 на любой отметке его шкалы основная абсолютная погрешность не превышает значения

∆ ≤  ±  Кп Хном  / 100%  = ± 1.5 ∙ 100 / 100% = 1.5 В

При этом она может на отдельных отметках шкалы быть меньше 1.5 В или даже равна нулю. Приведенная погрешность соответствует максимальной относительной погрешности.

Класс точности электроизмерительного прибора устанавливают на заводе при калибровке по образцовому прибору в нормальных условиях. Нормальными условиями  считаются температура окружающей среды (20 ± 5)˚С, относительная влажность (65 ± 15)%, атмосферное давление (100 000 ± 4 00) Па или (760 ± 30) мм рт. ст., напряжение питающей сети 220В ± 2% с частотой 50 Гц.

По зависимости погрешности с измеряемой величиной Х различают аддитивные погрешности (независящие от Х), и мультипликативные (линейно зависящие от Х). Для аналоговых измерительных приборов с аддитивной погрешностью установлены такие классы точности:

К (%) = (1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6)∙10n, где n = 1, 0, -1,-2,..

В зависимости от места и причины возникновения  различают такие основные составляющие погрешности от:

  •  несоответствия (неадекватности) модели измеряемого объекта его реальным свойствам и величине;
  •  упрощения математических моделей измерительных преобразований;
  •  взаимного влияния средств измерений и объекта;
  •  несовершенство средств измерений;
  •  влияния внешних факторов на объект и средства измерений;
  •  несовершенства вычислительного алгоритма и обработки результата наблюдения.

2. Погрешности измерения напряжения и тока.

2.1. Измерение напряжения источника

Измерительный прибор (вольтметр) включают параллельно участку цепи, на котором измеряют напряжение Ri – внутреннее сопротивление источника.

При измерении напряжения вольтметром, имеющим входное сопротивление Rv, возникают методическая (систематическая) погрешность и инструментальная (случайная) погрешность.

Рис. 7 Схема включения вольтметра

  1.  методическая обусловлена влиянием измерительного прибора с сопротивлением Rv на значение измеряемого напряжения UИ;
  2.  инструментальная погрешность определяется классом точности прибора и выбранной шкалой.

Абсолютное значение погрешности будет:

.


Относительное значение методической погрешности:

,

где

.

Выполнив преобразования, для относительной методической погрешности получим выражение:

.

Из выражения видно, что чем больше входное сопротивление вольтметра Rv, тем меньше методическая погрешность.

Для определения инструментальной погрешности необходимо знать класс точности прибора КП, который определяется:

, для прибора с аддитивной погрешностью,

, для прибора с мультипликативной погрешностью.

, %, для прибора с мультипликативной погрешностью и нелинейной шкалой,

где UK – конечное значение выбранной шкалы прибора;

UИ – показание прибора на выбранной шкале;

a, b – коэффициенты для выбранной шкалы прибора (определяются по паспорту прибора).

Соответственно, инструментальная погрешность определяется для приборов с аддитивной погрешностью:

,

для приборов с мультипликативной погрешностью (цифра, обозначающая класс точности прибора указывается в кружочке):

,

для приборов с мультипликативной погрешностью и нелинейной шкалой с классом точности a / b: .

Действительное значение напряжения источника определится выражением:

,

где П – поправка на систематическую (методическую) погрешность, равная по значению и противоположная по знаку абсолютной методической погрешности.

В окончательном виде результат измерения напряжения с учетом методической и инструментальной погрешностей записывают в виде:

.

2.2. Измерение силы тока

В электрическую цепь (рис.8а) прибор для измерения тока (амперметр) включается последовательно с нагрузкой RH (рис. 8б). Как и при измерении напряжения, так и при измерении тока амперметром, имеющим сопротивление RA, возникают методическая и инструментальная погрешности.

Рис. 8 Схема включения амперметра.

До включения амперметра через RH протекал ток I, после включения амперметра, имеющего сопротивление RA, в цепи будет протекать измеряемый ток IИ (рис. 8в).

Относительное значение методической погрешности:

, где

,  .

Выполнив преобразования, для относительной методической погрешности получим выражение:

.

Из выражения видно, что методическая погрешность является систематической и её значение тем меньше, чем меньше сопротивление амперметра RA.

Действительное значение тока с учетом поправки на методическую погрешность будет:

,

Преобразовав последнее выражение, для действительного значения тока, протекающего через RH (без включенного амперметра на рис. 11а), получим выражение:

.

Конечное значение результата измерения записывают в виде:

.

2.3. Измерение напряжения на участке цепи

Относительная методическая погрешность измерения в этом случае будет:

, где , ,  .

 

Рис. 9 Измерение напряжения на участке цепи.

После преобразований для относительной методической погрешности получим выражение:

.

Действительное значение напряжения на резисторе с сопротивлением R2 после введения поправки на методическую погрешность будет:

, где UИ – показание вольтметра.

Инструментальная погрешность определяется классом точности и шкалой прибора. Найденное значение напряжения на R2 будет:

.


3. Программа работы:

3.1. Измерение постоянного напряжения (приборами В7-26, Щ4313).

3.1.1. Измерить ЭДС источника питания прибором В7-26.

а)  Подготовка вольтметра В7-26 к измерению напряжения.

Включить “Сеть” прибора. Переключатель рода работы установить в положение “+U” или “-U”. После прогрева (515 минут) закоротить (соединить проводником) входы «U» и «*» прибора (рис. 13). Переключатель поддиапазонов измерения напряжения поставить в положение 0,3(0,1)В. Регулировкой “Устан. «0»” добиться «0» по шкале «U».      Рис. 13                

Затем перевести переключатель поддиапазонов в положение 3(10)В. Снять закоротку.                      

         б) Включить источник питания и установить необходимую величину Э.Д.С.  E.

в) Подключить В7-26 к источнику питания (рис.14). Измерить ЭДС. Записать конечное значение шкалы вольтметра  UK  и его класс точности (указан на лицевой панели).

 

         Рис. 14                                                                                                                        

3.1.2. Измерить ЭДС источника питания прибором Щ4313.

а)  Подготовка мультиметра Щ4313 к измерению напряжения. Включить «Сеть» прибора Щ4313, выбрать род работы «U», выставить “грубую” шкалу.

б)  Подключить Щ4313 к источнику питания (рис.14), выбрать шкалу и  измерить ЭДС. Записать измеренное значение и конечное значение шкалы вольтметра.

Для мультиметра Щ4313 класс точности рассчитать по формуле:

,  a и b определить из таблицы (см. паспорт прибора).

.

3.2. Измерение силы электрического тока в цепи (прибором Щ4313)

Установить на источнике питания рекомендованное значение напряжения E ,

на магазине сопротивлений – величину нагрузки: RH1 (RH2). Не включая источник питания, собрать схему (рис.15). На Щ-4313 нажать клавиши «mA» и «500». Измерить ток в цепи, правильно  выбрав шкалу прибора. Записать IA, IK. По паспорту прибора  определить  коэффициенты a и  b (для   расчёта КП).                     Рис. 15

4. Обработка результатов измерений

4.1.1. Результаты измерений выражаются числом, содержащим значащие цифры. Значащими считаются все цифры в числовом результате, в том числе и нуль, если он находится в середине или в конце числа.

 Пример. Результаты измерения напряжений 121В и 0,00121В содержат три, а 126,05В и 12500В – пять значащих цифр.

В конечной записи результатов измерений следует соблюдать следующие правила округления.

4.1.2 В выражении погрешности удерживается не более двух значащих цифр, причём последняя округляется до нуля или пяти.

Пример. а)  Погрешность измерения тока составляет 0,125А. Удерживая одну значащую цифру, значение погрешности округляется до ±0,1А

б)  Погрешность измерения напряжения составляет 0,152В. Удерживая две значащие цифру, значение погрешности округляется до ±0,15В.

4.1.3 Числовое значение результата измерений должно оканчиваться цифрой или нулем того же десятичного знака, что и значение погрешности.

 Пример. 125,832 ± 0,15 записывается 125,83 ± 0,15.

4.1.4 Если первая отбрасываемая цифра меньше пяти, то последняя удерживаемая цифра не изменяется.

 Пример. (125,721 ± 0,2)В округляется до (125,7 ± 0,2)В.

4.1.5 Если первая отбрасываемая цифра больше пяти или равна пяти, то последняя удерживаемая цифра увеличивается на единицу.

 Пример. 25,268 ± 0,4 округляется до 25,3 ± 0,4;

      25,253 ± 0,3 округляется до 25,3 ± 0,3.

4.1.6 Если первая отбрасываемая цифра равна пяти и за ней не следует значащих цифр (или следуют только нули), то округление производится до ближайшего четного.

 Пример. 10,650 ± 0,3 округляется до 10,6 ± 0,3;

      10,550 ± 0,3 округляется до 10,6 ± 0,3.

4.2. Обработка результатов  измерения напряжения

4.2.1. Вычислить инструментальную погрешность и записать результат измерений с её учетом: .

4.2.2. Найти методическую погрешность: , где Ri = 5 Ом,    

RVB7-26 = 30 МОм, =1МОм.

4.2.3. Определить поправку и погрешность поправки по формулам:

 ; .

4.2.4. Результат с учётом инструментальной и методической погрешности записывается в виде:

.

 4.3. Обработка результатов  измерения тока

4.3.1.  Записать результат с учётом инструментальной погрешности.

   .

4.3.2.  Найти методическую погрешность:

   .

4.3.3.  Определить поправку и погрешность поправки:

  ; .

4.3.4.  Результат с учётом инструментальной и методической погрешности записывается в виде:

   .

5. Сделать выводы

PAGE  14


X

X1

X

α

3

1

2

МП

ИМ

Кмп ≤ 1

Ux

МП

ИМ

Кмп ≤ 1

Ux

МП

Кмп ≥ 1

Выбор шкалы вольтметра

RМ

RШ

IШ

М

IХ

ИМ

RШ

Ix

Ix

RV

pV

Ri

E

в)

Rv

I

+

-

Ri

E

a)

+

-

Ri

E

б)

РV

+

-

R EMBED Equation.3  

E

a)

RH

I

R EMBED Equation.3  

E

б)

RH

pA

IИ

R EMBED Equation.3  

E

в)

RH

IИ

RА

R1

E

г)

RЭ

R1

E

в)

R2

RV

R1

E

б)

R2

pV

R1

E

a)

R2

U

*

ИП

+

-

В7-26,

Щ4313

U

*

Е

+

А

RH


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32903. Философия Жизни в19 в 12.41 KB
  Философия Жизни в19 в. В середине 19 века создается эволюционная концепция жизни. Именно в это время возникает иррационализм который к концу 19 века оформляется в отдельную школу – Философию жизни. Этот целостный поток жизни необъясним в рамках рационализма позитивизма механицизма т.
32905. Фрейдизм 14.38 KB
  Первый: создание концепции бессознательного конец XIX века до 1920 года когда на основе экспериментальных данных он делает вывод о существовании в психике каждого человека достаточно четко выраженных структурных образований которые характеризуются как сознание предсознание и бессознательное. Наиболее существенная разработка этого периода динамическая концепция психики человека включающей такие структуры как Оно Я и сверхЯ. Оно кипящий котел инстинктов рождающий все последующие противоречия и трудности человека. Структура Я...
32906. Религия 12.49 KB
  religio благочестие набожность святыня предмет культа это мировоззрение и мироощущение а также соответствующее поведение и специфические действия культ которые основываются на вере в существование одного или нескольких богов и сверхъестественного мира. отображения мира в сознании человечества.
32907. Русская философия 11.7 KB
  Ее феноменальность заключается в том что русская философия развивалась исключительно автономно самостоятельно независимо от европейской и мировой философии не находилась под влиянием многочисленных философских направлений Запада – эмпиризма рационализма идеализма и др.Характерными чертами русской философии являются:сильная подверженность религиозному влиянию особенно православию и язычеству;специфическая форма выражения философских мыслей – художественное творчество литературная критика публицистика искусство;целостность...
32908. Философия средневековой Руси 10-17вв 12.88 KB
  Философия средневековой Руси 1017вв В истории отечественной философской мысли выделяют несколько периодов: первый философская мысль Древней Руси X – XVII вв. Первый период в истории отечественной философской мысли характеризуется полным преобладанием религиозной мысли. На формирование мысли средневековой Руси заметное влияние оказала патристика особенно учения представителей Каппадокийской школы: В. Формирование и развитие отечественной философской мысли не прерывалось в годы монгольского ига а в XV – XVII веках философская мысль...
32909. Философские дискуссии западников и славянофилов 15.17 KB
  Философские дискуссии западников и славянофилов Первыми представителями органической русской философии были Западники и Славянофилы. Славянофилы противопоставляли Восток Западу оставаясь в философских религиозных историкофилософских воззрениях на русской почве признавая и высоко ценя западноевропейскую культуру философию. Истинное противостояние славянофильства Западу заключено в различном подходе к пониманию основ русской и западноевропейской жизни. Западничество и славянофильство две противоположные но и вместе с тем взаимосвязанные...