Лабораторная работа №3.

"Исследование метрологических характеристик вольтметров"

1. Цель работы

– Исследовать основные метрологические характеристики аналоговых и цифровых вольтметров.

– Рассчитать основные погрешности вольтметров.

2. Краткие сведения из теории

Вольтметр является базовым прибором для измерения напряжения, тока и сопротивления. Измерение тока или сопротивления осуществляется подбором соответствующего входного устройства и преобразователя на выходе вольтметра. Например, вольтметры электронные во входных цепях имеют делители напряжения на активных резисторах, а амперметры - набор шунтов. Для непосредственного отсчета сопротивления резистора прибор включают последовательно с измеряемым сопротивлением и вспомогательным источником постоянного напряжения. Это позволяет переключателями менять пределы измерения и делать прибор универсальным в широких пределах его применения.

2.1 Аналоговые электронные вольтметры

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора. В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20Гц до 1000 МГц), малое потребление тока из измерительной цепи.

Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:

• по назначению – вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений, универсальные, фазочувствительные, селективные;

• по способу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

• по характеру измеряемого значения напряжения — амплитудные (пиковые), среднего квадратического значения, средневыпрямленного значения;

• по частотному диапазону — низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные.

Упрощенные структурные схемы аналоговых вольтметров представлены на рисунке 1.

Изображенная на рисунке 1а) структурная схема используется в вольтметрах переменного тока для измерения напряжений значительного уровня. Частотный диапазон таких вольтметров может составлять сотни мегагерц.

Рисунок 1 - Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров: а) – напряжений большого уровня; б) – милливольтметра, где УПТ – усилитель постоянного тока; > - усилитель переменного тока; МЭС – прибор магнитоэлектрической системы, Д – детектор, ВУ – входное устройство

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к усилителям постоянного тока, применяемым в электронных вольтметрах, предъявляются жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых напряжений эти требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому электронные вольтметры переменного тока для измерения малых напряжений выполняются по схеме рисунке 1б). Эта схема применяется в милливольтметрах, поскольку обладает большой чувствительностью, однако частотный диапазон схемы ниже (до сотен килогерц).

Тип детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического значения позволяют измерять напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.

2.2 Цифровые электронные вольтметры

По виду измеряемой величины цифровые вольтметры делятся на: вольтметры постоянного тока, переменного тока (средневыпрямленного или среднего квадратического значения), импульсные вольтметры — для измерения параметров видео- и радиоимпульсных сигналов и универсальные вольтметры, предназначенные для измерения напряжения постоянного и переменного тока, а также ряда других электрических и неэлектрических величин (сопротивления, температуры и прочее).

Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых величин. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра приведена на рисунке 2. Схема состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства и управляющего устройства.

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный.

АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровым кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в ацп цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством.

Цифровое отсчетное устройство измерительного прибора регистрирует измеряемую величину. Управляющее устройство объединяет и управляет всеми узлами вольтметра.

По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на четыре основные группы:

• кодо-импульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• время-импульсные;

• частотно-импульсные.

В настоящее время цифровые вольтметры строятся чаще на основе кодо-импульсного и время-импульсного преобразования.

АЦП вольтметров преобразуют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и цифровые вольтметры также считаются приборами постоянного тока. Для измерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ставится преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение, чаще всего это детектор средневыпрямленного значения.

2.3 Погрешности средств измерений.

Инструментальные погрешности измерения – составляющая погрешности измерений, обусловленная свойствами применимых средств измерений. Эта погрешность определяет, насколько действительные свойства средств измерений близки к номинальным.

Различают четыре составляющие погрешности средств измерений: основную; дополнительную; обусловленную взаимодействием средств и объекта измерений и динамическую.

В данной лабораторной работе рассматривается основная погрешность. Она обусловлена неидеальностью собственных свойств средств измерений и показывает отличие действительной функции преобразования средств измерений от номинальной функции преобразования.

По способу числового выражения основной погрешности различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности.

Абсолютная погрешность измерительного прибора (∆x) – это разность между показаниями прибора x и истинным значением А измеряемой величины. Данная погрешность выражается в единицах измеряемой величины:

∆x = | x - А| max

П = - ∆x.

Однако, абсолютная погрешность не достаточно наглядна для сопоставления различных средств и результатов измерений. Такую наглядность обеспечивает относительная погрешность, характеризующая отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины.

Так как истинное неизвестно, а абсолютная погрешность – величина малая, то вместо истинного значения А измеряемой величины используют действительное значение А_m этой величины, т.е. найденное экспериментально и близкое к истинному. На практике таким значением может служить среднее арифметическое результатов измерений.

.

Помимо относительной часто задают и приведенную погрешность средств измерений. Это относительная погрешность выраженная в виде отношения абсолютной погрешности средств измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Условно принятое значение величины называется нормирующим значением. Часто за нормирующее значение принимают диапазон измерений x_N (разность верхнего и нижнего пределов).

.

3 Оборудование для проведения работы

– Вольтметр аналоговый (Ц 4315).

– Вольтметр цифровой (GDM 354A).

– Генератор синусоидальных колебаний (ГЗ-109).

4 Порядок выполнения работы

4.1 Структурная схема измерительной установки

4.2 Определение частотного диапазона вольтметров. Все измерения производить на переменном напряжении, выбирая наиболее удобный диапазон измерений.

Для построения АЧХ аналогового вольтметра:

1.  Подключить вольтметр к генератору.

2.  Установить напряжение 3 В (6, 9) или по заданию преподавателя.

3.  Установить частоту генератора 20 Гц.

4.  Измерить напряжение вольтметром.

5.  Установить следующую частоту генератора.

6.  Измерить напряжение вольтметром

7.  Повторить шаги 5–6 для всех частот генератора, вплоть до максимальной.

8.  Повторить шаги 3-7 для всех значений напряжения.

9.  Согласно измерениям, для каждого напряжения, построить график ВАХ. Определить рабочий частотный диапазон вольтметра. (Зона графика с линейным участком ВАХ).

Для построения АЧХ цифрового вольтметра:

Алгоритм построения аналогичен алгоритму, представленному выше.

Провести сравнительный анализ АЧХ вольтметров. Выделить часть частотного диапазона с линейной формой ВАХ для каждого вольтметра.

4.3. Определение основной погрешности вольтметров

4.3.1. Выделить 6 частот из рабочего частотного диапазона для аналогового вольтметра (f₁- f₆).

4.3.2. При фиксированной частоте f_i произвести измерение напряжения, для чего:

1) С помощью генератора установить напряжение 2 В (или указанное преподавателем).

2) Измерить это напряжение вольтметром, данные занести в таблицу 1.1 для первого измерения (N₁).

3) Установить следующее напряжение (3, 4, 5, 6, 7 В).

4) Измерить установленные напряжения, данные занести в таблицу.

5) Повторить пункты 1 - 4 для 2го (N₂) и последующих измерений (N₃, N₄, N₅, N₆).

4.3.3 Для каждой частоты генератора (f_2, f_3, f_4, f_5, f₆) произвести аналогичные измерения согласно пунктам 1-5.

4.3.4 Повторить измерения для выбранных частот для цифрового вольтметра, согласно методике, представленной выше.

5 Обработка результатов измерения.

Произвести расчет:

среднего арифметического значения результатов измерения U_ср.,

абсолютной погрешности ∆U,

относительной погрешности  и

приведенной погрешности . Результаты вычислений занести в таблицу 1.1.

По рассчитанным характеристикам сделать сравнительные выводы для обоих вольтметров.

6 Содержание отчета

Название и цель работы

Общие положения из теории

Оборудование для проведения работы

Графики АЧХ аналогового вольтметра

Графики АЧХ цифрового вольтметра

Таблицы 1-6 результатов измерения аналоговым вольтметром.

Таблицы 1-6 результатов измерения цифровым вольтметром.

Выводы по работе.

Контрольные вопросы для самопроверки.

1. В чем отличие между аналоговыми и цифровыми вольтметрами?

2. Назовите виды аналоговых и цифровых вольтметров?

3. Что показывают абсолютная и относительная погрешности?

4. Как определяется АЧХ вольтметра?

5. Как зависит основная погрешность от частоты измеряемого напряжения?

Литература.

1 Э.Г. Атамалян Приборы и методы измерения электрических величин. М: Дрофа, 2005.

2 Х. Харт Введение в измерительную технику. М: Мир 1999.

На главную

Оглавление