Файл: Метрология 1 лаба.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

__________________________

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

В.Ю.КОНЧАЛОВСКИЙ, В.Ф.СЕМЕНОВ, А.Н.СЕРОВ

Измерение напряжений, токов и сопротивлений

Лабораторная работа № 1

Методическое пособие

по курсу

«Метрология, стандартизация и сертификация»

для студентов, обучающихся по направлениям «Электроэнергетика»,

«Электротехника, электромеханика и электротехнологии»,

«Информатика и вычислительная техника»

Москва Издательский дом МЭИ 2010

УДК

621.317

К652

Утверждено учебным управлением мэи (ту) Подготовлено на кафедре информационно-измерительной техники

Рецензенты: доцент кафедры ВТ МЭИ (ТУ) М.А.Пирогова,

профессор кафедры ММ МЭИ (ТУ) А.Б. Фролов

Кончаловский В.Ю.

К:652 Измерение напряжений, токов и сопротивлений. Лабораторная работа №1/

В.Ю. Кончаловский, В.Ф.Семенов, А.Н Серов. М.: Издательский дом МЭИ,

2010. – 20с.

В методическом пособии рассмотрены принципы действия аналоговых и цифровых приборов для проведения прямых измерений напряжений токов и сопротивлений. Приведены их основные метрологические характеристики. Приведены методы расчета погрешностей измерения этих величин.

Методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Электроэнергетика», «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», «Информатика и вычислительная техника»

_____________________

Учебное издание

КончаловскийВадим Юрьевич

Семенов Вячеслав Федорович

Серов Андрей Николаевич

---

Редактор издательства Н.А. Хрущева_____________________________________

Темплан издания МЭИ 2008, метод Подписано в печать

Формат 60´84/16 Печать офсетная Физ.печ. л.1,25

Тираж 250 Изд. № 9 Заказ_____________________

ЗАО «Издательский дом МЭИ» , 111250, Москва, Красноказарменная, д. 14

Отпечатано в типографии ФГУП «НИИ «Геодезия»»,141292, Московская обл.,

г. Красноармейск, пр-т Испытателей, д. 14

• Московский энергетический институт

(технический университет), 2010

Введение Прямые измерения напряжений, токов и сопротивлений являются наиболее часто встречающимися в практике проведения измерений. Эти измерения осуществляются вольтметрами, амперметрами и омметрами.

Цель данной работы — изучение основных свойств и характеристик перечисленных приборов различ­ных систем для приобретения навыков их выбора в кон­кретных условиях измерения, а также основ расчета погрешностей измерения.

1. СОСТАВ СТЕНДА

В работе используются следующие приборы:

1.В7-36 - аналоговый многопредельный мультиметр, предназначенный для измерения постоянного и переменного напряжения, электрического сопротивления.

2. В7-58 - цифровой многопредельный мультиметр, предназначенный для измерения постоянного и переменного напряжения и тока, электрического сопротивления.

3. В3-38 (или В3-39) - аналоговый многопредельный вольтметр, предназначенный для измерения переменного напряжения.

4. GVT-417B - аналоговый многопредельный вольтметр, предназначенный для измерения переменного напряжения.

5. Э390А - щитовой узкопрофильный аналоговый электромеханический вольтметр для измерения переменного напряжения.

6. Генератор Г3-109 - генератор синусоидальных сигналов в диапазоне частот 20 Гц -200 кГц.

7. Группа зажимов: 1 -0, ………, 8 – 0. К этим зажимам выведены сигналы различного уровня, частоты и формы. Уровни сигналов и выходные сопротивления источников сигналов указаны ориентировочно.

2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И СХЕМЫ ПРИБОРОВ

По реализации измерительные приборы делятся на электромеханические и электронные.

---

Электромеханические приборы. Среди электромеханических можно выделить:магнитоэлектрические, электромагнитные, элек­тродинамические [1] и др. Показания большинства этих приборов пропорциональны току, т.е. по принципу действия они являются амперметрами. Введение в их схему добавочных сопротивлений дает возможность измерять напряжения.

Магнито­электрические приборы по принципу действия пред­назначены для измерения только постоянного тока или напряжения и имеют равномерную шкалу. Если же подать на зажимы прибора перио­дический ток (напряжение) любой формы, частота которого не меньше, чем 10—20 Гц, то из-за инерционности подвижной части магнитоэлектрического механизма он будет усреднять этот ток (напряжение), т. е. его показание будет пропорционально среднему значению (постоянной составляющей) тока (напряжения):

U_ср=, (1)

где T=1/f—период сигнала. Следовательно, при подаче сину­соидального тока (напряжения) показа­ние будет нулевым. При форме сигнала отличного от синусоиды среднее значение можно найти, подставив в (1) конкретное анали­тическое выражение сигнала и взяв ин­теграл. Например, на­пряжение u(t), представляющее собой положительные импульсы прямоугольной формы, характеризу­ется тремя параметрами (рис. 1): максимальным значением U_m , длительностью импульса t_и и периодом T . Применяя формулу (1) к такому напряжению, получим

U_ср = U_m t_и / T . (2)

Рис.1. Параметры прямоугольных импульсов

Следует заметить, что магнитоэлектрические приборы благодаря механической инерционности позволяют измерять среднее значение сигнала даже в случаях, когда максимальное значение сигнала значительно превышает предел измерения прибора.

Однако при измерении синусоидального тока показание прибора не бу­дет нулевым, если этот ток (напряжение) сначала выпрямить, что использу­ется в выпрямительных приборах. В этом случае их показания пропорциональны средневыпрямленному значению I_свз

---

I_свз = . (3)

Для синусоидального тока при двухполупериодном выпрямлении

I_свз = 2 I_m /π . (4)

Показания электромагнитных и электродинамических приборов пропорциональны квадрату тока (напряжения) и поэтому в прин­ципе могут измерять как постоянный, так и периодический ток (напряже­ние) любой формы, но обычно для измерения постоянного тока не применяются, так

как уступают в этом магнитоэлектриче­ским. Таким образом, при измерении этими приборами периодического тока (на­пряжения) их показания соответствуют среднеквадратическим (действующим) значениям независимо от его формы при условии, что все его гармоники попадают в частотный диапазон прибора,

. (5)

Шкалы большинства приборов, предназначенных для измерения пе­риодических сигналов, градуируют именно в среднеквадратических значениях синусоидальной формы сигнала.

Из (5) следует, что для синусоидального сигнала

I = I_m / = I_m /k_а, (6)

здесь k_а = I_m/ I – коэффициент амплитуды, зависящий от формы сигнала.

В свою очередь в выпрямительных приборах при двухполупериодном выпрямлении синусоидального тока значение I_свз связано с I соотношением

I_свз = 2 I /π = I/ k _ф, (7)

здесь k _ф= I/I_свз= 1,11 - коэффициент формы (зависит от формы сигнала).

Шкалы выпрямительных приборов не совсем равномерные из-за нелинейности вольтамперных характеристик диодов. Шкалы электромагнитных и электродинамических приборов также неравномерны, поскольку их показания пропорциональны квадрату тока (напряжения). Поэтому начальные участки их шкал иногда оставляют без делений, т. е. не градуируют. Отсюда два понятия: «диапазон показаний», т. е. вся шкала и «диапазон измерений» (его границы отмечают на шкале точками).

---

В табл. 1 приведены ориентировочные данные некоторых типов электромеханических приборов (метрологические и другие общие характеристики рассматриваются в разделе 3).

Электронные вольтметры и амперметры. В состав этих приборов входят электронные измерительные преобразователи (ЭИП) и в зависимости от состава используемых преобразователей электронные приборы делят на аналоговые и цифровые.

Аналоговые электронные приборы как отличительную часть содержат показывающее устройство (ПУ) в виде магнитоэлектрического микроамперметра, а в состав цифровых электронных приборов (ЦП) входят аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое показывающее устройство (ЦПУ). АЦП является измерительным преобразователем, преобразующим непрерывное, т.е. могущим принимать бесчисленное число значений, напряжение в код (цифру). Число значений, получаемых на выходе АЦП и отражаемое ЦПУ, является ограниченным. В связи с этим возникает характерная для ЦП так называемая погрешность квантования, определяемая ценой единицы младшего разряда (ЕМР) цифрового отсчета.

Технические данные электромеханических приборов Таблица 1

Тип прибора	Основные технические данные
Магнитоэлек-трические приборы	Пределы измерения по току: от 0,1 мкА – до 10 А; Пределы измерения по напряжению: от 50 мВ – до 1000 В; Сопротивление амперметров: 10 Ом – 1000 Ом; Входное сопротивление вольтметров: 50 Ом/В – 20 кОм/В; Классы точности: 0,1 – 4,0
Выпрямитель- ные приборы	Пределы измерения по току: от 100 мкА – до 10 А; Пределы измерения по напряжению: от 0,3В – до 1000В; Сопротивление амперметров: 10 Ом – 1000 Ом; Входное сопротивление вольтметров: 200 Ом/В – 10 кОм/В; Частотный диапазон: 20Гц – 50 кГц; Классы точности: 1,5 – 4,0.
Электромагнитные приборы	Пределы измерения по току: от 10 мА – до 500А; Пределы измерения по напряжению: от 10В – до600 В; Сопротивление амперметров: 0,10 Ом – 10 Ом; Входное сопротивление вольтметров: 20 Ом/В – 100 Ом/В; Частотный диапазон амперметров: 20Гц – 5 кГц; Частотный диапазон вольтметров: 20 Гц – 500 Гц; Классы точности: 0,5– 4,0.

---