ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
|
|
|
|
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УТВЕРЖДАЮ: Декан ЭФФ
_________ Евтушенко Г.С.
"____"____________ 2009 г.
ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ
Методические указания
к выполнению лабораторной работы № 4
по курсу “Основы измерительной техники”
для студентов электротехнических
специальностей всех форм обучения
ТОМСК 2009
УДК 621.317.3 (075.8) Выпрямительные вольтметры
Методические указания по выполнению лабораторной работы № 4 по курсу «Основы измерительной техники» для студентов электротехнических специальностей всех форм обучения - Томск: изд. ТПУ. 2009 -13с.
Составители доцент, к.т.н. В.Ф. Вотяков,
доцент, к.т.н. А.М. Нестеров
Рецензент доцент, к.т.н. Д.В.Миляев
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры информационно-измерительной техники 05 февраля 2009 г.
Зав. кафедрой ИИТ, профессор
__________ Гольдштейн А.Е.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
Исследование ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫх ВОЛЬТМЕТРов
Введение
Высокая чувствительность, точность, малое потребление мощности выгодно отличает магнитоэлектрические приборы от других электромеханических приборов аналогичного назначения. Однако непосредственно они пригодны только в цепях постоянного тока. Для того, чтобы использовать достоинства магнитоэлектрических механизмов при измерениях в цепях переменного тока, необходимо предварительно преобразовать переменный ток в постоянный.
В качестве преобразователей переменного тока в постоянный используют выпрямительные, термоэлектрические преобразователи, а также преобразователи на электронных элементах (электронных лампах, транзисторах, интегральных микросхемах и т. п.) В соответствии с этим различают выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы.
В данной работе рассмотрены выпрямительные вольтметры, схемы их построения, характеристики и погрешности.
Работа рассчитана на 2 часа аудиторной работы.
1.Цель работы
1.1.Изучить устройство, принцип действия, схемы построения, характеристики и методы коррекции частотной погрешности выпрямительных вольтметров.
1.2.Получить практические навыки в постановке эксперимента по предложенной программе, научиться грамотно проводить анализ и обработку результатов исследований.
2.Программа работы
2.1.Изучить средства измерений и устройство лабораторного макета, используемых при проведении работы.
2.2.Исследовать выпрямительный вольтметр по схеме однополупериодного выпрямления.
2.2.1.Рассчитать и изготовить на базе магнитоэлектрического механизма (микроамперметра) выпрямительный вольтметр с пределами измерения переменного напряжения 5В.
2.2.2.Снять и построить градуировочную характеристику выпрямительного вольтметра. Оценить погрешность от нелинейности.
2.2.3.Выполнить измерение ряда значений переменного напряжения и оценить погрешность результатов измерений.
2.2.4.Снять и построить частотную характеристику Uv=F(f) выпрямительного вольтметра:
-без корректирующих элементов;
-с корректирующими элементами.
2.3.Исследовать выпрямительный вольтметр по схеме двухполупериодного выпрямления по п.п.2.2.1.-2.2.3.
2.4.Провести сравнительный анализ характеристик исследуемых вольтметров и сделать выводы.
2.5.Оформить отчет.
3.Объект исследований и средства измерений
Объектами исследований в лабораторной работе являются одно- и двухполупериодные выпрямительные вольтметры. Все элементы, необходимые для сборки схем выпрямительных вольтметров, расположены на макете.
|
|
Принципиальная схема лабораторного макета приведена на рис.1.
В качестве измерительного механизма (ИМ ) магнитоэлектрической системы используется микроамперметр типа М2001.
Выпрямительные преобразователи однополупериодного (ВП1) и двухполупериодного (ВП2) выпрямления выполнены соответственно на полупроводниковых диодах VD1-VD2 и VD3-VD6.
Выбор схемы исследования (ВП1 или ВП2) осуществляется переключателем S1 (соответственно положения 1 и 2).
Функцию добавочного резистора выполняет магазин сопротивлений Р33, а корректирующие конденсаторы находятся на макете и подключаются к добавочному резистору при помощи монтажных проводов и переключателя S2. Кроме того, в комплект оборудования к лабораторной работе входят:
- генератор сигналов специальной формы SFG -2104 (генератор);
- цифровой осциллограф АСК -2067 (осциллограф);
- мультиметр цифровой APPA-109N 9 (мультиметр);
- магазин сопротивлений Р33.
4.Общие сведения
Измеряемое переменное напряжение обычно оценивается следующими параметрами: мгновенным, амплитудным, средним, средневыпрямленным и действующим значениями.
Амплитудное значение (амплитуда) Um измеряемого напряжения u(t) определяется как его наибольшее значение за период Т (рис.2,а). Для несимметричного относительно нуля напряжения вводят понятие пиковых отклонений вверх Um+ и вниз Um- (рис.2,б). Среднее значение напряжения в этом случае запишется как
(1)
Cредневыпрямленное значение Uср.в (рис.2,в) определяется как постоянная составляющая напряжения U(t) после его выпрямления:
(2)
Для напряжения одной полярности среднее и срадневыпрямленное значения равны. Для разнополярных напряжений эти значения могут существенно отличаться друг от друга. Так для чисто гармонического напряжения Uср=0, а Uср.в=0,637Um.
|
|
|
|
Действующее (эффективное) значение напряжения U оценивается по среднеквадратическому значению как
(3)
Между амплитудным, действующим и средневыпрямленным значениями напряжения определенной формы могут быть установлены связи через коэффициент амплитуды kа=Um/Uэфф и коэффициент формы kf=Uэфф/Uср.в. (4)
Значения коэффициентов для напряжений различной формы приведены в табл.1
В соответствии с измеряемым параметром напряжения различают вольтметры амплитудного (пикового), среднего, средневыпрямленного и действующего (эффективного) значений.
В данной лабораторной работе рассмариваются выпрямительные вольтметры среднего (средневыпрямленного) значений, которые представляют собой сочетание выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического механизма с отсчетным устройством.
В качестве выпрямительных преобразователей в этих приборах используют преимущественно полупроводниковые диоды (германиевые или кремниевые). Наибольшее распространение получили точечные кремниевые диоды, которые имеют малую собственную емкость (несколько пикофарад) и могут работать в широком диапазоне частот- от низких (0-50) до высоких (104-105)Гц. Недостатком полупроводниковых диодов, как выпрямительных преобразователей, является нелинейность вольтамперной характеристики, ее нестабильность во времени и выраженные зависимости от температуры и частоты.
Таблица 1
| Форма переменного напряжения |
U |
Uср |
ka |
kf |
|
|
|
|
|
|
|
|
Um |
Um |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выпрямительные свойства диодов характеризуют коэффициентом выпрямления
, ( 5 )
где Iпр и Iобр - токи, протекающие через диод соответственно в прямом и обратном направлениях, а Rпр и Rобр -соответственно прямое и обратное сопротивления диода.
Значение kв зависит от приложенного к диоду напряжения, частоты протекающего тока и температуры окружающей среды. Он невелик при малых значениях напряжения (меньше десятых долей вольта), но быстро возрастает при повышении напряжения.
В рабочей области напряжений, частот и температур коэффициент выпрямления диодов равен 102-106. Следует отметить, что зависимость коэффициента выпрямления от вышеперечисленных факторов, а также от формы кривой измеряемого напряжения может привести к значительным погрешностям. Снижение погрешностей обычно производится путем включения температуро-частотных корректирующих элементов в цепи прибора.
В выпрямительных вольтметрах средневыпрямленных значений используют одно- и двухполупериодные схемы выпрямления.
Рис .3 Принципиальная схема и временные диаграммы выпрямительного вольтметра с однополупериодным выпрямлением, где
Rд - сопротивление добавочного резистора,
Rи - сопротивление измерительного механизма,
Iср - среднее значение выпрямленного тока,
R1 - сопротивление симметрирующего резистора.
При использовании схемы однополупериодного выпрямления (рис.3) через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, а обратная - через диод VD2 и резистор R1.
Цепь из диода VD2 и резистора R1=Rи используют для выравнивания обеих полуволн тока в цепи источника переменного напряжения и для защиты основного диода (VD1) от возможного электрического пробоя обратным напряжением.
При использовании схемы двухполупериодного выпрямления (рис.4) выпрямленный ток проходит через измерительный механизм в обе полуволны периода .
|
|
Рис.4. Схема выпрямительного вольтметра и временные диаграммы напряжения и тока при двухполупериодном выпрямлении.
Чувствительность этой схемы выше, чем предыдущей. Схема требует при ее реализации тщательной идентификации и попарного подбора диодов VD1-VD4.
Градуировка шкал выпрямительных приборов, как правило, производится в средних (средневыпрямленных) значениях синусоидальных токов или напряжений. Однако в практике измерений чаще важно знать не среднее, а действующее (эффективное) значение измеряемого тока или напряжения. В этом случае шкалы таких выпрямительных приборов градуируют в действующих (эффективных) значениях синусоидального тока или напряжения путем введения при градуировке коэффициента формы (kf=1.11).
При измерении переменных токов или напряжений, форма которых отличается от синусоидальной, в этом случае возникает систематическая погрешность.
Шкала выпрямительных вольтметров, вследствие нелинейности вольтамперной характеристики диодов, в начальной части несколько сжата, но ,начиная с 10-15% длины
Для расширения пределов измерения вольтметров по напряжению используют добавочные резисторы, значения сопротивлений которых для одно- и двухполупериодных схем выпрямлений определяют соответственно из следующих выражений.
, (6)
|
|
, (7)
где U - действующее значение измеряемого напряжения,
Uср.н =Iср.нRи - номинальное среднее значение напряжения на измерительном приборе при Iср.н - номинальном среднем токе через прибор.
Достоинствами выпрямительных вольтметров является относительно высокая чувствительность по напряжению (0.15-0.2 В), малое собственное потребление мощности. широкий частотный диапазон. К недостаткам этих приборов следует отнести невысокую точность (классы точности 1.0-2.5) и зависимость показаний от формы кривой измеряемого переменного тока или напряжения.
5.Домашнее задание
5.1.Ознакомиться с целью и программой работы.
5.2.Изучить принцип действия выпрямительных вольтметров, устройство, схемы построения, погрешности и методы их коррекции.
5.3.Изучить технические описания и порядок работы с приборами, используемыми в лабораторной работе.
5.4.Подготовить устные ответы на контрольные вопросы.
6.Литература
6.1.Основы метрологии и электрические измерения. Под ред. Е.М.Душина-Л.: Энергоатомиздат,1987.
6.2.Измерения электрических и неэлектрических величин: Уч.пособие. Под ред. Н.Н.Евтихеева. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
6.3 Электрические измерения: Учебник для ВУЗов/ В.Н.Малиновский, Р.М. Демидова- Панферова, Ю.Н.Евланов и др.; Под ред. В.Н. Малиновского. –М.: Энергоатомиздат, 1985. 415с.
7.Контрольные вопросы
7.1.Назвать основные виды преобразователей переменного тока в постоянный.
7.2.Какими основными параметрами оценивают переменные напряжения?
7.3.Дать определения среднему и средневыпрямленному значениям переменного напряжения.
7.4.Что понимают под действующим значением переменного напряжения?
7.5.Дать определения коэффициентам амплитуды и формы периодических функций.
7.6.Назвать основные недостатки полупроводниковых диодов, применительно к их использованию в выпрямительных измерительных приборах.
7.7.Дать определение коэффициента выпрямления и перечислить основные влияющие на него факторы.
7.8.Изобразить схему однополупериодного выпрямительного вольтметра и пояснить назначение элементов и работу.
7.9.Изобразить схему двухполупериодного выпрямительного вольтметра и пояснить назначение элементов и работу.
7.10.Чем обусловлены нелинейность шкалы выпрямительного вольтметра?
7.11.Каким образом производят расширение пределов измерения вольтметры по напряжению? Привести расчетную формулу.
7.12.Каким образом температура окружающей среды и частота измеряемого электрического сигнала влияют на показания выпрямительных приборов?
7.13.Каким образом производят компенсацию температурной и частотной погрешностей выпрямительных вольтметров?
7.14.Назвать основные достоинства и недостатки выпрямительных приборов вообще и выпрямительных вольтметров в частности.
8. Методические указания по выполнению
лабораторной работы
8.1.Исследование однополупериодного выпрямительного вольтметра.
8.1.1.Ориентировочно рассчитать сопротивление добавочного резистора для вольтметра с пределом измерения по действующему значению 5В, используя выражение (6). Напоминаем, что для синусоидальной формы напряжения kf=1.11.
Сопротивление Rи , состоящее из сопротивления собственно микроамперметра и шунтирующего резистора , измеряется мультиметром. Значение Uср.н определяется по результатам работы №3.
8.1.2.Произвести градуировку шкалы вольтметра в действующих значениях напряжения.
|
|
Для этого собрать схему, приведенную на рис.5.
Рис.5 Функциональная схема экспериментальной установки,
где: G~ - генератор SFG-2104;
pV –мультиметр;
Rд – магазин сопротивлений Р-33.
Вольтметр переменного тока заводского изготовления, входящий штатно в комплект лабораторной работы, выполняет функцию образцового измерителя действующих значений напряжений. Для наблюдения за формой измеряемых напряжений применяют цифровой осциллограф АСК- 2067.
На частоте f=100 Гц установить по образцовому вольтметру напряжение на входе генератора U=5В. При этом указатель исследуемого выпрямительного вольтметра должен отклониться на полную шкалу. Если этого не произошло, подгонку показания осуществить плавной регулировкой сопротивления добавочного резистора (магазина сопротивлений).
Затем уменьшать значения напряжения с выхода генератора, устанавливая последовательно ряд значений (5.0-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0 -0.5)В, одновременно снимая показания по шкале исследуемого выпрямительного прибора. Полученные данные результатов измерений занести в табл.2
Таблица 2
| U0,В |
5.0 |
4.5 |
4.0 |
..... |
....... |
...... |
0.5 |
| a,дел |
Построить градуировочную характеристику вида av=f(U) и оценить ее нелинейность.
|
|
В качестве критерия оценки нелинейности используют коэффициент нелинейности.
где tgamax
, tgamin
, tgaср
-соответственно тангенсы максимального, минимального и среднего углов наклона градуировочной характеристики.
Объяснить причину нелинейности градуировочной характеристики.
8.1.3.Используя градуировочную характеристику, измерить выпрямительным вольтметром ряд напряжений, соответствующих оцифрованным делениям его шкалы. Одновременно эти значения измерять образцовым вольтметров действующих значений. Определить наибольшее значение приведенной погрешности и оценить класс точности исследуемого выпрямительного вольтметра. Результаты эксперимента занести в табл.3
Таблица 3
| αв
|
|||||||
| Uв
|
|||||||
| U0
|
|||||||
| γпр
|
a
в
- показания выпрямительного вольтметра в делениях,
Uв
- показания выпрямительного вольтметра в вольтах,
U0
- показания образцового вольтметра в вольтах,
gпр
- приведенная погрешность, %/
8.1.4. Определение частотной характеристики Uв
=F(f) выпрямительного вольтметра:
а) В схеме без корректирующей емкости Ск
. Для этого на выходе генератора установить напряжение U0
=3В и , изменяя частоту генератора в диапазоне частот от 100Гц до 200 кГц (рекомендуемый ряд-100, 200,...,1000Гц-, 2, 3,...,10 кГц,-20, 30,......,100кГц, 200кГц), снять показания выпрямительного вольтметра. Напряжение на выходе генератора поддерживать постоянным по ходу всего эксперимента.
б) В схеме с корректирующей емкостью. Для этого параллельно добавочному резистору подключают конденсатор (Ск
) и проводят эксперимент аналогично п.8.1.4.а. Выбор значения корректирующей емкости можно осуществить при помощи переключателя S2(Рис.1), а подключение его параллельно магазину сопротивлений (Rд
) - с помощью гибких монтажных проводников.
Результаты измерений по п.п. а) и б) занести в табл.4, построить частотные характеристики ( в логарифмическом масштабе) и сравнить их между собой.
Таблица 4
| Частота, Гц, |
100 |
200 |
... |
1кГц |
2кГц |
... |
200кГц |
| Без корр.емкости |
|||||||
| С корр. емкостью |
8.2.Исследование двухполупериодного выпрямительного вольтметра
8.2.1.Собрать схему двухполупериодного вольтметра (S2-в положение 2). Рассчитать и установить необходимое значение добавочного сопротивления (7).
8.2.2. - 8.2.4.- эксперимент провести аналогично п.п. 8.1.2.-8.1.4.
8.3. Сравнить результаты экспериментов по п.п.8.1. и 8.2.
8.4. Проделать дополнительные исследования по пунктам программы, предложенным студентом- экспериментатором.
9.Содержание отчета
9.1.Титульный лист.
9.2.Цель работы.
9.3.Программа работы.
9.4.Схемы экспериментальных установок.
9.5.Таблицы, экспериментальные данные.
9.6.Примеры расчетов.
9.7.Выводы по отдельным п.п. работы и общие выводы.
9.8.Таблица приборов с указанием названия приборов, их пределов измерений,
основной приведенной погрешности.
ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ
Методические указания
по выполнению лабораторной работы №4
Составители: Вотяков Владимир Федорович
Нестеров Александр Михайлович
Подписано к печати ____________________.
Формат 60х84/16. Бумага писчая N2
Плоская печать. Усл.печ.л.0.93. Уч.-изд.л.0.84
Тираж _____ экз. Заказ_________Бесплатно.
ИПФ ТПУ Лицензия ЛТ
Ротапринт ТПУ. 634004, Томск, пр.Ленина, 30