Метрологические характеристики
Цель работы
1.1. Изучить:
1.1.1 параметры переменных напряжений и токов;
1.1.2 методы измерения параметров переменных напряжений и токов;
1.1.3 принцип действия, устройство и метрологические характеристики электронных вольтметров;
1.1.4 особенности измерения напряжения электронными вольтметрами переменного тока;
1.1.5 источники погрешности при измерении электронными вольтметрами;
1.1.6 оценка погрешности измерений напряжений вольтметрами;
1.2 получить навыки работы с измерительными приборами;
1.3 приобрести умение обрабатывать и оформлять результаты измерений, выполненных с помощью вольтметров.
Рабочее задание
2.1. Определение основных метрологических характеристик электронных вольтметров в протоколе измерений.
2.2.Исследование частотных характеристик вольтметров переменного тока
2.3 Измерение параметров напряжения сигнала произвольной формы:
· среднеквадратическое значение;
· средневыпрямленное значение;
· пиковое значение.
2.4. Измерение значений коэффициентов амплитуды, формы и усреднения сигналов различной формы.
Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд, (рис. 3.1), представляет собой LabVIEW компьютерную модель, отображаемую на экране персонального компьютера.
На стенде находятся модели:
- электромагнитного (1) и электродинамического (2) вольтметров;
- электронного вольтметра (3) с пиковым преобразователем, проградуированного в средневыпрямленных значениях гармонического сигнала;
- электронных милливольтметров средневыпрямленного (4) и среднеквадратического (5) значениях, проградуированных в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала;
- электронного осциллографа (6);
- генератора сигналов специальной формы (7).
Рисунок. 3.1 - Лабораторный стенд
Метрологические характеристики
Электромагнитный вольтметр
Модель электромагнитного вольтметра (рис. 4.1) служит для измерения среднеквадратического значения напряжения электрического сигнала любой формы.
Ниже приведены некоторые характеристики модели:
- шкала отсчетного устройства проградуирована в среднеквадратических значениях гармонического сигнала;
- пределы измерения могут быть выбраны равными 0,3; 1; 3 или 15 В;
в данной работе предел измерения установлен в положение 3 В.
- класс точности обозначен 2.5, следовательно, предел допускаемой приведенной погрешности равен 2,5%;
- диапазон рабочих частот от 20 Гц до 1 кГц.
Рисунок. 4.1 - Электромагнитный вольтметр
Электродинамический вольтметр
Модель электродинамического вольтметра (рис. 4.2) служит для измерения среднеквадратического значения напряжения электрического сигнала любой формы.
Ниже приведены некоторые характеристики модели:
- шкала отсчетного устройства проградуирована в среднеквадратических значениях гармонического сигнала;
- пределы измерения составляют 3 В или 30 В; в работе №3.4 предел измерения установлен в положение 3 В.
- класс точности обозначен 2.0, следовательно, предел допускаемой приведенной погрешности равен 2,0 %;
- диапазон рабочих частот от 20 Гц до 5 кГц.
Рисунок. 4.2 - Электродинамический вольтметр
Электронный аналоговый милливольтметр средневыпрямленного значения
Модель электронного аналогового милливольтметра средневыпрямленного значения (рис. 4.3) служит для измерения средневыпрямленного значения напряжения произвольной формы сигнала.
Ниже приведены некоторые характеристики модели:
- в режиме измерения переменного напряжения пределы измерения могут выбираться в диапазоне от 1,0 мВ до 300 В;
- шкала отсчетного устройства проградуирована в среднеквадратических значениях гармонического сигнала, следовательно, показание прибора
Uv = Uср.в*Kф sin = Uср.в *1.11;
- диапазон рабочих частот от 10 Гц до 10 МГц;
- предел допускаемой приведенной основной погрешности в области частот от 50 Гц до 100 кГц не превышают 1,5 % (класс точности 1,5).
Рисунок. 4.3 - Электронный аналоговый милливольтметр средневыпрямленного значения
Электронный аналоговый милливольтметр среднеквадратического значения
Модель электронного аналогового милливольтметра среднеквадратического значения (рис.4.4) служит для измерения среднеквадратического значения напряжения сигнала любой формы сигнала.
Ниже приведены некоторые характеристики модели:
- в режиме измерений переменного напряжения пределы измерения могут выбираться в диапазоне от 1,0 мВ до 300 В;
- диапазон рабочих частот от 10 Гц до 10 МГц;
- шкала отсчетного устройства проградуирована в среднеквадратических значениях гармонического сигнала, следовательно, показание прибора Uv = U – среднеквадратическому значению напряжение сигнала;
- пределы допускаемой приведенной основной погрешности в области частот от 50 Гц до 100 кГц не превышают 1,5% (класс точности 1,5).
На лицевой панели модели расположены (рисунок 3.4.7):
- кнопка «СЕТЬ» для включения питания;
- световые индикаторы включения питания и установленных пределов «V» и «mV»;
Рисунок. 4.4 - Электронный аналоговый милливольтметр среднеквадратического значения
- шкала отсчетного устройства со стрелочным указателем и с указанием параметра, для которого выполнялась градуировка;
- кнопка калибровки «К»;
- кнопочный переключатель пределов измеряемой величины «1, 3, 10, 30, 100, 300»;
- электрические разъемы для подключения к источнику измеряемого напряжения.
Электронный аналоговый вольтметр пикового значения
На рисунке (рис. 4.5) показана лицевая панель прибора, на которой расположены: кнопка включения питания (1); шкала отсчетного устройства (2); переключатель пределов измерения (3); переключатель вида измеряемого сигнала (4); входные клеммы (5).
Рисунок. 4.5 - Электронный аналоговый милливольтметр среднеквадратического значения
Модель электронного аналогового вольтметра служит для измерения пикового значения напряжения сигнала любой формы.
Ниже приведены некоторые характеристики модели:
- в режиме измерения переменного напряжения пределы измерения могут выбираться в диапазоне от 0,1 В до 300 В;
- шкала отсчетного устройства проградуирована в средневыпрямленных значениях гармонического сигнала, следовательно, показание прибора
Uv = Um/Kу sin = Um* 
Um /1.57;
- предел допускаемой приведенной основной погрешности не превышают 2,5 % (класс точности 2,5);
· входное сопротивление более 1 МОм;
· входная емкость менее 10 пФ;
· диапазон рабочих частот от 20 Гц до 100 кГц.
Измерительные задачи
Вариант №66
Задача 1
Определить пиковое, средневыпрямленное, среднеквадратическое значения напряжений, если известно показание вольтметра Uv, который проградуирован в среднеквадратических значениях для гармонического сигнала.
Решение
Так как данный вольтметр среднеквадратических значений проградуирован в пиковых значениях синусоидального сигнала, его показание определяется формулой:
Выразим из этой формулы и найдем 
Зная и 
,найдем среднеквадратическое значение напряжения
Зная U и 
,найдем средневыпрямленное значение напряжения
Задача 2
Определить ЭДС источника (Еист), методическую абсолютную и относительную погрешности измерения ЭДС источника напряжения. Внести поправку в результат измерения напряжений вольтметрами. Исходные данные:
Решение
ЭДС источника найдем по формуле:
Отсюда можно найти методическую погрешность измерения напряжения:
Относительная методическая погрешность:
Ответ: 
; P = 0.997; УИН
; P = 0.997; УИН
Задача 3.
Определить показания вольтметра Uv и оценить погрешность измерения напряжения для сигнала, показанного на рисунке. Записать результат в соответствии с нормативными документами в двух вариантах с указанием границы: а) абсолютной погрешности; б) относительной погрешности.
Решение
Тип преобразователя вольтметра: Пиковый
Найдем постоянную составляющую сигнала:
где 
Найдем показание вольтметра:
где 
Найдем предел допускаемой абсолютной погрешности показаний вольтметра:
Так как градуировочный коэффициент не равен нулю, пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений параметра:
Найдем предел допускаемой относительной погрешности измерений
Ответ: 
; P = 0.997; УИН
; P = 0.997; УИН
Выполнение
Исходные данные
Тип образцового электронного милливольтметра (для п. 7.1) – электронный милливольтметр средневыпрямленногозначения
Показание электродинамического вольтметра (для п. 7.1) – 2.0 В
Частота (для п. 7.2) f = 90 Гц
Показание электронного пикового вольтметра (для п. 7.2) –1.5 В
Форма сигнала (для п. 7.2) – Син, Пил
Коэффициент, форма сигнала (для п. 7.3) – Ку, Син
6.1 Исследование частотных характеристик вольтметров переменного тока.
| Частота сигнала, кГц | Показания вольтметров, погрешность, результат | ||||||
| Электронный милливольтметр средневыпрямленногозначения | электромагнитный вольтметр | электродинамический вольтметр | |||||
| Показание образцового вольтметра, В | Показание вольтметра, В | Систематическая погрешность | Показание вольтметра, В | Систематическая погрешность | |||
| абсолютная | Относительная | абсолютная | Относительная | ||||
| 0,02 | 2.2 | 2.0 | 0.2 | 9.1 | 2.0 | 0.2 | 9.1 |
| 0,2 | 2.2 | 2.0 | 0.2 | 9.1 | 2.0 | 0.2 | 9.1 |
| 2.2 | 2.0 | 0.2 | 9.1 | 2.0 | 0.2 | 9.1 | |
| 2.2 | 1.7 | 0.5 | 2.0 | 0.2 | 9.1 | ||
| 2.2 | 1.5 | 0.7 | 2.0 | 0.2 | 9.1 | ||
| 2.2 | 1.1 | 1.10 | 2.0 | 0.2 | 9.1 | ||
| 2.2 | 0.7 | 1.5 | 1.7 | 0.5 |
Абсолютная погрешность:
Относительная погрешность:
6.2 Измерение параметров напряжения сигнала произвольной формы
| Форма измеряемого сигнала с частотой 80 Гц | Вид измеряемого параметра | Тип вольтетра, класс точности | Тип преобразователя | Вид градуировки | Грауировочный коэффициент | Показание вольтметра, В | Предел допускаемой абсолютной погрешности вольтметра, В | Значение измеряемого параметра В | Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения параметра, В | Предел допускаемой относительной погрешности измерения параметра, % | Результат измерения параметра в двух формах |
| Синусоидальная | Um | Эвп 2.5 | пик | ср.в | 0.637 | 1.5 | 0.25 | 2.35 | 0.39 | 2.35 ± 0,39 В P=0.997 УИН | |
| 2 В ± 17% P=0.997 УИН | |||||||||||
| U | Эвкв 1.5 | кв | кв | 1.8 | 0.15 | 1.8 | 0.15 | 8.4 | 1.80± 0.15 В P=0.997 УИН | ||
| 1.8 В ± 8.4% P=0.997 УИН | |||||||||||
| U ср.в | Эвср.в 1.5 | ср.в | кв | 1.11 | 1.6 | 0.15 | 1.78 | 0.14 | 7.7 | 1.78 ± 0.14В P=0.997 УИН | |
| 1.8 В ± 7.7% P=0.997 УИН | |||||||||||
| Пилообразный сигнал | Um | Эвп 2.5 | пик | ср.в | 0.637 | 1.6 | 0.25 | 2.51 | 0.39 | 2.51 ± 0.39 В P=0.997 УИН | |
| 3 В ± 16% P=0.997 УИН | |||||||||||
| U | Эвкв 1.5 | кв | кв | 1.3 | 0.15 | 1.3 | 0.15 | 1.30 ± 0.15 В P=0.997 УИН | |||
| 1 В ± 12% P=0.997 УИН | |||||||||||
| U ср.в | Эвср.в 1.5 | ср.в | кв | 1.11 | 1.1 | 0.15 | 1.22 | 0.14 | 1.22 ± 0.14 В P=0.997 УИН | ||
| 1 В ± 11% P=0.997 УИН |
Значение искомого параметра:
Предел допускаемой абсолютной погрешности вольтметра:
Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения параметра:
Предел допускаемой относительной погрешности измерения параметра:
6.3 Измерение значения коэффициента усреднения сигнала пилообразной формы.
| Форма измеряемого сигнала с частотой 60 Гц | Коэффициент усреднения | ||
| Ку | Ку | Ку % | |
| Синус | 1.32 | 0.24 |
Коэффициент усреднения:
Абсолютная погрешность нахождения коэффициента усреднения:
Относительная погрешность нахождения коэффициента усреднения:
Рисунок 6.3.1 – Осциллограммы исследуемых сигналов
Вывод: В ходе данной лабораторной работы я изучил параметры переменных напряжений и токов; методы измерения параметров переменных напряжений и токов; принцип действия, устройство и метрологические характеристики электронных вольтметров; особенности измерения напряжения электронными вольтметрами переменного тока; изучил источники погрешности при измерении электронными вольтметрами; научился оценивать погрешности измерений напряжений вольтметрами; получил навыки работы с измерительными приборами; а также приобрел умение обрабатывать и оформлять результаты измерений, выполненных с помощью вольтметров.