Пояснения к лабораторной работе

 

4.1. Комбинированные аналоговые измерительные приборы

 

Комбинированные электромеханические измерительные приборы предназначены для измерения напряжения и силы постоянного тока, среднеквадратического значения напряжения и силы переменного тока синусоидальной формы, а также сопротивления постоянному току. В связи с этим их называют также авометрами (ампервольтомметрами). Устройство этих приборов основано на использовании магнитоэлектрического измерительного механизма (микроамперметра) и измерительных цепей (добавочных резисторов, шунтов, выпрямителей для преобразования измеряемой электрической величины в значение постоянного тока).

При измерении напряжения постоянного тока предел измерения изменяется при помощи переключающего устройства, коммутирующего соответствующие добавочные резисторы, включенные последовательно с микроамперметром. При измерении переменных напряжений в схеме прибора используются двухполупериодный выпрямитель (рис. 1.1). Угол поворота подвижной части измерительного механизма в этом режиме зависит от средневыпрямленного значения измеряемого напряжения или тока. Шкала прибора градуируется при этом в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения (тока) синусоидальной формы.

Рис. 1.1. Схема трехпредельного выпрямительного вольтметра

 

Сопротивление постоянному току измеряется авометром путем преобразования измеряемого сопротивления в значение напряжения. При измерении сравнительно небольших сопротивлений (до сотен Ом) обычно используется схема, приведенная на рис. 1.2, а. Здесь R ₀ – сопротивление образцового резистора, R_x – измеряемое сопротивление и U_x – напряжение, функционально связанное с измеряемым сопротивлением. Однако при использовании данной схемы увеличение значений измеряемых сопротивлений при приемлемых значениях R ₀ , которое должно быть значительно больше R_x, приводит к существенному падению чувствительности прибора и увеличению нелинейности шкалы. Поэтому при измерении сравнительно больших сопротивлений используют схему, приведенную на рис. 1.2, б. При использовании этой схемы, значение R ₀ должно быть существенно меньше R_x, что удобно для измерения больших сопротивлений с приемлемой нелинейностью. В обоих случаях шкала прибора имеет нелинейный характер, однако в первом случае она прямая, а во втором – обратная (большему значению сопротивления соответствует меньшее отклонение стрелки).

 

а б

Рис. 1.2. Иллюстрация принципов измерения сопротивлений

в комбинированных измерительных приборах

 

Источником питания в авометрах обычно служат гальванические элементы, у которых ЭДС со временем уменьшается. Поэтому перед измерением сопротивления это уменьшение корректируется специальным переменным резистором, ручка управления которым выведена на панель управления прибора (при измерениях на пределе Ω при разомкнутой входной цепи стрелка прибора устанавливается на отметке ∞; на других пределах при закороченной входной цепи – на отметке 0).

Оценку абсолютного значения основной инструментальной погрешности при измерении напряжений и токов следует осуществлять по формуле

,

где – предел допустимой приведенной основной погрешности при измерении напряжений и токов; нормирующее значение (предел измерений).

В случае измерения сопротивлений оценка абсолютного значения основной инструментальной погрешности определяется в единицах длины шкалы и ее необходимо перевести в единицы соответствующей шкалы сопротивлений (ом или килоом)с учетом цены деления шкалы вблизи показания прибора.

,

где – предел допустимой приведенной основной погрешности при измерении сопротивлений; L – длина шкалы в миллиметрах.

4.2. Комбинированные цифровые измерительные приборы

Комбинированные цифровые измерительные приборы (мультиметры) предназначены для измерения тех же параметров электрических цепей, что и электромеханические, однако отличаются рядом преимуществ. Основные из преимуществ заключаются в высокой точности, автоматическом получении цифрового отсчета и малом влиянии на измеряемую величину (что ведет к уменьшению возможных методических погрешностей).

Функциональная схема универсального цифрового мультиметра типа Щ4300 приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Функциональная схема цифрового мультиметра

типа Щ4300

 

Как и большинство цифровых измерительных устройств, цифровой мультиметр состоит из последовательного ряда аналоговых измерительных преобразователей (АП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового отсчетного устройства (ОУ).

Назначение аналоговых измерительных преобразователей состоит в преобразовании входной измеряемой величины Х в величину, наиболее удобную для цели собственно измерений, т.е. получении численного значения величины путем ее сравнения с некоторой ее частью, принятой за единицу измерения. Это численное значение – код в двоично-десятичной системе счисления формируется в блоке АЦП и затем отображается визуально на ОУ.

Входными величинами Х, которые можно измерять, пользуясь данным цифровым мультиметром, являются:

– напряжение постоянного и переменного тока;

– сила постоянного и переменного тока;

– сопротивление цепи постоянному току.

входным измерительным преобразователем (ВИП), включающим в себя выпрямительный мост и образцовые резисторы, все эти входные величины преобразуются в напряжение постоянного тока U_x, с некоторым коэффициентом преобразования K, определяемым характеристиками ВИП: U_x = Kх. Затем это постоянное напряжение U_x подается на вход интегратора, реализованного на операционном усилителе, в течение всего первого такта интегрирования Т ₀ (ключ К₁ замкнут, ключ К₂ разомкнут) (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Временные диаграммы работы АЦП

Основное назначение первого такта интегрирования заключается в уменьшении влияния помех на результат измерения. Поскольку наиболее существенная помеха на электронные приборы возникает от источника сетевого напряжения частотой 50 Гц, то интервал Т ₀ для более полной компенсации этой помехи выбран кратным периоду помехи и равным 40 мс, т.е. двум периодам сетевой частоты. В конце первого такта интегрирования на выходе интегратора U _инт формируется напряжение, пропорциональное среднему значению входного напряжения U_x за период Т ₀

U _инт = ,

где С – постоянная интегрирования.

В начале второго такта интегрирования ключ К₁ размыкается, а ключ К₂ – замыкается, переключая вход интегратора к выходу источника U _o. Этот момент времени отмечается появлением на выходе сравнивающего устройства СУ положительного фронта импульса, открывающего ключ К₃ и, следовательно, разрешающего прохождение на вход счетчика ∑ импульсов от генератора G стабилизированных по частоте импульсов. Таким образом, во втором такте интегрируется напряжение источника стабильного опорного напряжения U ₀, знак которого противоположен U_x. Направление интегрирования во втором такте противоположно по отношению к первому. Следовательно, во втором такте интегрирования

(постоянная интегрирования не изменяется).

 

Второй такт заканчивается в момент равенства нулю выходного напряжения интегратора и этот момент характеризуется появлением низкого напряжения на выходе сравнивающего устройства СУ, запирающего ключ К₃ и прекращающего поступления образцовых по частоте импульсов в счетчик ∑. Следовательно, длительность второго такта интегрирования T_x определится из выражения

,

откуда

.

Таким образом, во втором такте интегрирования происходит преобразование среднего значения напряжения U_x в интервал времени T_x. Поскольку U_{x с} = КX _с, то сформированный интервал времени будет пропорционален измеряемой величине X _с

.

Точность этого преобразования измеряемой величины в интервал времени будет определяться стабильностью коэффициента К и величин T ₀ и U ₀.

Изложенное выше объясняет, почему подобного типа цифровые приборы часто называют приборами двухтактного интегрирования.

Полученный интервал T_x, представленный длительностью импульса U _су на выходе сравнивающего устройства, измеряется в блоке АЦП путем сравнения его с единичной мерой времени t ₀ – периодом повторения счетных импульсов образцового стабилизированного генератора G. Измерение осуществляется подсчетом числа периодов импульсов образцового генератора, укладывающихся в полученный интервал времени T_x. Технически это эквивалентно подсчету числа этих импульсов N, прошедших на счетчик импульсов ∑ за время открытого состояния ключа К₃,

где – частота образцового генератора G.

Подставляя в эту формулу значения T_x, получаем выражение

, или .

 

Так как U ₀, K, T ₀, f ₀ – величины постоянные, то измеряемая величина X _c прямо пропорциональна числу N, которое в качестве результата измерения в соответствующих единицах измерения индицируется на отсчетном устройстве ОУ. При этом заметим, что поскольку число импульсов дискретно, то при измерении интервала времени возникает специфическая аддитивная составляющая погрешности – погрешность дискретности, абсолютное значение которой может достигать величины ± t ₀.

Рассмотренный цифровой мультиметр имеет как аддитивную, так и мультипликативную составляющие погрешности, и поэтому предел его основной допустимой относительной погрешности (в процентах) выражается двучленной формулой

,

где X _max – рабочий предел измерения шкалы; X – измеренное значение на этом пределе; c и d –константы, характеризующие класс точности прибора, приводимые в его технических характеристиках.

Содержание отчета

 

· цель работы;

· формулы, используемые при обработке результатов измерений с расшифровкой буквенных обозначений переменных;

· таблицы с результатами измерений;

· выводы по каждому пункту задания.

 

Контрольные вопросы

 

1. Почему у аналоговых омметров противоположные шкалы для измерения малых и больших значений сопротивлений?

2. В чем смысл введения понятий предельных значений абсолютной, относительной и приведенной погрешностей?

3. Что указывается в техническом паспорте измерительного прибора при нормировании его погрешности?

4. Поясните разницу между основной погрешностью измерительного прибора и дополнительными погрешностями.

5. От чего зависит выбор формы представления пределов основной допустимой погрешности?

6. Чем характеризуются систематическая и случайная погрешности?

7. Что такое класс точности измерительного прибора?

8. Как по классу точности измерительного прибора оценить пределы допустимых основной абсолютной и относительной погрешностей результата измерения?

9. Почему не рекомендуется проводить измерения, если результат отсчитывается в начале шкалы измерительного прибора?

10. Что такое нормирующее значение и как оно влияет на определение оценок погрешности измерения?

11. Как обеспечивается расширение предела измерения в n – раз у вольтметров?

12. Как обеспечивается расширение предела измерения в n – раз у амперметров?

13. Как в комбинированных приборах осуществляется преобразование напряжений переменного тока в напряжение постоянного тока?

14. В чем состоят достоинства цифровых мультиметров?

15. В чем состоит суть метода двухтактного интегрирования и каковы его достоинства?

 

Лабораторная работа № 2