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 R0 – сопротивление образцового резистора, Rx – измеряемое сопротивление и Ux – напряжение, функционально связанное с измеряемым сопротивлением. Однако при использовании данной схемы увеличение значений измеряемых сопротивлений при приемлемых значениях R0 , которое должно быть значительно больше Rx, 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 R0 должно быть существенно меньше Rx, 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 Ux, с некоторым коэффициентом преобразования K, определяемым характеристиками ВИП: Ux = Kх. Затем это постоянное напряжение Ux подается на вход интегратора, реализованного на операционном усилителе, в течение всего первого такта интегрирования Т0 (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 Т0 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 Uинт формируется напряжение, пропорциональное среднему значению входного напряжения Ux за период Т0

Uинт = ,

где С – постоянная интегрирования.

В начале второго такта интегрирования ключ К1 размыкается, а ключ К2 – замыкается, переключая вход интегратора к выходу источника Uo. 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 U0, знак которого противоположен Ux. 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 Tx определится из выражения

,

откуда

.

Таким образом, во втором такте интегрирования происходит преобразование среднего значения напряжения Ux в интервал времени Tx. Поскольку Uxс = КXс, то сформированный интервал времени будет пропорционален измеряемой величине Xс

.

Точность этого преобразования измеряемой величины в интервал времени будет определяться стабильностью коэффициента К и величин T0 и U0.

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

Полученный интервал Tx, представленный длительностью импульса Uсу на выходе сравнивающего устройства, измеряется в блоке АЦП путем сравнения его с единичной мерой времени t0 – периодом повторения счетных импульсов образцового стабилизированного генератора G. Измерение осуществляется подсчетом числа периодов импульсов образцового генератора, укладывающихся в полученный интервал времени Tx. 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 Tx, получаем выражение

, или .

 

Так как U0, K, T0, f0 – величины постоянные, то измеряемая величина Xc 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 ± t0.

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 Xmax – 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