ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с измерительными приборами, источниками питания и осциллографом программной среды MS10.

2. Изучить методы и приобрести навыки измерения тока, напряжения, мощности, угла сдвига фаз между синусоидальным напряже­ни­­ем и током, а также сопротивлений резисторов, индуктивностей индуктивных катушек и ёмко­стей конденсаторов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

1. ВИДЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ВЕЛИЧИН

В зависимости от способа обработки экспериментальных данных для нахождения результата различают прямые, косвенные, совмест­ные и совокупные измерения.

При прямом измерении искомое значение вели­­­­­­чины находят непосредственно из опытных данных в результате выпол­нения измерения; например, измерение амперметром тока в ветви цепи.

При косвенном измерении ис­комое значение величины находят на осно­вании известной зависи­мости между измеряемой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям; например, определение сопротивления R резистора из уравнения R = U/I, в которое подставляют изме­ренное значение напряжения U на зажимах резистора и протекающего через него постоянного тока I.

Совместные измерения  одновременные измерения нескольких не­одноимённых величин для нахождения зависимости между ними; например, определение зависи­мости сопротивления резистора от температуры по формуле R_t = R₀(1 + аt+ bt²) посредством измерения сопротивления резистора R_t при трех различных температурах t. Составив систему из трех ура­в­нений, находят пара­метры R₀, a и b зависимости сопротивления резистора от температуры.

Совокупные измерения  одновременные измерения нескольких одно­именных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, составленных из результатов прямых измерений различных сочетаний этих величин; например, определение сопротивлений резисто­ров, соединенных треугольником, посредством измерения сопротивлений между различными вершинами треугольника. По результатам трех измерений по известным соотношениям определяют сопротивления резисторов треугольника.

---

Различают также аналоговые и дискретные измерения. При аналоговых измерениях на заданном интервале число измерений электрической величины бесконечно, а при дискретных  число измерений конечно.

В зависимости от способа применения меры известной величины, вы­деляют при измерениях метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой. При методе непосредственной оценки значе­ние измеряемой величи­ны определяют непосредственно по отсчётному устройству (индикатору) измерительного прибора; например, изме­рение напряжения с помощью вольтметра. Методы сравнения с мерой  методы, при которых проводится срав­­­нение измеряемой величины и величины, воспроиз­водимой мерой; нап­­ри­мер, изме­рение сопротивления резистора с помощью моста сопротивле­ний.

Ниже кратко описываются виды и способы измерения электрических величин и параметров компонентов схем электронных устройств с помощью моделей измерительных приборов программной среды интерактивного моделирования и анализа электрических схем NI Multisim 10 (в дальнейшем, для краткости, эту систему будем называть среда MS10). Порядок установки параметров пассивных и активных элементов це­пей, измерительных приборов и осциллографа приведен в приложении 2.

2. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Мгновенные значения напряжения и тока можно измерить с по­мо­щью двухканального осциллографа XSC1, имитируемого программой MS10. Схе­­ма подключения осциллографа к цепи рассмотрена в краткой инструкции работы в среде Multisim (см. демонстрационные кадры, запускаемые при щелчке мышью на кнопках Помощь/Первые шаги в MS10 меню пользовательского интерфейса программного комплекса Labworks).

Измерение действующих значений напряжения и тока в ветвях электрической це­пи проводит­ся вольтметрами и амперметрами. Амперметр включается последовательно с элементами участка цепи, а вольт­метр  параллельно участку (рис. 1.1, а и б), напряжение на котором необходимо измерить. Модели амперметров и вольтметров среды MS10 не требуют установки диапазона измерений.

Для установки режима работы и величин внутренних сопротивлений (Resistance) амперметров А1, А2 и вольт­метров V1, V2 нужно дважды нажать на левую клавишу мыши (в дальнейшем, дважды щелкнуть мышью) на изображении соответствующего прибора и в открывшемся диалоговом окне свойств прибора установить в команде

---

Mode режим работы (постоянный ток DC или переменный AC), изменить или оставить установленное по умолчанию внутреннее сопротивление прибора (1 нОм для амперметров и 10 МОм для вольтметров) и нажать на кнопку ОК (Принять). Внутренние сопротивления 1 нОм для амперметров и 10 МОм для вольтметров, устано­влен­ные по умолчанию, в большинстве случаев оказывают пренеб­ре­жи­тель­но малое влияние на работу схем.

В
библиотеке Instruments среды MS10 имеется мультиметр ХММ1 (рис. 1.1, а), используемый для измерения тока, напряжения и сопро­тивления. В схеме (рис. 1.1, а) мультиметр, работающий в режиме измерения напряжения, подключается к зажимам резистора R1 с помощью ключа S, управляемого клавишей S клавиатуры. В модели мультиметра ХММ1 нужно установить род тока (постоянный "" или переменный ""), измеряемую величину по единице измерения: A  ток,V  напряжение, сопротивление, dB  уровень напряжения в децибелах и другие параметры (SETTINGS) (см. рис. 1.2 справа).

В реальных цепях для расширения диапазона измерения тока конкретным амперметром применяют шунт (тариро­ванный резистор), включаемый парал­лель­но с амперметром. В этом случае значение измеряемого то­ка равно показанию амперметра, умноженному на постоянный коэф­фи­ци­ент, определяемый по правилу делителя тока При измерении больших переменных токов используют измерительный транс­форматор тока, первичная обмотка ко­торого включается в ветвь с измеря­емым током, а вторич­ная  замкнута на ам­перметр. Значение измеряемого тока равно показанию амперметра, умноженную на константу, определяемую коэффициентом транс­фор­­мации тока измерительного трансформатора.

С целью расширения диапазона измерения напряжения конкретным вольт­метром последовательно с его входом включают тарированный ре­зи­стор. В этом случае значе­ние измеряемого напряжения равно показанию вольтметра, умноженному на коэффициент, определяемый по правилу делителя напряжения. При измерении высоких напряжений переменного тока используют измерительный транс­форматор напряжения, к вторичной обмотке которого подключают вольт­метр. Измеряемое напря­жение равно показанию вольтметра, умноженному на константу, зависящую от коэффициент трансформации напряжения измерительного тран­с­форма­тора.

Примечание. В отдельных случаях при моделировании схем цепей с целью исключения влияния сопротивления амперметра в качестве датчика тока можно использовать идеальный зависимый источник напряжения, уп­рав­ляемый током ИНУТ (см. рис. 1.5), а для исключения влияния сопротивления вольтметра при измерении напряжения

---

 идеальный зависимый источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН). Модели зависимых источников энергии размещены в библиотеке Source среды MS10 (примеры применения зависимых источников даны в работах Lr13 и Lr15).

3. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Д
ля прямого измерения сопротивления резистивного элемента (резистора в том числе) будем использовать мультиметр ХММ2, в диалоговом окне которого нужно установить режим работы "" (постоянный ток), измеряемую величину , значение тока, например, 10 nА (10 нА) при измерении сопротивлений (SETTINGS),и подключить прибор к зажимам отдельного резистора (рис. 1.2) или параллельно разомкнутому участку резистивной цепи (без источников энергии). При измерении сопротивления между двумя любыми точками схемы цепи, нужно, чтобы хотя бы один из узлов схемы имел соединение с "заземленной" точкой, при этом ветви с идеальными источниками тока должны быть разомкнуты, а идеальные источники напряжения заменены короткозамкнутыми участками (проводниками).

В практике измерения сопротивлений резистивных элементов, кроме прямых и срав­нитель­ных методов, широко используется так называемый метод вольтметра-амперметра, в основу которого положен закон Ома для цепей постоянного тока (см. рис. 1.1, а и б). Заметим, что этот метод позволяет получить лишь приближенное значение измеряемого сопротивления RU/I. Так, для схемы, изображенной на рис. 1.1, а,

R₁ = U/(IU/R_V),

а для схемы, изображенной на рис. 1.1, б,

R₂ = (UR_АI)/I,

где R_V и R_А  внутренние сопротивления вольтметра и амперметра соответственно.

Анализ приведенных выражений позволяет сделать выводы: первой схемой (рис. 1.1, а) следует пользоваться при измерении сравнительно ма­лых сопротивлений, когда R_V>> R₁, а второй схемой (рис. 1.1, б) – при измерении больших сопротивлений, когда R_А << R₂.

4. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛА СДВИГА ФАЗ

Для измерения угла сдвига фазмежду сину­соидальным напряжением и током в реальной цепи используют: измерители разности фаз; так называемый метод вольтметра-амперметра-ваттметра, при котором угол  определяют из уравнения = arccos(Р/UI), где Р  показание ваттметра, а также методы, основанные на измерении временного интервала

---

t при помощи электронно-лучевого осциллографа.

Временной интервал

t =  / =  / 2f

п
ропорционален фазовому сдви­­гу между синусоидальным напряжением и то­ком в неразветвлённой цепи (рис. 1.3, а) и обратно пропорционален угловой частоте напряжения (тока).

При этом фазовый угол (в градусах) определяют по формуле

 = 360t/Т,

где T = l/f  период изменения напря­жения в секундах (с); f  ча­­­с­тота пита­ющего цепь напряжения в герцах (Гц).

Временной интервал t = T2 – T1 обычно измеряют между нулевыми значени­ями осциллограмм напряжения и тока с помощью визирных линий (визиров), расположенных слева и справа от экрана ос­цил­лографа (рис. 1.3, а). Угол j берется со знаком "плюс", если ток отстаёт по фазе от напряжения (см. рис. 1.3, а), и со знаком "минус", если ток опережает по фазе напряжение.

Установка чувствительности ка­налов А (Channel A) и В (Channel B) и развертки осциллограмм во времени (Time base) производится в окне, выводимом ниже поля осциллограмм (см. рис. 1.3, а).

При моделировании схем цепей на рабочем поле программной среды MS10 и их анализе для измерения угла сдвига фаз в цепях переменного тока наряду с осциллографом будем использовать также виртуальный ваттметр XWM1 (рис. 1.3, в), размещённый в библиотеке Instruments. Ваттметр непосредственно измеряет активную мо­щность Р цепи (ветви) в ваттах и коэффициент мощности cos (Power Factor).

УЧЕБНЫЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

Задание 1. Изучить краткую инструкцию (см. Приложение 2) работы с программной средой NI Multisim 10 (MS10), а также мультимедийные кадры, размещенные в меню пользовательского интерфейса комплекса Labworks. С этой целью щелкните мышью на кнопках Помощь/Первые шаги в MS10 ме­ню и просмотрите демонстрационные кадры с объяснениями, как открыть биб­лиотеку компонентов Basic, "перетащить" мышью компоненты на рабочее поле среды

---

Смотрите также файлы

• Контрольная работа 3 по теме Металлы Вариант 1 (Черняк, Таранцов, Крыгина, Солодун, Волощенко, Иванов, Бондаренко М., Кулько).docx

• Анаболические стероиды.pptx

• Доброкачественная гиперплазия предстательной железы Второе сердце мужчины.ppt

• Автодидактичность это Выберите один ответ.docx

• Практическая работа 3 Тема связанные таблицы. Расчет промежуточных итогов в таблицах ms excel цель занятия.docx