Метрология введение

Таблица 2

3.5. Составьте отчет о проделанной работе.

4. Пояснения к лабораторной работе
4.1 Комбинированные аналоговые измерительные приборы.
Комбинированные электромеханические измерительные приборы предназначены для измерения напряжения и силы постоянного тока, среднеквадратического значения напряжения и силы переменного тока синусоидальной формы, а также сопротивления постоянному току. В связи с этим их называют также авометрами (ампервольтомметрами). Устройство этих приборов основано на использовании магнитоэлектрического измерительного механизма (микроамперметра) и измерительных цепей (добавочных резисторов, шунтов, выпрямителей для преобразования измеряемой электрической величины в значение постоянного тока).

При измерении напряжения постоянного тока предел измерения изменяется при помощи переключающего устройства, коммутирующего соответствующие добавочные резисторы, включенные последовательно с микроамперметром. При измерении переменных напряжений

в схеме прибора используются двухполупериодный выпрямитель (рис 1.1). Угол поворота подвижной части измерительного механизма в этом режиме зависит от средневыпрямленного значения измеряемого напряжения или тока. Шкала прибора градуируется при этом в среднеквадратических (действующих ) значениях напряжения (тока) синусоидальной формы.

Сопротивление постоянному току измеряется авометром путем преобразования измеряемого сопротивления в значение напряжения. При измерении сравнительно небольших сопротивлений (до сотен Ом) обычно используется схема, приведенная на рис. 1.2а. Здесь: R₀ - сопротивление образцового резистора, R_x - измеряемое сопротивление и U_x - напряжение, функционально связанное с измеряемым сопротивлением. Однако, при использовании данной схемы, увеличение значений измеряемых сопротивлений, при приемлемых значениях R₀ , которое должно быть значительно больше R_x, приводит к существенному падению чувствительности прибора и увеличению нелинейности шкалы. Поэтому при измерении сравнительно больших сопротивлений, используют схему, приведенную на рис.1.2b. При использовании этой схемы, значение R₀ должно быть существенно меньше R_x, что удобно для измерения больших сопротивлений с приемлемой нелинейностью. В обоих случаях шкала прибора имеет нелинейный характер, однако в первом случае она прямая, а во втором – обратная (большему значению сопротивления соответствует меньшее отклонение стрелки).


Рис. 1.2. Иллюстрация принципов измерения сопротивлений в

комбинированных измерительных приборах.

Оценку абсолютного значения основной инструментальной погрешности, при измерении напряжений и токов, следует осуществлять по формуле

где - предел допускаемой приведенной основной погрешности при

измерении напряжений и токов;

нормирующее значение (предел измерений).

В случае измерения сопротивлений оценка абсолютного значения основной инструментальной погрешности определяется в единицах длины шкалы и ее необходимо перевести в единицы соответствующей шкалы сопротивлений (Ом или КОм)с учетом цены деления шкалы вблизи показания прибора.

где - предел допускаемой приведенной основной погрешности при

измерении сопротивлений;

L – длина шкалы в миллиметрах.

Функциональная схема универсального цифрового мультиметра типа Щ4300 приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Функциональная схема цифрового мультиметра типа Щ4300.

Назначение аналоговых измерительных преобразователей состоит в преобразовании входной измеряемой величины Х в величину, наиболее удобную для цели собственно измерений, т.е. получении численного значения величины путем ее сравнения с некоторой ее частью, принятой за единицу измерения. Это численное значение – код в двоично-десятичной системе счисления формируется в блоке АЦП и затем отображается визуально на ОУ.

Входными величинами Х, которые можно измерять, пользуясь данным цифровым мультиметром, являются:

- напряжение постоянного и переменного тока;

- сила постоянного и переменного тока;

- сопротивление цепи постоянному току.

Все эти входные величины преобразуются входным измерительным преобразователем (ВИП), включающим в себя выпрямительный мост и образцовые резисторы, в напряжение постоянного тока U_x, с некоторым коэффициентом преобразования K, определяемым характеристиками ВИП: U_x = K∙X. Затем это постоянное напряжение U_x подается на вход интегратора, реализованного на операционном усилителе, в течение всего первого такта интегрирования Т₀ (ключ К₁ замкнут, ключ К₂ разомкнут) (см. рис.1.4).

Рис.1.4. Временные диаграммы работы АЦП.

U_инт=

Где С – постоянная интегрирования.

В начале второго такта интегрирования ключ К₁ размыкается, а ключ К₂ – замыкается, переключая вход интегратора к выходу источника U_o. Этот момент времени отмечается появлением на выходе сравнивающего устройства СУ положительного фронта импульса, открывающего ключ К₃ и, следовательно, разрешающего прохождение на вход счетчика ∑ импульсов от генератора G стабилизированных по частоте импульсов. Таким образом, во втором такте интегрируется напряжение источника стабильного опорного напряжения U₀, знак которого противоположен U_x. Направление интегрирования во втором такте противоположно по отношению к первому. Следовательно, во втором такте интегрирования

(постоянная интегрирования не изменяется).

Второй такт заканчивается в момент равенства нулю выходного напряжения интегратора и этот момент характеризуется появлением низкого напряжения на выходе сравнивающего устройства СУ, запирающего ключ К₃ и прекращающего поступления образцовых по частоте импульсов в счетчик ∑. Следовательно, длительность второго такта интегрирования T_x определится из выражения

откуда

Таким образом, во втором такте интегрирования происходит преобразование среднего значения напряжения U_x в интервал времени T_x. Поскольку U_xс=К∙X_с, то сформированный интервал времени будет пропорционален измеряемой величине X_с

Точность этого преобразования измеряемой величины в интервал времени будет определяться стабильностью коэффициента К и величин T₀ и U₀.

Изложенное выше объясняет, почему подобного типа цифровые приборы часто называют цифровыми приборами двухтактного интегрирования.

Полученный интервал T_x, представленный длительностью импульса U_су на выходе сравнивающего устройства, измеряется в блоке АЦП путем сравнения его с единичной мерой времени t₀ – периодом повторения счетных импульсов образцового стабилизированного генератора G. Измерение осуществляется подсчетом числа периодов импульсов образцового генератора, укладывающихся в полученный интервал времени T_x. Технически это эквивалентно подсчету числа этих импульсов N, прошедших на счетчик импульсов ∑ за время открытого состояния ключа К₃.

где - частота образцового генератора G.

После подстановки в эту формулу значения T_x получим выражение

или

Так как U₀, K, T₀, f₀ - величины постоянные, то измеряемая величина X_c прямо пропорциональна числу N, которое в качестве результата измерения в соответствующих единицах измерения индицируется на отсчетном устройстве ОУ. При этом заметим, что поскольку число импульсов дискретно, то при измерении интервала времени возникает специфическая аддитивная составляющая погрешности – погрешность дискретности, абсолютное значение которой может достигать величины ±t₀.

Рассмотренный цифровой мультиметр имеет как аддитивную, так и мультипликативную составляющую погрешности и, поэтому, предел его основной допускаемой относительной погрешности (в процентах) выражается двучленной формулой

где: X_max – рабочий предел измерения шкалы;

X – измеренное значение на этом пределе;

c и d –константы, характеризующие класс точности прибора,

приводимые в его технических характеристиках.

5. Содержание отчета.

• 
  Цель работы.
  
• 
  Формулы, используемые при обработке результатов измерений с
  

• 
  Таблицы с результатами измерений.
  
• 
  Выводы по каждому пункту задания.
  

6. Контрольные вопросы.

1. Почему у аналоговых омметров противоположные шкалы для измерения малых и больших значений сопротивлений?

2. В чем смысл введения понятий предельных значений абсолютной, относительной и приведенной погрешности?

3. Что указывается в техническом паспорте измерительного прибора при нормировании его погрешности?

4. Поясните разницу между основной погрешностью измерительного прибора и дополнительными погрешностями?

5. От чего зависит выбор формы представления пределов основной допускаемой погрешности?

6. Чем характерны систематическая и случайная погрешности?

7. Что такое класс точности измерительного прибора?

8. Как по классу точности измерительного прибора оценить пределы основной допускаемой абсолютной и относительной погрешностей результата измерения?

9. Почему не рекомендуется проводить измерения, если результат отсчитывается в начале шкалы измерительного прибора?

10. Что такое нормирующее значение и как оно влияет на определение оценок погрешности измерения?

11. Как обеспечивается расширение предела измерения в n – раз у вольтметров?

12. Как обеспечивается расширение предела измерения в n – раз у амперметров?

13. Как в комбинированных приборах осуществляется преобразование напряжений переменного тока в напряжение постоянного тока?

14. В чем состоят достоинства цифровых мультиметров?

15. В чем состоит суть метода двухтактного интегрирования и каковы его достоинства?