Методы электрических измерений

 

Цель работы. Овладеть методами измерения электрических величин с помощью амперметра, вольтметра, осциллографа.

 

Измерение сопротивления с помощью вольтметра и амперметра

Экспериментально установлена зависимость силы тока I, текущего по металлическому проводнику, от напряжения U на концах проводника

- закон Ома для участка цепи,

где R - электрическое сопротивление проводника, имеющее единицу измерения 1 0м - сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течет постоянный ток силой 1А.

Используя рабочую формулу , можно определить величину сопротивления R для нескольких значений напряжения U на кон­цах проводника.

Измерения U и I проводятся с помощью вольтметра и амперметра по схеме рисунка 1.

Для достоверного определения R_X необходимо, чтобы сопротивление вольтметра R_V >> R_{X .}

Измерения R проводятся косвенным методом при различных значениях напряжения U генератора напряжения, что позволяет определить R для нескольких измерений и рассчитать величину погрешности.

 

Измерение неизвестного сопротивления

При помощи моста постоянного тока

Рассмотрим схему моста постоянного тока, представленную на рис.2.

R _x - неизвестное сопротивление, R ₁ - переменное сопротивление, R ₂ и R ₃ - известные сопротивления. Во входную диагональ моста (a b) включается питание моста, а в выходную (с d) - индикатор равновесия (вольтметр, осциллограф или миллиамперметр). Если разность потенциалов j_с - j_d равна 0, мост находится в равновесии. При подключении измерительного прибора к точкам с и d диагональ моста (с d) замыкается, сила тока, равная 0, обеспечивается изменением переменного сопротивления R ₁.

Для того, чтобы мост находился в равновесии, необходимо, чтобы выполнялись следующие соотношения

U _ac = U _ad (1)

U _{c b} = U _db (2)

При равновесии моста на участке моста a c b протекает ток I _x, а на участке a d b - ток I ₁, отсюда

U _{a c} = I _x × R _x (3)

U _ad = I ₁ × R ₁ (4)

U _cb = I _x × R ₃ (5)

U _db = I ₁ × R ₂ (6)

Процесс измерения состоит в том, что при установленном отношении плеч моста R ₃ /R ₂ добиваются равновесия моста, изменяя переменное сопротивление R ₁.

Формулу для измеряемого сопротивления R _x получим из (3) - (6), используя (1), (2):

I _x × R _x = I ₁ × R ₁ (7)

I _x × R ₃ = I ₁ × R ₂ (8)

Разделив (7) на (8), получим для измеряемого сопротивления:

 

Измерение параметров сигнала с помощью осциллографа

Электронный осциллограф позволяет проводить измерение параметров как постоянных, так и изменяющихся со временем электрических сигналов. Для этого напряжение с генератора U_X подается на вход «У» осциллографа, как показано на рис.3. – рис.5. На экране осциллографа необходимо получить осциллограмму, удобную для наблюдения (см. приложение по описанию работы осциллографа), подобрав для этого соответствующее положение переключателей

«Усилитель X» (временная развёртка время/дел) и «Усилитель Y» (входной делитель V/дел). Определив по положению переключателя цену деления j_x по оси х вычисляем длительность временных интервалов изучаемой осциллограммы по формуле

D t = n j_x x

где n - число делений по оси x на экране осциллографа.

Таким же образом, определив по положению соответствующего переключателя цену деления j_y по оси y, определяем `величину напряжения подаваемого электрического сигнала.

Некоторые модели осциллографов позволяют проводить измерение одновременно более двух электрических сигналов. Также имеется возможность проводить сложение сигналов, как однонаправленных, так и взаимно перпендикулярных. Для этого напряжение с генератора U _X1 подается на вход «У» осциллографа, а напряжение с генератора U _X2 подается на вход «X» как показано на рис.6.

 

Задание к работе

1. Соберите схему, показанную на рис.1.

2. Проведите измерение неизвестных сопротивлений R _1X и R _2X с помощью вольтметра и амперметра, изменяя величину напряжения генератора постоянного напряжения. Выполните 6 измерений.

3. Рассчитайте наиболее вероятное значение каждого сопротивления и его случайную погрешность по формуле для косвенных измерений для доверительной вероятности 0,95.

4. Соберите схему, показанную на рис.2.

5. С помощью метода равновесия моста постоянного тока определите величины тех же двух неизвестных сопротивлений R _1X и R _{2 X.}

6. Подключите генератор постоянного напряжения к осциллографу (рис.3).

7. Измерьте напряжение сигнала. Назовите форму сигнала.

8. Подключите генератор прямоугольных импульсов к осциллографу (рис.4).

9. Измерьте амплитудное напряжение сигнала. Определите период и частоту сигнала. Назовите форму сигнала.

10. Подключите генератор синусоидального напряжения к осциллографу (рис.5).

11. Измерьте амплитудное напряжение сигнала. Рассчитайте значение действующего напряжения U _д. Определите период и частоту сигнала. Назовите форму сигнала.

12. Подключите генератор прямоугольных импульсов на вход «X» осциллографа, а генератор синусоидального напряжения на вход «Y» осциллографа (рис.6). (Используйте выходы одного прибора, чтобы сигналы были синфазны. В таком случае на экране осциллографа будет устойчивая картина.) Переключите управляющие кнопки так, чтобы наблюдать одновременно оба сигнала друг под другом (см. приложение).

13. Зарисуйте эти сигналы.

 

Контрольные вопросы

1. Какие способы измерения сопротивления вам известны?

2. Сформулировать закон Ома для участка цепи в интегральной и дифференциальной форме.

3. Сформулировать закон Ома для неоднородного участка цепи.

4. В чем состоит метод измерения сопротивления с помощью моста постоянного тока?

5. Как измерить частоту сигнала с помощью осциллографа?

6. Как измерить амплитуду сигнала?

7. Как происходит управление электронным пучком в осциллографе?

8. Какова связь между смещением сигнала по оси х на экране осциллографа и длительностью временного интервала?

9. Как подключить осциллограф по двухканальной схеме?

 

Список литературы

 

1. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1977

2. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1982.- Т.2

3.. Электрические измерения: Учебник для вузов/Под ред. Фремис А.В., Душина Е.М..- Л.:Энергия, 1980.- С. 39

 

 

Лабораторная работа № 13