Проектирование амперметра постоянного тока

Выбрать шкалы и определить:

· С каким минимальным внутренним сопротивлением цепи должен работать амперметр на каждой шкале для заданной приведенной погрешности 2%?

· Какие должны быть шунты для выбранных шкал тока?

· Какие будут множители для шкал амперметра?

· Какое будет входное сопротивление прибора на разных шкалах амперметра?

Проектирование вольтметра постоянного напряжения

Выбрать шкалы и определить:

· С каким максимальным внутренним сопротивлением цепи должен работать вольтметр на каждой шкале для заданной приведенной погрешности 1%?

· Какие нужны добавочные сопротивления для шкал напряжения?

· Какие будут множители для шкал вольтметра?

· Какое будет входное сопротивление прибора на разных шкалах вольтметра?

Оценка погрешностей измерения

Оценить погрешности прямых измерений:

· Какова структура и величина суммарной погрешности измерения тока в цепи заданного делителя?

· Какова структура и величина суммарной погрешности измерения напряжения в цепи заданного делителя?

Оценить погрешности косвенных измерений:

· Какова структура и величина суммарной погрешности измерения коэффициента деления?

· Какова структура и величина суммарной погрешности измерения мощности на выходе делителя?

Проектирование омметра

· Какое следует выбрать напряжение питания (из ряда 1,5; 3,0; 6,0; 12,0; 24,0; 48,0 В)?

· Как будет выглядеть шкала омметра?

Калибровка мультиметра

· Каковы требования к средствам калибровки мультиметра?

· Какова методика калибровки?

Примечания:

· Нарисовать схему (схемы) и шкалы мультиметра.

· Оформить ПЗ на листах А4.

 

Резистивный делитель

А) Без включения амперметра и вольтметра (см. рис.1)

I=U_ВХ/(R1+R2)

К_ДЕЛ= R2/(R1+R2)= U_ВЫХ /U_ВХ

U_ВХ= U_R1 +U_R2

_ВЫХ =U_R2 = U_ВХК_ДЕЛ=U_ВХR2/(R1+R2)

R1

Вход R2 Выход

U_ВХ U_ВЫХ

Рис. 1

В) При одновременном включении амперметра и вольтметра (см. рис.2)

R1*=(R1+R_А)

R2*=R_VR2/(R_V+R2)

I*=U_ВХ/(R1*+R2*)

U*_ВЫХ =U_ВХR2*/(R1*+R2*)

К*_ДЕЛ= R2*/(R1*+R2*)=U*_ВЫХ /U_ВХ

Амперметр

R1 Вольтметр

R2

Рис. 2

Приборы с преобразователями

4.1. Использование шунта в схеме измерителя тока (см. рис. 3)

Рис. 3

 

Шунт ответвляет заданную часть тока (I_Ш), увеличивая предел измерения. Коэффициент шунтирования (отношение полного тока I_С к току прибора I _П) выбирается целым (2, 5, 10... 100).) для удобного считывания показаний:

Значение сопротивления шунта вычисляется по формуле

Входное сопротивление прибора с шунтом равно R_П / n, т.е. оно уменьшается в n раз, что хорошо для измерителей тока.

4.2. Использование добавочного сопротивления в вольтметрах (см. рис. 4)

Рис. 4

 

Добавочное сопротивление делит входное напряжение в вольтметрах.

Коэффициент деления (отношение полного напряжения U_С к напряжению прибора U _П) выбирается целым удобным для считывания показаний:

Добавочное сопротивление повышает внутреннее сопротивление (это важно для измерителей напряжения) и увеличивает предел шкалы измерения напряжения. Если надо увеличить предел в m раз, то добавочное сопротивление:

Входное сопротивление прибора с добавочным сопротивлением равно mR_П, т.е. оно увеличивается в m раз.

Многопредельный вольтметр

Схема многопредельного вольтметра постоянного напряжения приведена на рис. 5, а переменного – на рис. 6.

 

Рис. 5

Рис. 6

 

Омметр

Измеритель сопротивления использует дополнительный источник питания, включаемый последовательно с прибором (см. рис. 7).

Пусть электромеханический прибор имеет внутреннее сопротивление R_П =1кОм и предел шкалы 1мА. При включении батареи U_Б=1В будет полное отклонение стрелки (1В/1кОм=1мА).

Если разорвать цепь и включить в нее дополнительное сопротивление R_х =1кОм, то стрелка остановиться в точке I=0.5 мА, т.е. в центре шкалы. Тогда точка 1мА будет соответствовать 0 Ом, а 0.5 мА – 1 кОм (см. рис. 8).

 

 

Рис. 7

Имея внешний источник напряжения можно проградуировать новую шкалу в единицах сопротивления, но она будет нелинейной, так как ток в цепи

I=U_Б/(R_П+R_X).

Откуда

R_X= (U_Б/I) - R_П.

Тогда для тока 0.25 мА получим R_X=3 кОм, а для тока 0.75 мА получим R_X=0.33 кОм и т.д. Комбинируя добавочные сопротивления и шунты можно построить многопредельные омметры (см. рис. 9).

 

Рис. 8

 

 

Рис. 9

Погрешности СИ

Погрешностью измерения называют отклонение результата измерения от истинного (идеального) значения измеряемой величины. Поскольку истинное значение величины неиз­вестно, то вместо истинного зна­чения используют действительное, за которое принимают показание эталона или образцового СИ.

В метрологической практике при проведении измерений учитывают ряд факторов, влияющих на резуль­тат измерения: объект и субъект измерения, метод, сред­ство и условия измерения.

Объект измерения должен быть независим от влияния внешних помех (природные процессы, индуст­риальные помехи и т. п.), он не должен обладать внутренними помехами (работа самого объекта измерения).

Субъект измерения, т. е. оператор, привносит в резуль­тат «личностный» фактор, элемент субъективиз­ма, который зависит от его квалификации, санитарно-ги­гиенических условий, психо-эмоционального и физиологического состо­яния субъекта, эргономических характеристик рабочего места.

Метод измерения. Очень часто измерение одной и той же величины постоянного размера разными методами дает раз­личные результаты, причем каждый из них имеет свои не­достатки и достоинства. Искусство оператора состоит и том, чтобы соответствующими способами исключить или учесть факторы, искажающие результаты.

Влияние СИ на измеряемую величину во многих случаях проявляется как возмущающий фактор, например, внутрен­ние шумы. Неправильные показания СИ могут быть результатом дефекта изготовления отдельных его частей.

Другим фактором является инерционность СИ, не успевающего отреагировать на изменение сигнала. При этом некоторые СИ дают постоянно завышенные или постоянно заниженные показания.

Условия измерения включают температуру окружающей среды, влажность, атмосферное дав­ление, напряжение в сети и т. п.

Учет указанных факторов предполагает исключение ошибок и внесение поправок к измеренным величинам.

Структура погрешности

Рассмотрим структуру погрешности измерения напряжения постоянного тока. Погрешность измерения выходного напряжения делителя определяется влиянием следующих факторов:

1. Наводки на соединительные провода (помехи): погрешность инструментальная, случайная, аддитивная.

2. Сопротивление проводов: погрешность инструментальная, систематическая, мультипликативная.

3. Окисление контактов (резистивные потери): погрешность инструментальная, случайная, мультипликативная.

4. Термо-Э.Д.С. в соединениях: погрешность инструментальная, систематическая, аддитивная.

5. Внутреннее сопротивление вольтметра: погрешность методическая, систематическая, мультипликативная.

6. Основная погрешность вольтметра (включая погрешности установки нуля и калибровки прибора): инструментальная, случайная, аддитивная или мультипликативная.

7. Дополнительная погрешность прибора из-за отклонения температуры от нормальных условий: инструментальная, случайная, аддитивная или мультипликативная.

8. Погрешность считывания показаний: субъективная, случайная, аддитивная.

9. Медленный разряд батареи (дрейф источника напряжения): погрешность инструментальная, систематическая, мультипликативная.

10. Внутреннее сопротивление батареи (источника напряжения): погрешность инструментальная, систематическая, мультипликативная.

Измерение коэффициента передачи делителя (затухания):

а) в относительных единицах К=U_ВЫХ/U_ВХ (например, 0,5);

б) или в дБ K=20 lg U_ВХ/U_ВЫХ (например, 6 дБ).

Структура погрешности включает:

- погрешности измерения входного и выходного напряжения (см. пп. 1 – 10);

- погрешности косвенных измерений (суммирование погрешностей прямых измерений выходного и входного напряжений делителя);

- погрешности вычислений и округления расчетов.