Вольтметрами различных типов

1. Цель работы: Изучить устройство, принцип действия и технические показатели вольтметров различных типов, а также порядок пользо­вания ими. Научиться измерять и определять параметры переменного синусоидального и выпрямленного напряжения (амплитуду, среднеквадратичное и средневыпрямленное значения).

2. Вопросы для подготовки к работе

2.1. Какая связь существует между параметрами синусоидального напряжения?

2.2. Пояснить методику пользования электронными и цифровыми вольтметрами.

2.3. Каким образом оцениваются погрешности цифровых приборов?

2.4. Как по известному классу точности прибора определить максимально допустимую абсолютную погрешность прибора?

3. Литература

3.1. Тартаковский Д.Ф., Ястребов А.С. Стандартизация, сертификация и технические средства измерения, 2001.- С. 101-109.

3.2. Кравцов А.В. Метрология и электрические измерения. - М: Колос, 1999.-

С. 74-82, 92-93, 115-119.

6.6. Электрические измерения: учебник для вузов / Под ред. А.В. Фремке.-Л: Энергия, 1980. С.103-117, 245-246.

6.7. Электрические измерения / Под ред. В.Н. Малиновского. -М.: Энергоатомиздат, 1982. С.179-199, 219-230.

4. Описание лабораторной установки

В работе измеряется выходное напряжение генератора Г3-33, а также напряжение на выходе однополупериодного выпрямителя с помощью прибора электроднамической системы PV1, комбинированного переносного прибора PV2, электронного вольтметра В3-2А-PV3, цифрового вольтметра В7-16А-PV4 и электронного осциллографа С1-166 -PV5 (рис. 12.1, 12.2).

5. Задание

А. Выполняется при подготовке к работе

5.1. Начертить исследуемые схемы и таблицы 12.1, 12.2.

5.2. Повторить методику измерения напряжения с помощью осциллографа.

В. Выполняется в лаборатории

5.3. Записать паспортные данные используемых приборов в табл. 12.1.

Таблица 1

Наименование прибора	Система прибора	Тип прибора	Вид измеряемых величин	Пределы измерения	Класс точности	Цена деления	Заводской номер

5.4. Измерение синусоидального напряжения

5.4.1. Установить по вольтметру генератора выходное напряжение частотой .

5.4.2. Подключить выход генератора к осциллографу и измерить по осциллограмме амплитудное , действующее и средневыпрямленное значения напряжения.

5.4.3. Не меняя значения выходного напряжения генератора, измерить его вольтметрами PV1, PV2, PV3, PV4, записать результаты в таблицу 12.22.

5.4.4. Установить частоту выходного напряжения генератора и, контролируя по осциллографу амплитуду напряжения генератора на прежнем уровне, измерить напряжение вольтметрами PV1, PV2, PV3, PV4. Результаты записать в таблицу 12.2.

5.4.5. Установить прежнее значение частоты , уменьшить выходное напряжение и повторить измерения, записав результаты в таблицу 12.2.

5.5. Измерение несинусоидального напряжения

5.5.1. Включить на выход генератора однополупериодный выпрямитель (рис. 12.2), установить и частоту .

5.5.2. Измерить с помощью осциллографа параметры выпрямленного напряжения.

5.5.3. Измерить с помощью вольтметров PV1, PV2, PV3, PV4 напряжение с выхода выпрямителя, записав результаты в таблицу 12.2.

5.6. Анализ результатов измерений

5.6.1. Сравнить результаты измерений напряжения на низких и повышенных частотах, а также при больших и малых напряжениях.

5.6.2. Определить абсолютные и относительные погрешности измерений, приняв в качестве образцового прибора цифровой вольтметр PV4. Результаты записать в таблицу 12.2.

5.6.3. По результатам измерений рассчитать амплитудное и средневыпрямленное значения напряжений, пользуясь известными значениями коэффициентов амплитуды и формы для синусоидального напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя (см. п. 8).

5.6.4. Сравнить абсолютные и относительные погрешности измерений со значениями, указанными в технических характеристиках применяемых приборов.

6. Методические указания к выполнению работы

6.1. Необходимо правильно соединить выходные клеммы (зажимы) вольтметров с источником измеряемого напряжения (генератором). Сначала к источнику измеряемого напряжения (к клемме ┴) один зажим вольтметра, имеющий маркировку (┴), или клемму с маркировкой (─) для щитового и комбинированного приборов, а затем сигнальный вход вольтметра.

6.2. Измерительные приборы, кроме осциллографа и цифрового вольтметра, подключать к выходу генератора отдельно, а не все вместе параллельно.

6.3. С целью упрощения расчетов удобно начинать измерения цифровым вольтметром, устанавливая выходное напряжение генератора равным круглому числу (например: 5В, 0,4В).

ТИП	Показания прибора	Расчетные значения	Режимы измерения
		Абсолютная погрешность	Относительная погрешность
В	В	В	В	%
1. PV1 2. PV2 3. PV3 4. PV4 5. PV5 6. PV6
1. PV1 2. PV2 3. PV3 4. PV4 5. PV5 6. PV6
1. PV1 2. PV2 3. PV3 4. PV4 5. PV5 6. PV6
1. PV1 2. PV2 3. PV3 4. PV4 5. PV5 6. PV6

7. Содержание отчета

В отчете должны быть указаны:

7.1. Паспортные данные применяемых приборов, сведенные в таблицу 1.

7.2. Схемы (рис. 1,2) и таблица 2 с результатами измерений.

7.3. Основные расчетные соотношения.

7.4. Выводы, включающие сравнительный анализ полученных результатов измерения по п. 5.

8. Краткие сведения из теории

Как известно, напряжение переменного тока характеризуется следующими значениями:

- среднее значение равно среднему арифметическому всех мгновенных значений за период (часто называют постоянной составляющей)

(12.1)

- амплитудное (пиковое) значение – наибольшее мгновенное значение сигнала за период;

- среднеквадратическое (действующее ) значение находят как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений

(12.2)

- средневыпрямленное значение определяют как среднее арифметическое абсолютных мгновенных (взятых по модулю) значений за период

(12.3)

Указанные значения напряжения связаны между собой коэффициентами амплитуды

(12.4)

и формы кривой напряжения

(12.5)

Коэффициенты амплитуды и формы для соответствующих напряжений равны:

- синусоидального ;

- на выходе однополупериодного выпрямителя ;

- двухполупериодного выпрямителя .

Структурная схема измерения переменного напряжения с применением различных преобразователей изображена на рис. 12.3. Измеряемое переменное напряжение U(t) преобразуется с помощью нелинейного элемента (детектора) UZI в пропорциональное ему постоянное напряжение.

Постоянная составляющая усиливается с помощью усилителя постоянного тока AI (если сигнал слабый) и измеряется вольтметром постоянного тока PVI, например, магнитоэлектрической системы. Шкала индикаторного прибора PVI градуируется, как правило, в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. В некоторых типах вольтметров усилитель А1 может отсутствовать.

В зависимости от характеристики преобразования переменного напряжения в постоянное, вольтметры можно разделить на измеряющие средневыпрямленное, среднеквадратическое и амплитудное значения напряжения, хотя шкалу приборов в большинстве случаев градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях синусоидального напряжения.

У вольтметров средневыпрямленного значения в качестве преобразователя UZ1 используются диоды, имеющие нелинейную вольт-амперную характеристику и включенные в одно- или двухполупериодную схему. В простейших радиоизмерительных приборах (тестерах) Ц20, Ц4315 и др. применена однополупериодная схема выпрямителя. Из-за нелинейности вольт-амперных характеристик диодов при малых значениях переменных напряжений (0…0,3В) шкала вольтметров в начальной части (0…15%) неравномерная.

При измерении напряжения несинусоидальной формы средневыпрямленное значение этого напряжения:

, (12.6)

среднеквадратическое (действующее) значение

, (12.7)

где: – показания вольтметра, В; – коэффициент формы синусоиды, – коэффициент формы измеряемого напряжения.

Частотный диапазон таких вольтметров достигает сотен кГц и ограничивается только частотными свойствами диодов.

Для повышения чувствительности вольтметров при измерении малых напряжений используются электронные вольтметры (рис. 12.4). Измеряемое напряжение подается на вход катодного повторителя AI, назначение которого обеспечить большое входное сопротивление прибора. Выбор предела измерения осуществляется с помощью делителя напряжения UZI, включенного между двумя усилителями переменного напряжения А2 и А3. В качестве преобразователя переменного напряжения в постоянный ток, протекающий по рамке магнитоэлектрического амперметра PA1, используется двухполупериодный выпрямитель UZ2. По схеме, аналогичной приведенной, построено много электронных вольтметров: ВЗ-2А, ВЗ-38 и др., имеющих нижний предел измеряемых напряжений десятки микровольт.

Вольтметры среднеквадратичных действующих значений имеют преобразователь переменного напряжения с квадратичной характеристикой . В качестве такого преобразователя используют термопреобразователи, квадратирующие устройства с кусочно-линейной ампроксимацией параболы и др. При этом вольтметр выполнен обычно по структурной схеме (рис. 12.4). Независимо от формы кривой измеряемого напряжения отклонение указателя измеряемого механизма пропорционально квадрату действующего значения измеряемого напряжения , то есть прибор имеет квадратичную шкалу. Операцию интегрирования по формуле (2) выполняет магнитоэлектрический механизм PAI, а извлечение корня осуществляется при градуировке шкалы. Для получения равномерной шкалы требуются более сложные преобразователи.

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым или закрытым входами. В первом случае преобразователь пропускает постоянную составляющую измеряемого напряжения, во втором не пропускает. Угол отклонения указателя измерительного механизма пропорционален максимальному значению напряжения .

Поскольку шкала вольтметров градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения, то при измерении напряжений другой формы необходимо делать соответствующий перерасчет, если известен коэффициент амплитуды измеряемого напряжения. Амплитудное значение измеряемого напряжения несинусоидальной формы:

, (12.8)

где: – коэффициент амплитуды синусоиды; – значение напряжения, отсчитанное по шкале прибора.

Действующее значение измеряемого напряжения:

, (12.9)

где: – коэффициент амплитуды измеряемого напряжения.

В цифровых вольтметрах с время-импульсным преобразователем, к которым относится и исследуемый в работе прибор В7-16А, измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное линейным детектором (среднеквадратичного значения), затем постоянное напряжение преобразуется в интервал времени, заполняемый счетными импульсами стабильной частоты. Число импульсов, считанное счетчиком измерителя, в течение этого интервала времени пропорционально измеряемому напряжению. Устроство цифрового отсчета показывает непосредственно измеренное значение напряжения.

Для цифровых вольтметров предельное значение допускаемой относительной основной погрешности, выраженной в процентах, определяется выражением

(12.10)

где: – конечное значение установленного предела измерения, – значение измеряемого напряжения(показания прибора), с и d – постоянные коэффициенты, характеризующие класс точности прибора, причем .

Первое слагаемое определяет погрешность измерения при больших значениях напряжения на выбранном диапазоне измерения, а второе при малых. Класс точности цифровых приборов обозначают в виде двух чисел с и d, разделенных косой чертой: с/d. Для вольтметра В7-16А класс точности записывается в виде 0,5/0,05. По этим числам легко найти наибольшую относительную погрешность из выражения (12.10).

9. Контрольные вопросы

9.1. Объясните принцип действия вольтметров средневыпрямленного значения.

9.2. Объясните принцип действия вольтметров среднеквадратичного значения.

9.3. Объяснить принцип действия пиковых детекторов с открытым и закрытым входами.

9.4. Объясните принцип действия электронных вольтметров.

9.5. Объясните принцип действия цифровых вольтметров время-импульсного преобразования.

9.6. Объясните результаты, полученные в табл. 2.

9.7. Объясните результат измерения малого напряжения комбинированным прибором.

9.8. Поясните преимущества цифровых приборов.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………………3

Лабораторная работа № 7. Измерение индуктивности и емкости……. ……..4

Лабораторная работа № 8. Измерение активной и реактивной мощности

в цепях трехфазного тока. ………………..…….12

Лабораторная работа № 9. Измерение мощности и энергии с применением

измерительных трансформаторов тока………....19

Лабораторная работа № 10. Поверка однофазного индукционного счетчика электрической энергии …………………………24

Лабораторная работа № 11. Измерение температуры неуравновешенным

мостом…………………………………………….31

Лабораторная работа № 12. Измерение переменного напряжения вольт-

метрами различных типов………………………38

Учебное издание

Покоев Петр Николаевич

Белова Галина Михайловна

Юран Сергей Иосифович

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ

Часть 2

Методические указания к лабораторным работам

Публикуется в авторской редакции

Сдано в набор 21.12.05г. Подписано в печать 22.12.05 г.

Формат 60х84¹/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman.

Усл.печ. л. 2,1. Уч.-изд. л. –2,8. Тираж 125 экз. Заказ №____

ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 11