Файл: Метрология 1 лаба.doc

Общими функциональными узлами для электронных вольтметров и амперметров являются делители напряжения (ДН) или шунты (Ш), усилители постоянного (У₌) или переменного (У_~) напряжения, преобразователи средневыпрямленного (ПСВЗ), среднеквадратического (ПСКЗ) и амплитудного (ПАЗ) значения.

Структурные основные схемы приборов приведены на рис. 2.

В состав вольтметров постоянного напряжения входят ДН (см. рис.5), У₌, при этом выходной частью аналогового вольтметра является микроамперметр магнитоэлектрической системы (рис.3), а в цифровых вольтметрах – АЦП и ЦПУ (рис. 4). Нижний предел измерения зависят от свойств усилителя постоянного напряжения. В аналоговых вольтметрах погрешность измерения в основном определяется классом точности микроамперметра, а в цифровых – погрешностями АЦП.

Необходимо отметить, что при измерении среднего значения сигнала максимальное значение этого сигнала не должно превышать предел измерения прибора, так как в противном случае работа усилителя выйдет за пределы линейного участка амплитудной характеристики, что приведет к искажению сигнала и показания прибора. При использовании цифровых вольтметров для измерения среднего значения помимо указанного обстоятельства необходимо учитывать и принцип действия АЦП.

В вольтметрах переменного напряжения используются ПСВЗ, ПСКЗ и

ПАЗ, выходные постоянные напряжения которых пропорциональны соответствующим значениям переменного напряжения (рис.2,б, в). Эти вольтметры также могут исполняться в виде аналоговых и цифровых приборов. Вольтметры по структуре рис. 2,б отличаются высокой чувствительностью и сравнительно небольшим частотным диапазоном (см. данные табл.2). При использовании ПСВЗ по схеме рис. 6,а практически исключается нелинейность шкалы из-за нелинейных вольтамперных характеристик диодов. В этом случае благодаря введению отрицательной обратной связи по току имеем при градуировке прибора в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения (ср. с (7))

I_свз = =U/ k_ф R_ос,

---

т.е. функция преобразования ПСВЗ не зависит от сопротивлений диодов и микроамперметра. Форма сигнала влияет на показания прибора при использовании в его составе ПСВЗ, тогда как при использовании ПСКЗ влияние формы сигнала исключается (существенно ослабляется), если спектр сигнала соответствует частотному диапазону прибора.

В схеме вольтметра (рис. 2,в) используется ПАЗ (рис.6,б). При подаче на его вход синусоидального напряжения на частотах больше 20 - 40 Гц конденсатор C заряжается до амплитуды сигнала (см. рис. 6,в) U_вых = Uk_а.

Технические данные электронных вольтметров Таблица 2

Тип прибора	Основные характеристики	Аналоговый вариант	Цифровой вариант
Электронные вольтметры постоянного напряжения (рис.2,а)	Пределы измерения по напряжению	от 100 мВ – до 1000 В
	Входное сопротивление	(1 – 10) МОм
	Классы точности	1,5 – 4,0	0.05/0,02- 0,5/0,2
Электронные вольтметры переменного напряжения (рис. 2,б)	Пределы измерения по напряжению	от 1 мВ – до 1000 В
	Входные сопротивление и емкость	(1 – 10) МОм; (30 – 50) пФ
	Частотный диапазон	45 Гц – (5-10) МГц
	Классы точности	1,5 – 4,0	0.05/0,02- 0,5/0,2
Электронные вольтметры переменного напряжения (рис. 2,в)	Пределы измерения по напряжению	от 0,5 В – до 100В
	Входные сопротивление и емкость	(1 – 10) МОм; (30 – 50) пФ
	Частотный диапазон	45 Гц – 1000 МГц
	Классы точности	2,5 – 25,0	1,0/0,5 – 2,0/1,0

---

Благодаря простоте схемы ПАЗ и исполнению его в качестве выносного пробника вольтметр позволяет измерять напряжение в широком частотном диапазоне (см. табл.2). Показания вольтметров с ПАЗ, отградуированного в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала зависят от формы сигнала.

Электронные амперметры представляют сочетание шунта и вольтметра постоянного или переменного напряжения В_ (рис.2,г и рис. 6), причем вольтметр может быть как аналоговым, так и цифровым (см. табл.3).

Технические данные электронных амперметров Таблица 3

Характеристики приборов при измерении постоянных и переменных токов	Аналоговый вариант	Цифровой вариант
Диапазон измерения	от 10 мкА– до10 А
Сопротивление амперметров	0,01Ом – 1кОм
Классы точности	2.5 – 4,0	0,02 /0,01- 0,5/0,1

Электронные омметры. Омметры предназначаются для измерения активных сопротивлений на постоянном токе. На рис. 7,а представлена схема аналогового электронного омметра. Измеряемое сопротивление R_x включается последовательно в цепь, состоящую из источника напряжения E и известного сопротивления R_о, напряжение с которого поступает на вход аналогового вольтметра постоянного напряжения В₌,

а

б

U_вх = ER_о/(R_о+R_x) ≈ ER_о/R_x,

Рис.7. Структурные схемы омметров: аналогового(а) и цифрового (б)

так как обычно R_x значительно больше R_о. Таким образом, шкала такого омметра неравномерна (гиперболическая шкала).

Многие цифровые омметры имеют структуру, близкую к приведенной на рис. 7,б. Как и в предыдущей схеме, измеряемое сопротивление R_x и известное сопротивление R_o включены последовательно с источником напряжения Е. Код (число) N_x, вырабатываемый АЦП (например, АЦП с двухтактным интегрированием [3]), связан с напряжениями на сопротивлениях R_x и R_o соотношением

---

N_x= К_АЦП U_Rx /U_Ro,

здесь К_АЦП - коэффициент преобразования АЦП.

Так как эти напряжения создаются протеканием по сопротивлениям одного и того же тока, то

N_x = К_АЦП R_x / R_o.

Такие омметры имеют линейную шкалу, а использование четырех проводной линии связи позволяет практически исключить влияние r_лс на результат измерения сопротивления. Технические данные электронных омметров приведены в табл. 4.

Технические данные электронных омметров Таблица 4

Характеристики приборов	Аналоговый вариант	Цифровой вариант
Диапазон измерения	100 Ом- 10 МОм	10 Ом – 20 МОм
Классы точности	2.5 – 4,0	0,02 /0,01- 0,5/0,1

3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРОВ

Погрешность измерения физической величины определяется суммой инструментальной погрешности используемого средства измерения, погрешностью отсчитывания (для аналоговых приборов) и методической погрешностью.

Расчет инструментальной погрешности производится в соответствии с классом точности средства измерения.

Класс точности прибора – обобщённая метрологическая характеристика средств измерений, определяющая допускаемые пределы основной и дополнительных погрешностей, а также некоторые другие характеристики средств измерений.

Основная погрешность соответствует нормальным условиям измерений, которые устанавливаются в нормативных документах на средства измерений конкретного типа и характеризуются совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости.

Дополнительные погрешностинормируют для рабочих условий измерений, когдазначения влияющих величин находятся в пределах установленных рабочих областей.

Основные сведения по обозначению классов точности и формам выражения погрешностей приведены в табл. 5. В Российской Федерации кассы точности для электроизмерительных приборов устанавливаются в форме приведенной (два варианта) или относительной (два варианта) погрешностей.

---

Численные значения пределов допускаемых погрешностей устанавливаются нормируемым рядом чисел:

(1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6)10 ⁿ , где n =1; 0; -1; -2 и т.д.

Числа этого ряда используются также для обозначения классов точности. В таблице приведены примеры обозначения классов точности.

Пределы основной погрешности определяет класс точности.

Обозначеие класса точности	Форма выражения погрешности	Пределы основной погрешности, %	Расчет других погрешностей, связанных с основной	Обозначения
1,0 1)	, [%]	нп,о= –1,вп,о= +1	 = ХN10-2  = ХN/Хизм	 = Хизм-Хд- абсолютная погреш-ность; Хизм-измеренное значение; Хд- действительное значение3); ХN – нормирующее значение3);  - относительная погрешность;  - приведенная погрешность; Lшк–длина шкалы в мм; lшк – абсолютная погрешность в мм; mшк – масштаб шкалы в точке отсчета (един.изм./мм); изм– абсолютная погрешность измерения в единицах измеряемой величины
1,0 2) 	,[%]	нп,о= –1,вп,о= +1	lшк=Lшк10-2 изм =lшк mшк
	[%]	 нп,о= –0,05, нп,о= +0,5	=Хизм10-2
0,2 / 0,1	,[%]	нп,о=–[0,2+0,1], вп,о=+[0,2+0,1]	 = [Xкd+(c–d)Хизм]10-2 или = Хизм10-2

---