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

41861. Определение удельной теплоты плавления олова 286.55 KB
  Температура при которой вещество плавится называется температурой плавления вещества. Температура плавления для данного вещества при одинаковых условиях одинакова. Однако это не значит что в процессе плавления к телу не надо подводить энергию.
41862. Диаграмма Парето 48.04 KB
  Например если на складе находится большое число деталей проводить контроль всех деталей без всякого различия неэффективно. Но если разделить детали на группы по их стоимости то на долю группы наиболее дорогих деталей группа А составляющих 2030 от общего числа деталей придётся 7080 от общей стоимости всех деталей. На долю группы самых дешёвых деталей группа С составляющей 4050 от всего количества деталей придётся всего 510 от общей стоимости. Контроль деталей на складе будет эффективным если контроль деталей группы А будет...
41863. Редактирование рабочей книги. Построение диаграмм 976.65 KB
  Изучение способов работы с данными в ячейке. Изучение возможностей автозаполнения. Построение диаграмм. Создание и сохранение таблицы (рабочей книги). Форматирование содержимого ячеек, выбор диапазона ячеек и работа с ними, редактирование содержимого ячеек.
41864. Функционально-стоимостной анализ в конструкторской подготовке производства 296 KB
  Функционально-стоимостной анализ — метод, позволяющий отбирать наилучшие технические решения при создании и освоении новой техники (технологии), увязывать в единый комплекс вопросы обеспечения функциональной полезности и качества новой техники (технологии)
41865. Гистограмма. Характерные типы гистограмм 82 KB
  Результаты измерений вводим в электронную таблицу. В ячейку А1 вводим заголовок работы. Начиная с ячейки А3 вводим в столбец порядковые номера измерений с 1 по 100 например при помощи команды ПравкаЗаполнитьПрогрессия . В ячейки В3:В102 вводим значения коэффициента деформации из табл.
41866. Графики. Построение и виды графиков. 53.14 KB
  На третьем шаге вводим заголовки диаграммы и осей основные линии сетки по осям удаляем легенду. Характер изменения выручки а также прогноз даёт линия тренда построить которую можно открыв контекстное меню на ломаной линии и выбрав команду Добавить линию тренда. В открывшемся диалоговом окне на вкладке Тип показаны возможные типы линии тренда. Чтобы выбрать тип линии наилучшим образом аппроксимирующий данные можно поступить следующим образом: поместить на диаграмме линии тренда всех приемлемых типов т.
41867. Построение фигур и линий в CorelDRAW. Рабочая среда и интерфейс пользователя 549.49 KB
  Модель кривой В основе принятой в CorelDRW модели линий лежат два понятия: узел и сегмент. По характеру предшествующих сегментов выделяют три типа узлов: начальный узел незамкнутой кривой прямолинейный и криволинейный. В средней части строки состояния для кривой выводится обозначение класса объекта Кривая на слое 1 а также количество узлов этой кривой. Вместо этого задается расположение узлов будущей кривой и появляется возможность уже в процессе построения воздействовать на положение направляющих точек в каждом из них.
41868. Табличный процессор Excel. Ознакомление. Форматирование таблиц в Excel 202.96 KB
  Название ошибки Значение ошибки ДЕЛ 0 Деление на нуль Н Д Неопределенные данные ИМЯ Программа не может распознать имя использованное в формуле ПУСТО Задано пересечение областей не имеющих общих ячеек ЧИСЛО Возникли проблемы с числом ССЫЛКА Формула неправильно ссылается на ячейку например если ячейки были удалены ЗНАЧ Аргумент или операнд имеет недопустимый тип ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ: Задание Создать таблицу в соответствии с предложенным вариантом по образцу. Создайте таблицу в соответствии с вашим вариантом по образцу Для...
41869. ПОВЕРКА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 505.94 KB
  Описание установки Поверка ТП производится при помощи эталонного калибратора температуры КТ–500 рис. Термоэлектродвижущая сила ТЭДС измеряется прибором универсальным измерительным типа Р4833 рис. Рис. Методика и порядок проведения поверки В условиях учебной лаборатории поверка ТП включает внешний осмотр определение соответствия статической характеристики преобразователя стандартной НСХ.