Лабораторна робота № 3

Вимірювання електричних величин

компенсатором постійного струму

Лабораторна робота № 3

Вимірювання електричних величин

компенсатором постійного струму

Мета роботи - вивчити метод зрівноваження прямого вимірювання напруги, струму, опору, потужності та порядок проведення повірки міліамперметра за допомогою компенсатора постійного струму.

В результаті виконання роботи студенти повинні:

знати всі методи вимірювань, сутність та переваги методу зрівноваження, принцип дії та основні переваги компенсаторів постійного і змінного струму, сутність повірки приладів, побудову компенсатора;

вмiти застосовувати отриманні знання при роботі в лабораторії, працювати з компенсатором постійного струму, проводити повірку міліамперметру.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Метод вимірювання - сукупність способів використання засобів вимірювальної техніки та принципу вимірювань для створення вимірювальної інформації.

Серед різних видів вимірювань ФВ найточнішими за інших рівних умов є пряме вимірювання. Розглянемо класифікацію методів прямих вимірювань.

Диференційний (різницевий) метод. Метод вимірювання, за яким невелика різниця між вимірюваною величиною та вихідною величиною одноканальної міри вимірюється відповідним засобом вимірювання.

Він реалізується шляхом подання на один вхід вимірювальної схеми порівняння (ВСП) величини X, що вимірюється, а на другий вхід через масштабний вимірювальний перетворювач одиниці ФВ N від міри М, однорідної з ФВ X, що вимірюється.

На виході ВСП видається різниця , де k - коефіцієнт перетворення масштабного перетворювача. Схема проведення такого порівняння показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурна схема для здійснення

диференційного методу вимірювання

При проведенні вимірювань диференційним методом варіацією значень N або k домагаються, щоб була невелика і виконувалася нерівність <X. Значення сигналу на виході ВСП пропорційного вимірюється показуючим приладом.

Похибка диференційного порівняння визначається головним чином похибкою відтворення одиниці ФВ мірою N, похибкою коефіцієнта k масштабного перетворювача і похибкою приладу, що визначає .

У випадку, коли значення <X, її визначення навіть низькоточным приладом буде вносити незначну частку в загальну похибку порівняння. Застосування масштабного перетворювача в ряді випадків необов’язкове. Зрівноважування можна здійснити, застосовуючи регульовану міру N або набір мір, сумарне значення ФВ у яких близьке до значення X. У останньому випадку точність порівняння підвищується, тому що на неї перестає впливати параметр масштабного перетворювача.

Метод одного збігу (метод ноніуса). Метод прямого вимірювання з одноразовим порівнянням вихідних величин двох багатозначних нерегульованих мір, з різними за значенням ступенями, нульові позначки яких зсунуті між собою на вимірювану величину.

---

Прикладом методу одного збігу є вимірювання довжини за допомогою двох лінійок з поділками, ціни яких знаходяться в певному відношенні. Вимірювання часу за допомогою двох послідовностей періодичних імпульсів, періоди яких знаходяться в певному відношенні.

При вимірюванні нульові відмітки мір зсувають на вимірювану величину Х, а потім визначають її числове значення за номером найближчої відмітки, що збігається. Таким чином, завдяки надлишковості методу ноніуса (замість однієї багатозначної нерегульованої міри використовується дві), ступінь квантування «зменшується» в разів. Це можна трактувати також як «збільшення» розміру величини Х в разів. Метод ноніуса використовується тоді, коли неможливо створити міру з надто малими ступенями (наприклад лінійку з поділками 0.1 мм).

Метод подвійного збігу (метод коінциденції). Метод прямого вимірювання з одноразовим порівнянням двох квантованих фізичних величин: вимірюваної та відтворюваної багатозначною нерегульованою мірою.

Прикладом методу подвійного збігу є вимірювання зістикованих інтервалів часу або зістикованих відрізків довжини за допомогою відповідно: послідовності періодичних імпульсів з відомим значенням їх періоду або лінійки з відомим значенням поділок.

Метод зіставлення. Метод прямого вимірювання з одноразовим порівнянням вимірюваної величини з усіма вихідними величинами багатозначної нерегульованої міри.

Прикладами даного методу є вимірювання довжини лінійкою з поділками, вимірювання інтервалу часу годинником.

Цей метод, зокрема, забезпечує максимальну швидкодію вимірювання електричної напруги та механічних переміщень.Його покладено в основу побудови цифрових хронометрів, частотомірів, надшвидкодіючих цифрових вольтметрів, цифрових вимірювачів індуктивності.

Метод заміщення. Метод непрямого вимірювання з багаторазовим порівнянням до повного зрівноваження вихідних величин вимірювального перетворювача з почерговим перетворенням ним вимірюванної величини та вихідної величини регульованої міри.

Цей метод відрізняється від раніше розглянутих тим, що порівняння шуканої величини X із мірою N роблять вимірювальним приладом, до входу якого в різний час по черзі підключають об'єкт вимірювання і міри. Метод іноді називають також методом різночасного порівняння. Його широко використовують при точних вимірюваннях. Для його реалізації необхідно мати вимірювальний показуючий прилад і набір мір, або регульовані міри, або масштабні ВП.

Вимірювання методом заміщення проводять у два етапи з часовим інтервалом між ними. На першому етапі в момент часу t₁ до вимірювального приладу підключають досліджуваний об'єкт і ФВ, що вимірюється. Елементи пам'яті приладу запам'ятовують значення ФВ, що вимірюється (або показання стрілочного приладу) .

---

На другому етапі вимірювань в момент часу t₂, до приладу підключають регульовану міру або набір мір і зміною їхнього сумарного значення або зміною значення коефіцієнта k домагаються рівності їх сумарного дійсного значення значенню ФВ, що вимірюється. Момент рівності фіксується вимірювальним приладом, коли стрілка на його шкалі встановлюється на початкове показання . У цьому випадку вважають, що X = N k або X = , а показання вимірювального приладу a₁ , яке б воно не було за значенням, не беруть до уваги. Від вимірювального приладу порівняння, застосовуваного в цьому експерименті, потрібно наявність тільки короткочасної стабільності основних параметрів. Тому для проведення даного експерименту можна використовувати прилад із підвищеною чутливістю і цим понизити відлікову похибку.

На основі описаних методів можуть створюватися різні комбіновані методи. Розглянуті методи використовуються частіше усього при проведенні метрологічних досліджень, а також при вимірюваннях за допомогою автоматичних ЗВ, у яких на основі вищеописаних методів створюється алгоритм роботи пристрою.

Метод безпосередньої оцінки. Розглянутий раніше диференційний метод може перейти в метод безпосередньої оцінки, коли значення N = 0. У цьому випадку значення = X. З цієї рівності випливає, що всі значення величини Х , що вимірюється, відраховуються за шкалою приладу, що визначає значення . Методом безпосередньої оцінки називають метод вимірювання за допомогою ЗВ, що на своєму відліковому пристрої видає всі значення ФВ, що вимірюється.

Зняття з відлікового пристрою всього значення ФВ, що вимірюється, є перевагою цього методу вимірювання перед іншими методами. Метод безпосередньої оцінки також найменш трудомісткий і найбільш зручний у роботі.

Прилади, що реалізують метод безпосередньої оцінки, можуть бути аналоговими стрілочними і цифровими. При проведенні вимірювального експерименту за допомогою аналогових приладів є ФВ Х, що вимірюється, і вимірювальний стрілочний прилад, що показує значення ФВ. На перший погляд здається, що в цьому випадку порушене саме поняття «вимірювання», тому що не робиться порівняння ФВ з іншою ФВ, прийнятою за одиницю порівняння. У дійсності це не так. І в цьому випадку робиться таке порівняння, але різночасно.

При виготовленні приладу безпосередньої оцінки до його входу підключають міри, що відтворюють ряд значень ФВ. Ці значення прилад «запам'ятовує» за допомогою шкали або механізму і у процесі подальшої експлуатації «зберігає» ці значення у своєї «пам'яті». Таким чином, при проведенні вимірювань методом безпосередньої оцінки відбувається порівняння величини Х, що вимірюється, з «запам’ятованим» значеннями одиниці ФВ N. Ця операція дуже близька до вище розглянутого методу збігу. При проведенні вимірювань методом збігу відбувається одночасне порівняння ФВ, що вимірюється, з одиницями ФВ. У методі безпосередньої оцінки, реалізованому в стрілочному приладі, це здійснюється різночасно.

---

Різночасність порівняння, необхідність зберігати значення ФВ, роблять стрілочні прилади самими низькоточными ЗВ. Крім того, усі величини, що вимірюються відраховується по шкалі приладу, що має обмежену роздільну здатність і значну відлікову похибку. Все це вносить похибки в загальну похибку приладу. Слід зазначити, що від цих недоліків вільні цифрові прилади.

Метод зрівноваження. Метод прямого вимірювання з багаторазовим порівнянням вимірюваної величини та величини, що відтворюється мірою, яка регулюється, до їх повного зрівноваження.

Якщо декілька видозмінити хід вимірювального процесу при здійсненні диференційного методу вимірювань (рис. 1), то можна так підібрати сумарне одинарне значення мір або так їх відрегулювати, що на виході ВСП значення буде дорівнювати нулю. У цьому випадку диференціальний метод переходить у метод зрівноваження, а вимірювальна система порівняння - компаратор ВСП - виконує функції нуль-органа, задача якого фіксувати момент рівності Х = N k, коли =0. Якщо при методі зрівноваження був використаний тільки набір мір, то похибка вимірювання шуканого значення величини Х методом зрівноваження буде практично дорівнювати похибки міри N. Цей метод порівняння має найвищу точність. Нуль-орган практично не вносить похибки в результати порівняння. Якщо був застосований ще і масштабний вимірювальний перетворювач (ВП), то його похибка додається до похибки міри N і їхня сума визначить похибку вимірювання шуканої величини. Прикладом методу зрівноваження є вимірювання електричної напруги компенсатором постійного струму. Компенсатор постійного струму, за допомогою якого реалізується метод зрівноваження, досліджується у лабораторній роботі.

Схема компенсації напруги зміною робочого струму наведена на рис.2. Вимірювана напруга U_x компенсується відомою напругою U_k, що одержується у вигляді падіння напруги певного робочого струму I_p на опорі R_k, значення якого відоме з потрібною точністю. Змінюючи робочий струм I_p установчим опором R_y, домагаються рівності вимірюваної U_x і компенсуючої U_k напруг. Момент рівноваги характеризується нульовими показаннями гальванометра Г.

Рис.2. Схема компенсації напруги зміною робочого струму

Компенсаційну напругу U_k= I_p R_k можна змінювати також, змінюючи опір R_k при незмінному робочому струмі. Схема компенсації напруги зміною опору резистора наведено на рис.3. Момент компенсації характеризується нульовими показаннями гальванометра Г.

Рис.3. Схема компенсації напруги зміною опору резистора

Широко застосовуваний метод зрівноваження реалізується за допомогою мостових і компенсаційних схем. Компенсатори можуть бути постійного та змінного струму. На рис. 4. наведено схему компенсатору постійного струму, який використовується у роботі і у якому поєднуються дві вищерозглянуті схеми компенсації. Компенсатор використовують для точного вимірювання напруги до 1,2 В. Для вимірювання більших напруг використовують зразкові подільники напруги. Шляхом непрямих вимірювань можливо виміряти струм, опір та потужність.

---

Рис. 4. Схема компенсатора постійного струму

Основними елементами схеми компенсатора є: U_x - вимірювана напруга; Г - гальванометр; П - перемикач, що має три положення. ”НЕ” (нормальний елемент), “Х” - вимірювана напруга та середнє (нейтральне) положення; ЗБ - зовнішня батарея; R_рс - змінний резистор для встановлення робочого струму; R - магазин опорів; R₀ - зразковий опір; Е_Н - нормальний елемент джерело ЕРС, значення якої відоме з точністю до п’ятого знаку після коми. Значення ЕРС при температурі 20^оС E₂₀ вказано в паспортi. Для нормального елементу, що використовується в даній лабораторній роботі E₂₀ = 1,01860 В.

При температурі, відмінній від 20^оС, ЕРС (В) визначають за формулою:

E_t = E₂₀ - 40.6 10^-6 (t-20) - 0.95 10^-6 (t-20)²-0.01 10^-6(t-20)³, (1)

де E_t, E₂₀ - ЕРС НЕ відповідно при температурі t і 20^оС.

Для того, щоб робочий струм не змінювався при зміні ЕРС НЕ, зумовленої відхиленням температури, необхідно змінювати опір зразкового резистора R_о. Для цієї цілі використовують змінний резистор R_t, тобто R_t служить для введення поправки в зразковий опір при відхиленні температури від нормальної. Шкалу цього резистору градуюють в вольтах.

Проведення вимірювань складається з двох етапів. По-перше встановлюється певне значення робочого струму І_р. Для цього перемикач П встановлюють в положення “НЕ” і, змінюючи величину змінного резистора R_рс, досягають нульового показання гальванометра. У цьому випадку :

E_t = U_{a б} = I_p (R_o+R_t), (2)

Робочий струм в процесі наступних вимірювань не змінюється. У цьому випадку відбувається компенсація ЕРС нормального елементу спадом напруги на опорах R_o та R_t шляхом зміни робочого струму у відповідності з схемою на рис. 2.

По-друге, після встановлення робочого струму переходять безпосередньо до вимірювання U_х. Для цього перемикач П встановлюють в положення “Х” і, змінюючи опір R, досягають нульових показань гальванометра. У цьому випадку U_х дорівнює різниці потенціалів між точками б та в, тобто

, (3)

де r – опір магазину опорів між точками б та в. У цьому випадку відбувається компенсація вимірюваної напруги спадом напруги на опорі R шляхом зміни цього опору у відповідності з схемою на рис. 3.

Висока точність вимірювань зумовлена тим, що E_н і зразковий опір відомі з високою точністю. Точність компенсації залежить від чутливості гальванометра, яка може бути досить великою. Так як робочий струм для даного засобу вимірювання величина постійна, то напруга U_{а б} прямо пропорційна r_, що дає змогу відградуювати магазин опорів не в омах, а в вольтах.

Компенсатор змонтований в дерев’яному ящику, на металеву верхню панель виведено всі елементи керування та затискачі, розташування яких наведене на рис. 5.

Примітка: гальванометр знаходится біля компенсатору в окремому корпусі.

Рис. 5. Передня панель компенсатору постійного струму

---