Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Требования к отчету. Отчет по лабораторной работе должен выполняться на листе бумаги формата А4 (210 297 мм) чернилами (пастой) черного или синего цвета или быть отпечатан на принтере.
Отчет должен иметь титульный лист и включать следующие разделы:
Все схемы, таблицы и графики необходимо вычерчивать аккуратно на бумаге формата А4 (можно на миллиметровой бумаге того же формата). Допускается выполнять схемы и графики на миллиметровой бумаге другого формата, но при этом они должны быть вклеены в соответствующее место отчета. При построении графиков делительные штрихи на осях следует размещать на расстоянии друг от друга, кратном (1, 2, 5)10n, где п – целое число (положительное или отрицательное). На осях графиков указываются величины и их единицы. Точки на графике, соответствующие экспериментально полученным значениям, соединяются плавной кривой, если наблюдается закономерная зависимость. Если же зависимость не является закономерной, то точки на графике соединяются прямыми линиями. Экспериментально полученные значения следует на графике выделять звездочкой или точкой. Все графики должны иметь наименование и пояснительный текст.
Отдельные листы отчета должны быть скреплены по левой стороне.
Лабораторная работа 1.
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Цель работы – ознакомление с методикой поверки аналоговых электромеханических приборов и определение их основных метрологических характеристик.
Задание
Описание и порядок выполнения работы
Поверкой называют определение погрешностей средства измерений и установление его пригодности к применению. Погрешности определяют по результатам конечного числа экспериментов при сравнении показаний поверяемого прибора и образцового средства измерений. При этом отношение пределов допускаемых абсолютных основных погрешностей образцовых средств измерений и поверяемых приборов для каждой поверяемой отметки шкалы должно быть не более 1:5 (в ряде случаев допускается 1:3).
Поверка вольтметров и амперметров методом сличения. В основе поверки методом сличения лежит одновременное измерение одной и той же величины поверяемым прибором и образцовым средством измерений и сравнение результатов измерений.
Перед началом поверки необходимо:
а) установить поверяемый прибор в нормальное для него положение в соответствии с условным обозначением на шкале прибора,
б) корректором установить указатель прибора на начальную отметку шкалы.
Для поверки вольтметра собрать поверочную схему (рис. 1.1), где V и Vо – поверяемый и образцовый вольтметры; R2 и R3 – регулировочные переменные резисторы; R1 – токоограничивающий резистор. Для поверки амперметра собрать поверочную схему (рис. 1.2), где А, Ао – поверяемый и образцовый амперметры; R5 и R6 – регулировочные переменные резисторы; R4 – токоограничивающий резистор.
В качестве источников питания следует использовать регулируемый источник постоянного тока и низкочастотный генератор переменного тока.
Поверка проводится для 5…10 точек шкалы прибора, равномерно распределенных по диапазону измерений. При определении основной погрешности указатель поверяемого прибора последовательно устанавливают на поверяемые отметки X шкалы сначала при плавном увеличении измеряемой величины, а затем – на те же отметки при плавном уменьшении измеряемой величины. Для всех поверяемых отметок по образцовому средству измерений определяют действительные значения xо ув и xо ум измеряемой величины.
Абсолютную погрешность при увеличении и уменьшении показания определяют по формулам: xув = х – хо ув; хум = х – хо ум, где х – показание поверяемого прибора; хo ув – показание образцового средства измерений при увеличении показаний; хo ум – показание образцового средства измерений при уменьшении показаний. Относительная погрешность (в процентах):
= 100х/х,
приведенная погрешность (в процентах)
= 100х/хN ,
где хN – нормирующее значение поверяемого прибора на выбранном диапазоне измерений.
Относительную и приведенную погрешности определяют для всех поверяемых отметок шкалы, выбирая наибольшее по модулю значение абсолютной погрешности. При этом знак погрешности во всех случаях учитывается и зависит от соотношения х и хо.
Вариацию показаний прибора на поверяемой отметке шкалы определяют как абсолютное значение разности действительных значений измеряемой величины при одном и том же показании прибора, полученном при плавном подходе указателя сначала со стороны меньших, а затем со стороны больших значений. Вариация может определяться также в процентах от нормирующего значения хN
H = 100хо ув – хо ум/ хN.
Результаты эксперимента и расчетов заносят в таблицу.
|
х |
Показания |
Погрешность |
|||||
|
абсолютная |
относительная , % |
приведённая , % |
вариация Н, % |
||||
|
при хо ув |
при хо ум |
при хув |
при хум |
||||
Показания поверяемого и образцового приборов и абсолютная погрешность приводятся в единицах измеряемой величины.
Определение амплитудно-частотной характеристики АЧХ вольтметра переменного тока проводят по схеме, представленной на рис. 1.1. В качестве источника питания используется генератор переменного тока, работающий в режиме синусоидальных колебаний.
Сначала следует установить указатель вольтметра на оцифрованную отметку в диапазоне (0,5…0,8) от выбранного предела измерений. Затем, не меняя выходного напряжения генератора, уменьшить его частоту до нескольких герц (2…5 Гц). При этом будут наблюдаться колебания указателя. Плавно увеличивая частоту входного напряжения, определить ее минимальное значение f1, при котором колебания прекратятся; снять 2-3 точки АЧХ до частоты f = 50 Гц.
Результаты эксперимента и расчетов занести в таблицу, где f – устанавливаемые частоты, U(f) – показания поверяемого прибора на соответствующих частотах, K(f) = U(f) / U(f = 50 Гц) – относительные значения АЧХ.
|
f, Гц |
f1 |
… |
50 |
… |
fm |
|
U, B |
… |
… |
|||
|
K(f) |
… |
1 |
… |
Далее, увеличивая частоту входного напряжения до 10…20 кГц, снять зависимость показания поверяемого вольтметра от частоты. При этом следует предварительно определить, при какой приблизительно частоте изменения показаний вольтметра будут заметными. До этой частоты достаточно снять показания в 3…4 точках, а после нее – не менее чем в 5…7 точках.
По полученным данным построить АЧХ вольтметра и определить нижнюю fн и верхнюю fв границы частотного диапазона в соответствии с требованиями по допустимому спаду АЧХ для поверяемого вольтметра.
Цель работы – исследование метрологических характеристик электронных вольтметров.
Для выполнения работы применяют схему, представленную на рис. 2.1, где ГС – генератор (синтезатор) сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы, ЦВ – цифровой вольтметр, ЭВ – электронный вольтметр, ЭЛО – электронно-лучевой осциллограф.
Основную погрешность электронного вольтметра определяют методом сличения, т. е. сравнением его показаний с показаниями образцового, в данном случае цифрового вольтметра, при синусоидальном напряжении. Показания образцового вольтметра принимаются за действительные значения напряжения.
Поверку электронного вольтметра GVT-417B проводят при частоте f0 = 1 кГц на шкалах с верхними пределами 1 или 3 В, что обусловлено диапазоном регулирования выходного напряжения используемого генератора.
Поверку проводят для n = (6…10) отметок шкалы, равномерно распределенных по шкале прибора, при плавном увеличении и уменьшении его показаний. Поверяемые точки напряжения U устанавливают на электронном вольтметре, а действительные значения напряжений Uо ув , Uо ум снимают с цифрового вольтметра при подходе к поверяемой отметке Uп шкалы соответственно при увеличении и уменьшении показаний. Результаты измерений и расчетов представляют в виде таблицы.
|
электронного вольтметра, U, В |
Показания образцового цифрового вольтметра |
Погрешность |
|||||
|
абсолютная |
относительная, , % |
приведённая, , % |
вариация, Н, % |
||||
|
при увеличении Uо ув , В |
при уменьшении Uо ум, В |
при увелич. Uув , В |
при уменьш. Uум, В |
||||
|
max = … , Hmax = … |
Абсолютные, относительные, приведенные погрешности и вариации показаний определяют по формулам, приведенным в лаб. раб. 1, во введении или в [1]; определяют также максимальную приведенную погрешность max = Мах{||} и максимальную вариацию Hmax = Мах{H}, полученные
в результате эксперимента.
По результатам испытаний и расчетов строят на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра, = F (U), = F (U); на графике также проводят линии, определяющие границы предельно допустимой приведенной погрешности, соответствующей классу точности поверяемого прибора.
На основании анализа данных об основной погрешности и вариации показаний делают вывод о соответствии указанных характеристик требованиям, определяемым классом точности поверяемого прибора.
Амплитудно-частотную характеристику электронного вольтметра определяют как зависимость показаний вольтметра от частоты входного синусоидального сигнала при постоянном значении его напряжения.
На практике широко используют понятие рабочей полосы частот средства измерений. Под рабочей полосой частот вольтметра понимают диапазон частот f, для которого неравномерность АЧХ вольтметра не превосходит некоторой заранее установленной допустимой величины. Так, для электронного вольтметра GVT-417B в пределах рабочей полосы не допускается изменение АЧХ, превышающее 10 процентов от показания прибора на частоте f0 = 1 кГц. Крайние значения диапазона частот, удовлетворяющего указанному требованию, называются нижней fн и верхней fв граничными частотами рабочей полосы электронного вольтметра.
Определение АЧХ проводят также по схеме, представленной на рис. 2.1. В качестве источника сигналов используют генератор SFG-2000, который обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении
частоты в его рабочем диапазоне1.
На генераторе ГС устанавливают частоту f0 = 1 кГц при синусоидальной форме сигнала. С помощью регулятора выходного напряжения генератора ГС устанавливают показание электронного вольтметра на отметке шкалы в диапазоне (0,7…0,9) от верхнего предела измерений и записывают установленное значение напряжения U(f0 = 1 кГц) = … . В дальнейшем при определении АЧХ изменяют частоту генератора сигналов ГС, а его выходное напряжение поддерживают постоянным.
Для контроля уровня сигнала и его формы используют электронно-луче вой осциллограф. На экране осциллографа, с помощью подбора коэффициентов отклонения (VOLTS/DIV) и развертки (TIME/DIV), получают удобную для наблюдений и измерений осциллограмму – изображение нескольких периодов синусоиды с достаточно большой амплитудой; записывают амплитуду lА (или двойную амплитуду l2А) изображения сигнала для последующего контроля уровня сигнала.
АЧХ электронного вольтметра удобно определять отдельно для области верхних и области нижних частот. В области верхних частот АЧХ начинают снимать с шагом 100 кГц: 1 кГц (начальная частота), 100 кГц, 200 кГц …, до частоты, при которой показания электронного вольтметра упадут до величины порядка 0,8…0,9 от первоначально установленного показания U( f0 = 1 кГц ). Для уточнения верхней частоты fв рабочей полосы частот f электронного вольтметра в районе 10-процентного спада АЧХ необходимо дополнительно снять несколько точек АЧХ с меньшим шагом изменения частоты входного сигнала. В процессе проведения испытаний постоянный уровень выходного сигнала ГС контролируют электронным осциллографом.
Результаты испытаний и расчетов записать в таблицу, где U( f ) – показания вольтметра на частоте f; K( f ) – АЧХ вольтметра, представленная в относительных единицах для соответствующих частот f; K(f) = U(f) / U(f0 = 1 кГц); fв – верхняя граничная частота рабочей частоты вольтметра, найденная в эксперименте.
|
Область верхних частот |
|||||
|
f, кГц |
1 |
100 |
200 |
……………….. |
|
|
Электрон. вольтметр |
U (f), В |
||||
|
K(f) |
1 |
||||
|
Цифровой вольтметр |
U (f), В |
||||
|
K(f) |
1 |
||||
|
Для ЭВ fв = …, для ЦВ fв = …. |
При выполнении п. 4 задания аналогичным образом при тех же частотах оценивается АЧХ цифрового вольтметра. Результаты испытаний заносятся в ту же таблицу. При этом не обязательно уточнять АЧХ цифрового вольтметра в дополнительных точках по частоте. В этом случае значение граничной частоты цифрового вольтметра будет определено с меньшей точностью.
Нижняя граничная частота fн рабочей полосы f для электронных вольтметров переменного тока обычно находится в области единиц и первых десятков герц. Поэтому процедура определения АЧХ в области нижних частот может быть следующей: сначала уменьшают частоту от исходной f0 = 1000 Гц через 200 Гц, а затем от 50 Гц – через 10 Гц. При необходимости уточняют нижнюю частоту fн рабочей полосы, при которой АЧХ падает до уровня 0,9 от ее значения при f0 = 1000 Гц, снятием дополнительных точек с шагом 1 Гц.
Оценка АЧХ цифрового вольтметра проводится при тех же частотах.
Результаты испытаний и расчетов представляют в виде таблицы.
|
Область нижних частот |
||||||||||
|
f, Гц |
1000 |
800 |
….. |
50 |
40 |
….. |
10 |
8 |
….. |
|
|
Электрон. |
U (f), В |
|||||||||
|
K(f) |
1 |
|||||||||
|
Цифровой |
U (f), В |
|||||||||
|
K(f) |
1 |
|||||||||
|
Для ЭВ fн = …Гц, для ЦВ fн = …Гц |
По результатам проведенных исследований строятся графики АЧХ для верхних и нижних частот. По оси частот графики удобно строить в логарифмическом масштабе.
Определение влияния формы входного сигнала на показания вольтметров переменного тока. В электронных вольтметрах переменного тока применяют преобразователи Пр переменного напряжения в постоянное, как, например, показано на рис. 2.2, где uвх(t) – входное напряжение, У – усилитель переменного тока, ИМ – магнитоэлектрический измерительный
механизм, – угол отклонения измерительного механизма. Применяют преобразователи амплитудного, средневыпрямленного или действующего значений переменного напряжения в постоянное. В то же время все электронные вольтметры переменного тока, независимо от вида преобразователя, градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения. Это может привести к появлению дополнительных погрешностей
при измерении несинусоидальных напряжений.
Электронный вольтметр GVT-417B имеет преобразователь средневыпрямленного значения. В таких вольтметрах угол отклонения указателя в соответствии с принципом действия преобразователя пропорционален средневыпрямленному значению Uср входного напряжения
,
где kv – коэффициент преобразования вольтметра, uвх(t) – входное переменное напряжение с периодом Т.
Шкала вольтметра градуируется в действующих U значениях синусоидального напряжения, которое связано со средним значением напряжения постоянным коэффициентом (коэффициентом формы)
, (2.1)
где Uп – показания вольтметра по его шкале; kф = U/Uср – коэффициент формы напряжения, для синусоидального напряжения kф = 1,11. Таким образом, при синусоидальном напряжении по показаниям вольтметра непосредственно считывают действующие значения напряжения.
Для другой формы напряжения (kф ≠ 1,11) показания вольтметра могут значительно отличаться от его действующего значения, что приводит к появлению дополнительной погрешности измерений.
Для экспериментальной оценки влияния формы напряжения на показания электронного вольтметра последовательно измеряют сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы при их одинаковой амплитуде.
Предварительно на синусоидальном сигнале устанавливают показания вольтметров в диапазоне 0,5…0,6 от верхнего предела измерений выбранной шкалы, а затем при той же амплитуде входных сигналов измеряют вольтметром напряжения при других формах сигнала.
По показаниям Uп вольтметра рассчитывают среднее Uср и, если известна форма сигналов, действующее U значения напряжений и дополнительную погрешность влияния формы напряжения на показания вольтметра.
Среднее значение напряжения при любой форме сигнала (в пределах АЧХ вольтметров) для вольтметров среднего значения рассчитывается по его градуировочной характеристике (2.1)
Uср = Uп /1,11.
При известной форме напряжения можно рассчитать действующее значение измеряемого напряжения
U = kф Uср. (2.2)
В частности, коэффициенты формы kф для используемых напряжений: синусоидального – 1,11, прямоугольного – 1, треугольного – 1,15.
Дополнительная относительная погрешность влияния формы напряжения на показания вольтметра (в процентах)
= 100 (Uп U) / U.
Результаты измерений и расчетов записывают в таблицу.
|
Исследуемые |
Форма сигналов |
||
|
синусоидальная |
прямоугольная |
треугольная |
|
|
Uп (показания вольтметра), В |
|||
|
Uср (расчет), В |
|||
|
U (расчет), В |
|||
|
, % |
Очевидно, что, если известна форма напряжения, следует рассчитывать действующее значение измеряемого напряжения по показаниям вольтметр по формулам (2.1), (2.2). Тогда дополнительная погрешность влияния формы кривой может быть сведена к минимуму (с точностью определения коэффициента формы).
По результатам исследований сделать вывод о влиянии формы кривой напряжения на результаты его измерения электронным вольтметром.
Лабораторная работа 3.
ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Цель работы – изучение методов экспериментального определения метрологических характеристик цифровых приборов, а также их применения для измерения физических величин и оценка погрешностей результатов измерений.
Задание
Описание и порядок выполнения работы
В ЦИП результаты измерений представлены в цифровом виде; при этом, в отличие от аналоговых приборов, показания ЦИП меняются дискретно на единицу младшего разряда. Это приводит к ряду особенностей определения и представления метрологических характеристик цифровых измерительных приборов.
К основным метрологическими характеристиками ЦИП относятся: статическая характеристика преобразования, шаг квантования (квант) или единица младшего разряда, основная инструментальная погрешность.
Статическая характеристика преобразования устанавливает связь между преобразуемой входной величиной x и результатом преобразования xп (показаниями ЦИП), который может принимать только квантованные значения xп = Nq, где N – десятичное целое число, q – шаг квантования (квант) величины x. В этом отличие ЦИП от аналоговых средств измерений. Отсюда следует ступенчатая форма представления статической характеристики преобразования.
Статическая характеристика преобразования идеального ЦИП (рис. 3.1) получается при квантовании измеряемой величины путем отождествления её с ближайшим по значению уровнем квантования. Изменения показаний идеального ЦИП xп = Nq на единицу младшего разряда q происходят при фиксированных значениях входной величины, равных (N – 0,5)q, где N = 1, 2, 3, … (це лое число).
Статическая характеристика преобразования идеального ЦИП определяется значением единицы младшего разряда показаний (используется также термин разрешение), равным кванту q.
Значение кванта q для идеального ЦИП связано с пределом измерений xmax и максимальным числом Nmax уровней квантования соотношением
q = xmax / Nmax.
Например, для ЦИП GDM-8135 q = xmax /(2 10n), где xmax – предел измерений, n – число разрядов отсчётного устройства.
Статическая характеристика преобразования реального ЦИП отличается от статической характеристики идеального. Причина этого – наличие инструментальных погрешностей ЦИП. Различие проявляется в том, что смена показаний реального ЦИП происходит при значениях входной величины xN, отличных от значений (N – 0,5)q. В общем случае абсолютная основная погрешность ЦИП равна
x = xп – x,
где xп – показание ЦИП, x – действительное значение измеряемой величины.
Для реального ЦИП эта погрешность включает как методическую погрешность квантования, так и инструментальную погрешность.
Абсолютная инструментальная погрешность определяется для конкретных показаний ЦИП xп = Nq (рис. 3.1) по отличию реальной характеристики ЦИП от идеальной
xиN = xп – 0,5q – xN , (3.1)
где xN – значение входной величины, при котором происходит смена показаний xп ЦИП (показания меняются на единицу младшего разряда).
Статическая характеристика преобразования ЦИП определяется в режиме омметра; для этого на вход ЦИП необходимо подключить магазин сопротивлений. Предел измерения ЦИП выбрать по указанию преподавателя, определить для этого предела значение единицы младшего разряда q. Определить единицу младшего разряда магазина qм, проверить выполнение условия q >> qм, при этом условии можно пренебречь дискретным характером изменения сопротивления магазина.
Для определения начального участка статической характеристики (рис. 3.1) необходимо установить нулевое значение сопротивления магазина R, затем при плавном изменении сопротивления магазина (менять сопротивление магазина с минимально возможным шагом) следить за изменением показаний, фиксируя при этом конкретные значения сопротивления магазина R, при которых показания ЦИП Rп меняются на единицу младшего разряда.
Например, на пределе 2 кОм при появлении показаний Rп = 0,001; 0,002; 0,003… кОм (всего 8-9 значений) фиксировать соответствующие значения сопротивлений магазина R.
Результаты измерений записать в таблицу.
|
Номер измерения |
Rп, кОм |
R, кОм |
По этим значениям построить начальный участок графика статической характеристики ЦИП в режиме омметра Rп = F(R) и график абсолютной основной погрешности ΔR(R) = F(R) – Fл(R), где Fл(R) = Rпл – линейная характеристика идеального (без квантования) омметра в виде прямой линии Rпл = R.
Абсолютную инструментальную погрешность определяют для 8…10 точек, равномерно распределенных по выбранному диапазону измерений. Инструментальная погрешность определяется по формуле (3.1), при этом RN – значение сопротивления магазина, при котором происходит смена показаний Rп ЦИП на единицу младшего разряда в выбранной точке, например на пределе 2 кОм, со значения 1,435 кОм на значение 1,436 кОм.
Результаты измерений и расчетов занести в таблицу.
|
Номер |
RпN, кОм |
RN, кОм |
RиN, кОм |
Определение аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности. В зависимости от характера изменения по диапазону измерения погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные. Аддитивные погрешности не зависят от значения измеряемой величины x, мультипликативные растут с увеличением x. Обычно для ЦИП погрешность задается
в виде модели x = a + bx, где a и bx – аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности соответственно.
Постройте график зависимости RиN = F(RN) для выбранного диапазона ЦИП. По графику определите аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности ЦИП.
Измерение сопротивлений. Измерьте по заданию преподавателя сопротивления резисторов, вмонтированных в лабораторный стенд, при различных диапазонах измерения ЦИП.
Оцените основную погрешность измерения по формулам, приведенным в описании GDM-8135. Результаты представьте в таблице.
|
Номер резистора |
Диапазон измерения |
Значение кванта для диапазона измерения, Ом |
Показания ЦИП Rп, кОм |
Абсолютная погрешность измерения R, кОм |
Относительная погрешность измерения, % |
Результат измерения кОм |
Сделайте выводы о характере изменения погрешности в зависимости от соотношения значений измеряемой величины и диапазона измерения, дайте рекомендации по выбору предела измерения.
2 Результаты исследований по электромеханическим вольтметрам взять из лабораторной работы 1, если она выполнялась ранее.
1 Это свойство ГС является весьма полезным для проведения экспериментов, поскольку рабочая полоса частот электронного вольтметра GVT-417B существенно шире рабочей полосы цифрового вольтметра GDM-8135 и, следовательно, цифровой вольтметр не может быть использован в качестве образцового.
Вых
ис. 1.1
ЭЛО
Вх1
ЭВ111
ЦВ111
ГС
Ао
Vо
Рис. 1.2
EMBED Word.Picture.8
Рис. 2.1