3. Методика и приборы измерения напряжения и тока

При измерении напряжения и тока используют прямые и косвенные способы. Прямые измерения основаны на сравнении измеряемой величина с мерой этой величины или на непосредственной оценке измеряемой величины по отчетному устройству измерительного прибора. Косвенные измерения основаны на прямых измерениях другой величины, функционально связанной с измеряемой величиной. Например, косвенное измерение тока выполняют при помощи вольтметра, измеряющего напряжение на известном сопротивлении R0, и расчете тока по формуле

Погрешность косвенного метода измерения зависит от погрешности прямого измерения и погрешности расчета по функциональной зависимости (23). Сопротивление, используемое при косвенном измерении тока, называют шунтом. Дополнительная погрешность при косвенных измерениях обусловлена перераспределением тока между шунтом и вольтметром при изменении температуры окружающей среды. Для снижения температурной погрешности применяют специальные схемы компенсации,

В зависимости от рода тока приборы делят на четыре группы:

1) вольтметры постоянного напряжения (группа В2), 2) вольтметры переменного напряжения (группа ВЗ), 3) вольтметры импульсного напряжения (группа В4), 4) вольтметры селективные (группа В6).

Универсальные приборы, предназначенные для измерения постоянного и импульсного напряжения и тока, выделены в группу В7.

4. Программа работы

1. Определение основной погрешности, вариация показаний и поправку вольтметра. 2.Определение чувствительности и цены деления вольтметра.

3.Определение входного сопротивления вольтметра.

4.Определение частотного диапазона вольтметра

5. Исследование влияния формы напряжения на показание вольтметра. 6. Определение погрешности при прямых и косвенных измерениях тока.

5. Порядок выполнения работы

1. Определение основной погрешности, вариация показаний и поправки вольтметра выполняют по схеме, изображенной на рис. 1. В качестве поверяемого прибора используют вольтметр типа МПЛ-46, а образцовый служит цифровой вольтметр типа В2-23. Перед проведением измерений прибор В2-23 включить в сеть и выждать 10…15 мин. Затем произвести установку нуля и калибровку вольтметра И2-23 в соответствии с инструкцией по пользованию прибором. Кроме того, необходимо выполнить установку нуля вольтметра МПЛ-46, пользуясь корректором.

Рис.1. Схема определения основной погрешности

Для выполнения п.1 программы поверяемый вольтметр МПЛ-46 устанавливают на диапазон 15 В и измеряют напряжение на всех оцифрованных делениях шкалы, изменяя входное напряжение регулируемого источника ТЕС-13. Измерение напряжения на каждом оцифрованном делении шкалы МПЛ-46 производят дважды: один раз при возрастании напряжения (показание образцового вольтметра U’_обр), а второй раз при убывание напряжения (показание образцового вольтметра U’’_обр). При этом на образцовом вольтметре В2-23 необходимо выбрать поддиапазон, обеспечивающий не менее трех значащих цифр. Результаты измерений занести в таблиу 1.

Таблица 1.

Показания поверяемого прибора	Uпов ,В	10	11	12	13	14	15	6	7	8	9
Показание образцового прибора	U’обр ,В
	U’’обр ,В
Действительное значение напряжения	Uср ,В
Погрешность градуировки	U ,В
	,%
	п ,%
Поправка	П ,В
Вариация показаний	Uобр ,В
	в ,%

Действительные значения на оцифрованных делениях шкалы поверяемого вольтметра определяют как среднее значение двух измерений U_ср=(U’_обр+U’’_обр)/2. Расчет погрешности измерений выполняют по формулам:

Абсолютная погрешность ΔU=U_пов – U_ср,

Относительная погрешность =( U/ U_пов)100%,

Приведенная погрешность _п=( U/ U_ном) *100%,

где U_ном=15В – номинальное значение напряжения поверяемого. Вариацию показаний вольтметра определяют по формулам:

Абсолютное значение вариации ΔU=U’_обр-U’’_обр,

Приведенное значение вариации _в=(ΔU_обр/ U_ном)*100%,

Поправку вольтметра вычисляют по формуле П= . Из полученных значений _п и _в необходимо выбрать наибольшее и сравнить их с классом точности К_u поверяемого вольтметра.

Если _{п макс} и _{в макс} окажутся больше К_u, то поверяемый вольтметр нельзя использовать с указанным классом точности.

Использование табличных значений поправки позволяет существенно уменьшить погрешность измерения напряжения поверяемым вольтметром. Вводя поправку в результат измерения, получаем действительное значение напряжения U=U_пов- U=U_пов+П.

2. Определение чувствительности и цены деления выполняют на всех поддиапазонах вольтметра МПЛ-46 и электронного вольтметра В3-38. Чувствительность приборов рассчитывается по формуле:

S=N_ном/U_ном,

где N_ном – номинальное число делений шкалы прибора, U_ном – номинальное (предельное) значение напряжения на выбранном поддиапазоне. Цену деления прибора определяет по формуле .

Исходные данные и результат расчёта свести в таблицу 2

Таблица 2.

Номинальное напряжение поддиапазона Uном , дел
Номинальное число делений шкалы Nном, дел
Чувствительность S, дел/В

Для цифрового вольтметра цену деления определяют как значение единицы младшего разряда на выбранном поддиапазоне. Отношение номинальное напряжение U_ном для выбранного поддиапазона к цене деления U_м=С характеризуется количество уровней дискретизации N_g=U_ном/ U_м.

Величину, обратную количеству уровней дискретизации, называют разрешающей способностью цифрового вольтметра. Обычно разрешающую способность определяют с учётом возможной перегрузки вольтметра по входу U_м/U_п , где U_п – напряжение перегрузки вольтметра.

Результаты определения основных характеристик цифрового вольтметра В2-23 на различных поддиапазонах измерения свести в таблицу 3.

Таблица 3

Номинальное напряжение поддиапазона Uном , В
Напряжение перегрузки поддиапазона Uп,В
Цена деления Uм, В
Количество уровней дискретизации Ng ,дел
Разрешающая способность , I/дел

3. Определение входного сопротивления вольтметров выполняют по схеме, изображенной на рис.2 входное сопротивление измеряют для двух вольтметров типа МПЛ-46 и В2-23 на всех поддиапазонах измерений.

Рис.2. Схема измерения входного сопротивления

При измерении входного сопротивления вольтметра последовательно с его входной цепью включают магазин сопротивлений R_м, Перед началом измерений на выходе источника ТЕС-13 устанавливают минимальное напряжение, а сопротивление магазина устанавливают на нуль. После этого, изменяя напряжение источника ТЕС-13, устанавливают минимальное его равным или близким к номинальному напряжению выбранного поддиапазона.

Затем увеличивают сопротивление магазина R_м до тех пор, пока показание вольтметра не уменьшиться на 20…50%. Входное сопротивление вычисляют по формуле R_вх=U₂R₀ / (U₁-U₂), где U₁ – измеренное напряжение при R_м = 0; U₂ – измеренное напряжение при R_м= R₀. Если установить U₂=0,5 U₁, то R_вх= R₀.

Примечание. При измерении R_вх цифрового вольтметра В2-23 на всех диапазонах использовать сопротивление R₀=100 кОм.

Мощность, потребляемую входной цепью вольтметра, рассчитывают по формуле P_вх=U²_ном/R_вх.

Результаты измерений и вычислений для вольтметров МПЛ-46 и В2-2З свести в таблице 4.

Таблица 4

Тип вольтметра	Входное сопротивление и мощность на поддиапазонах
	Uном1= ,В		Uном2= ,В		Uном3= ,В
	Rвх ,Ом	Pвх , Вт	Rвх ,Ом	Pвх , Вт	Rвх ,Ом	Pвх , Вт
МПЛ-46
В2-23

4. Определение частотного диапазона, вольтметров выполняют по схеме, изображенной на рис. 3, Для определения частотного диапазона снимают зависимость показаний вольтметров от частоты переменного напряжения, подаваемого от генератора типа Г3-109. Исследования выполняют для электромеханических вольтметров типов АМВ, Д566 и электронного вольтметра типа В3-38

Рис 3. Схема определения частотного диапазона

При измерениях на выходе генератора Г3-109 устанавливают напряжение, равное 60 В, которое контролируют при помощи образцового вольтметра типа В7-16А. Частоту генератора изменяют в пределах от 50 Гц до 200кГц, напряжение, равным 60 В. Результаты измерений заносят в таблицу 5.

По результатам измерений построить частичные характеристики в полулогарифмическом масштабе для всех испытуемых вольтметров. При определении диапазона рабочих частот вольтметра полагают, что дополнительная частотная погрешность равна основной погрешности, т.е U_доп=K_uU_ном/100. Верхнюю частоту f_в рабочего диапазона вольтметра определяют по уменьшению показаний вольтметра на значения погрешности U_доп. Нижнюю частоту f_н рабочего диапазона для электромеханического измерительного механизма прибора принимают равной 15…20 Гц. Пример определения диапазона рабочих частот приведен на рис. 4. Диапазон рабочих частот рассчитывают по формуле f = f_в – f_н.

Таблица 5

Частота f, Гц	50	100	200	500	103	5*103	104	5*104	105	2*105
UАМВ, В
UД566, В
UВ3-38, В

5. Исследование влияния формы измеряемого напряжения на показания прибора выполняют по схеме, изображенной на рис. 5. В качестве источника напряжения сложной формы используют генератор Г6-15. Измерения производят при трех формах выходного напряжения: синусоидальной, прямоугольной и трёугольной. Для наблюдения формы выходного напряжения используют электронный осциллограф С1-68.

Рис.4.Определение рабочих частот

Рис. 5. Схема измерения влияния формы напряжения

Зависимость показаний приборов от формы напряжения следуют для вольтметров трёх типов: электронного вольтметра средневыпрямленного напряжения типа В3-38, электронного вольтметра действующего напряжения типа В3-40 и цифрового вольтметра В7-16А. Перед началом измерений все приборы необходимо включить в сеть и выждать 10…15 мин. После того произвести калибровку шкалы приборов и установку нуля.

При измерениях все приборы установить на придел измерения, равный 10 В. На выход генератора Г6-15 установить напряжение амплитудой 10 В и частотой 1 кГц. Переключатель «ОСЛАБЛЕНИЕ СИГНАЛА» установить в положение «0 дБ». Напряжение на схему подать с основного выхода генератора Г6-15. Результаты измерений занести в таблицу 6.

Примечание. Амплитуду напряжение, равную 10 В с погрешностью не более 3%, устанавливают по шкале генератора Г6-15. Более точно амплитуду напряжения устанавливают с помощью цифрового вольтметра В7-16А на частоте 0,01…0,1 Гц при прямоугольной форме выходного напряжения

Таблица 6

Форма напряжения	Показание вольтметра
	В3-38			В3-40			В7-16А
	Uизм,В	Up,В	U,В	Uизм,В	Up,В	U,В	Uизм,В	Up,В	U,В
Синусоидальная
Прямоугольная
Треугольная

Так как вольтметры средневыпрямленных значений В3-38 и В7-16А градуируют в действующих значения при синусоидальной форме напряжения, то при измерении синусоидального напряжения действующее значение рассчитывают по формуле U_p=U_m/K_а.син=U_m/1,41.

Если форма напряжения отличается от синусоидального, то в соответствии с выражением (22) действующее значение напряжение рассчитывают по формуле U_p=К_фU_m/K_ф.син K_а.син= К_фU_m/K_y.син=K_фU_m/1.57 где К_ф - коэффициент формы измеряемого напряжения, К_ф.сии , К_а,син , К_усин - коэффициенты формы, амплитуды и усреднения синусоидального напряжения.

Вольтметр ВЗ-40 показывает действующее значение напряжения любой формы, поэтому для него U_р = U_m/K_a.

6. Определение погрешностей при прямых и косвенных измерениях тока выполяют по схеме, изображенной на рис. 6.

Рис. 6. Схема определения погрешностей

При измерении тока напряжение U = 20 В от источника ТЕС-13 подводят к цепи, в качестве нагрузки которой испольауют со-противление R_m = 200 Ом, устанавливаемое на магазине РЗЗ. Измерение тока производят двумя приборами: электромеханическим амперметром типа Э59 и вольтметра В2-23, подключенным параллельно шунту - образцовому сопротивлению R_o = 1 Ом, (устанавливается на магазине МСР-63). Результаты заносят в таблицу 7.

Таблица 7

Способ измерения	Измеренное значение тока Iизм, А	Абсолютная погрешность i, A	Относительная погрешность i ,%
Прямой (Э59)
Косвенный (В2-23)

Абсолютную погрешность при прямом способе измерения тока определяют по Формуле i=К_i I_ном /100, где K_i - класс точности амперметра Э59, I_ном- номинальное значение тока амперметра.

Относительную погрешность при прямом способе измерения тока рассчитывают по формуле i=( i/ I_изм)100%

Значение тока при косвенном способе измерения определяют по формуле I_изм=U_изм/R_о.

Относительную погрешность измерения косвенным способом рассчитывают по формуле:

.

Погрешность измерения напряжения ( для цифрового вольтметра В2-23 коэффициенты погрешности имеют значения: С =0,05, d = 0,02, U_K = 2,22 В); = 0,05%.- погрешность образцового сопротивления (магазина MCP-63).

Абсолютную погрешность измерения тока косвенным способом рассчитывают по формуле i = i U_изм/100 R_о. Результаты расчета погрешности сводят в таблицу 7.