1. Исследование метрологических характеристик приборов


Название1. Исследование метрологических характеристик приборов
страница5/12
Дата публикации14.04.2013
Размер1.76 Mb.
ТипИсследование
userdocs.ru > Информатика > Исследование
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

^ 5. Измерение индуктивностей, емкостей, сопротивлений

мостами переменного тока

Цель работы: изучить мостовые методы измерения параметров электрических цепей. Провести исследование характеристик мостов переменного тока. Измерить емкость, тангенс угла потерь конденсатора, индуктивность, взаимоиндуктивность, добротность катушки, частоту напряжения питания моста.

Приборы и оборудование

Магазин емкостей – 2 шт.

Магазин сопротивлений – 4 шт.

Осциллограф С1-65: нормальный диапазон амплитудно-частотной характеристики 0-7 МГц; коэффициент отклонения устанавливается одиннадцатью ступенями от 5 мВ/дел до 10 В/дел (1 дел = 8 мм); предел допускаемой основной погрешности измерения амплитуды гармонического сигнала, при размере изображения от 3 до 6 делений, составляет ±5%; генератор развертки обеспечивает 21 калиброванную длительность развертки от 0.01 мкс/дел до 50 мс/дел; предел допускаемой основной погрешности измерения временных интервалов, при размере изображения по горизонтали от 4 до 10 делений, составляет ±5%.

Вольтметр В3-38: пределы измерения – от 100 мкВ до 300 В, рабочий диапазон частот от 20 Гц до 5 МГц, основная погрешность 2.5% на пределах 1-300 мВ и 4% на пределах 1-300 В в диапазоне частот от 45 Гц до 1 МГц.

Катушка взаимоиндуктивности.

Понижающий (разделительный) трансформатор 220/(6+6).

Расчетные зависимости

Схема моста переменного тока приведена на рис.5.1,а. Плечи моста содержат в общем случае комплексные сопротивления Z1, Z2, Z3, Z4. В диагональ 2-4, называемую выходной, включен нуль-индикатор (Н-И). В мостах переменного тока часто применяются электронные нуль-индикаторы, входное сопротивление которых приближенно можно считать равным бесконечности. Для этого случая напряжение между точками 2-4 можно определить по формуле

U2-4 = U(Z1Z4 - Z2Z3) /[(Z1 + Z2) (Z3 + Z4)]. (5.1)

Равновесие моста имеет место при подборе плеч, когда U2-4 = 0, т.е. при

Z1Z4 = Z2Z3. (5.2)

Мосты, в которых измеряемая величина определяется из условия равновесия (5.2), называются уравновешенными. Иногда измеряемая величина может определяться по значению напряжения выходной диагонали моста. Такие мосты называются неуравновешенными.



Рис.5.1. Схемы мостов переменного тока: а) общая схема моста; б) мост для измерения емкости; в) мост для измерения индуктивности; г, д) схемы включения катушек для измерения взаимоиндуктивности; е) частотозависимый мост; ж) трансформаторный мост
Если в уравновешенном мосте какое-то плечо, например Z1, получит малое приращение Z1, то чувствительность мостовой схемы переменного тока по напряжению определится из уравнения

S = U2-4 /Z1. (5.3)

Чувствительность имеет максимальное значение, когда Z1=Z2 и Z3=Z4.

Условие равновесия (5.2) связывает комплексные величины, поэтому оно распадается на два равенства для мнимых и вещественных членов. Наличие двух уравнений равновесия означает, что необходимо регулировать не менее двух параметров моста для достижения равновесия. Возникает вопрос о сходимости моста, под которой понимают способность моста достигать состояния равновесия большим или меньшим числом поочередных переходов от регулирования одного параметра к регулированию другого.

В тех случаях, когда в уравнения равновесия не входит частота, мост переменного тока, уравновешенный при одной частоте, сохраняет состояние равновесия и при любой другой частоте, т.е. он является частотонезависимым.

Частотозависимые же мосты могут быть уравновешены только на одной частоте. Для использования таких мостов при нулевом методе измерения необходимо, чтобы напряжение питания было чисто синусоидальным, или чтобы нулевой индикатор реагировал только на одну частоту.

Схема моста переменного тока для измерения емкости и угла потерь конденсатора с малыми потерями приведена на рис.5.1,б.

В лабораторной работе в качестве конденсаторов CX и CN используются магазины воздушных конденсаторов. Для имитации потерь в реальном конденсаторе последовательно с конденсатором CX включается магазин сопротивлений R1, т.е. R= RX. Полные сопротивления плеч в данном случае равны:

Z1 = RX + 1/jCX; Z3 = R3 + 1/jCN; Z2 = R2; Z4 = R4. (5.4)

Подставляя (5.4) в (5.2), рассматривая отдельно мнимые и вещественные члены, получим два условия равновесия моста:

RX = R3R2/R4; CX = CNR4/R2. (5.5)

Угол потерь  конденсатора CX определяется из выражения

tg() = RXCX = R3CN. (5.6)

Здесь  = 2f, f = – [Гц]; R – [Ом]; C – [Ф].

Модуль комплексного сопротивления определяется из уравнения

; . (5.7)

Схема измерения индуктивности и добротности катушек приведена на рис.5.1,в. Для имитации сопротивления катушки последовательно с ней включается R1, т.е. R= R+ R1, где RL – активное сопротивление катушки. Полные сопротивления плеч равны:

Z1 = RX+jLx; Z2 = R2; Z3 = R3; Z4 = R4/(1+jCNR4). (5.8)

Тогда условия равновесия моста имеют вид:

RX = R2R3 / R4; LX = CNR2R3. (5.9)

Добротность катушки определяется из выражения:

Q = LX / RX = CNR4. (5.10)

Коэффициент взаимоиндуктивности М вычисляется по формуле:

М = 0.25(LX' - LX"). (5.11)

Здесь LX' – индуктивность катушек, соединенных по схеме рис.5.1,г; LX" – индуктивность катушек, соединенных по схеме рис.5.1,д.

Схема частотозависимого моста переменного тока приведена на рис.5.1,е. Полные сопротивления плеч равны:

Z1 = R1; Z2 = R2; Z3 = R3 + 1/(jC3);

Z4 = 1/[(1/R4) + jC4] = R4/[1 + jC4R4]. (5.12)

Подставляя (5.12) в (5.2) и рассматривая отдельно мнимые и вещественные члены, получим два условия равновесия моста:

R1/R2 - R3/R4 - C4/C3 = 0; 1 - 2R3R4C3C4 = 0. (5.13)

Такой мост можно использовать для измерения частоты. В этом случае целесообразно ввести следующие соотношения:

R1 = 2R2; R3 = R4 = R; C3 = C4 = C. (5.14)

Тогда первое условие равновесия (5.13) выполняется всегда, а из второго условия получаем:

 = 2f = 1/(RC). (5.15)

При тщательном выборе элементов моста и чисто синусоидальном питающем напряжении погрешность измерения частоты не более 0.1%.

Схема трансформаторного измерительного моста с индуктивно связанными плечами в диагонали источника питания приведена на рис.5.1,ж. Равновесие моста имеет место при

Z1/Z2 = W1/W2. (5.16)

Здесь W1 и W2 – числа витков вторичных обмоток трансформатора.

В лабораторной установке использован трансформатор, у которого W= W2; для имитации потерь в реальном конденсаторе последовательно с конденсатором CX включен магазин сопротивлений R1; т.е. R= R1. Полные сопротивления плеч равны:

Z1 = RX + 1/(jCX); Z2 = R2 + 1/(jCN). (5.17)

Подставляя (5.17) в (5.16), учитывая, что W= W2, получим следующие условия равновесия моста:

CX = CN; RX = R2. (5.18)
Порядок выполнения работы

Изучить мосты переменного тока и мостовые методы измерения параметров электрических цепей [8, с.190-195, 198-205]. Составить список приборов с полной их характеристикой.

Подготовить к работе осциллограф С1-65, для чего переключатель Вольт/дел установить в положение 5 В/дел. Включить осциллограф на прогрев. Переключатель = ┴ ~ установить в положение ~ . Переключатель источника синхронизирующего сигнала (^ ВНУТР.; СЕТЬ; 1:1; 1:10; ВНЕШ.) установить в положение СЕТЬ. Переключатель Время/дел установить на отметку 2 mS/дел.

Подготовить к работе вольтметр В3-38, для чего переключатель пределов измерения установить на отметку 30 V. Включить вольтметр на прогрев.

5.1. Собрать схему моста рис.5.1,б, используя в качестве нуль-индикатора параллельно включенные вольтметр и осциллограф. Напряжение питания моста снимается с клемм 1, 3 стенда. Установить заданные преподавателем значения CX (0.1-1.0 мкФ), RX (100-900 Ом), R2 = 4000 Ом, R4 = 8000 Ом.

Включить питание моста выключателем на стенде. Установить такой предел измерения вольтметра В3-38, при котором стрелка находилась бы в средней части шкалы. Установить C= 0, R3 = 0. Поочередно изменяя сначала CN, а затем R3 (начиная со старших декад), приведите стрелку В3-38 к минимальному показанию. Уменьшая предел измерения В3-38, продолжите приведение стрелки индикатора к минимальному показанию.

ВНИМАНИЕ! Если при уравновешивании моста стрелка вольтметра «зашкалит», нужно увеличить предел измерения вольтметра.

Значения плеч моста записать в таблицу 5.1.

Таблица 5.1

Измерение емкости конденсатора с малыми потерями

Установлено на магазинах

Вычислено

CX'

мкФ

RX'

Ом

R2

Ом

R4

Ом

CN

мкФ

R3

Ом

CX

мкФ

RX

Ом

tg

SC

мВ/мкФ

SR

мВ/Ом

Cx

%

Rx

%









































По уравнениям (5.5, 5.6) вычислить CX, RX, tg. Результаты вычислений занести в таблицу 5.1.

Несколько нарушив равновесие моста (за счет малого изменения CN), определите чувствительность моста к изменению емкости по уравнению:

SC = U2-4/CN [мВ/мкФ]. (5.19)

Восстановите равновесие моста. Несколько нарушив равновесие моста (за счет малого изменения R3), определите чувствительность моста к изменению сопротивления по уравнению:

SR = U2-4/R3 [мВ/Ом]. (5.20)

Результаты вычислений занести в таблицу 5.1.

Задание для самостоятельных исследований

По уравнениям (5.7) вычислить модули комплексных сопротивлений Z1 и Z3, считая, что f = 50 Гц. Установить R2 = Z1, R4 = Z3 и определить чувствительность моста (предварительно уравновесив мост). Вычислить относительные погрешности измерения емкости Cx и сопротивления Rx

Cx = [(CX - CX')/CX'] 100 [%];

Rx = [(RX - RX')/RX'] 100 [%]. (5.21)

Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 5.1.

Отключить напряжение питания моста.

5.2. Собрать схему рис.5.1,в, используя в качестве LX катушку взаимоиндуктивности, включенную по схеме рис.5.1,г; R= R= 200 Ом; R1 задается преподавателем (0.1-1.0 Ом). Установить предел вольтметра 30 V, C= 0, R= 99999,9 Ом. Включить питание моста.

Поочередно изменяя CN и R4, уравновесить мост. Отключить питание моста. Значение плеч моста занести в таблицу 5.2.

Таблица 5.2

Измерение индуктивности

Установлено на магазинах

Вычислено

R2

Ом

R3

Ом

R4

Ом

CN

мкФ

LX

Гн

RX

Ом

Q























По уравнениям (5.9, 5.10) вычислить LX, RX, Q. Результаты вычислений занести в таблицу 5.2.

Включить катушки взаимоиндуктивности по схеме рис.5.1,д. Повторить измерения индуктивности. Вычислить коэффициент взаимоиндуктивности по формуле (5.11).

Задание для самостоятельных исследований

Соберите схему рис.5.1,е. Установите R1 = 80000 Ом; R2 = 40000 Ом; R3 = R4; C3 = C4. Изменяя одновременно сначала C3 и C4, затем R3 и R4, уравновесьте мост, добиваясь минимальных показаний вольтметра. Зарисуйте осциллограммы напряжений в диагоналях моста 1-3 и 2-4 (переключатель Время/дел осциллографа должен быть на отметке 2 mS/дел). По формуле (5.15) вычислите частоту напряжения питания моста.

Объясните, почему нуль-индикатор не показывает ноль при равновесии моста? Какого типа нуль-индикатор нужно применять в данном случае? Почему осциллограммы напряжений U2-4 и U1-3 при равновесии моста имеют различный вид? В чем их основное отличие? Определите коэффициент нелинейных искажений, воспользовавшись расчетными зависимостями работы №3.

5.3. Соберите схему рис.5.1,ж. Установите CXo = 0.15 мкФ; R= (1000-9000 Ом). Уравновесьте мост. Изменяя CX, снимите зависимость напряжения в диагонали 5-4 от изменения емкости CX. При смене знака CX меняется фаза напряжения U5-4, что отчетливо видно на осциллографе.

При построении графика U5-4 = F(CX) смену фазы сигнала условно учитывайте изменением полярности U5-4. Отключите питание стенда, вольтметра и осциллографа.

Контрольные вопросы

5.4. Как измерить взаимную индуктивность мостом?

5.5. Какие возможны погрешности при измерении мостом?

5.6. Укажите условия равновесия моста переменного тока для схем рис.5.1,а-ж.

5.7. Какие приборы можно использовать в качестве нуль-индикаторов для мостов переменного тока?

5.8. Вывести уравнение для определения значения полного сопротивления Z1, исходя из условия равновесия моста переменного тока (рис.5.1,а), если считать известными полные сопротивления остальных плеч моста (Z= Ziеji; здесь i = 2, 3, 4).

5.9. Почему для уравновешивания мостов переменного тока (см. рис.5.1,а) необходимо регулировать не менее двух параметров?

5.10. Определить значения индуктивности LX, сопротивления RX, добротности Q в цепи уравновешенного моста (рис.5.1,в), если R2 = 100 Ом, R3 = 100 Ом, R4 = 1000 Ом, C= 1 мкФ, частота f напряжения питания моста 1000 Гц.

5.11. Определить значения индуктивности, сопротивления, добротности неизвестной катушки, если при равновесии моста рис.5.1,в получены следующие данные: R2 = 100 Ом, R3 = 850 Ом, R= 30 кОм, C= 1 мкФ, f = 100 Гц.

5.12. Определить погрешность измерения LX и RX (задача 5.11), если основная погрешность моста для измерения индуктивности ±(1 + 6/L)%, для измерения сопротивления ±(1 + 6/R)%, где L выражается в микрогенри, R – в омах.

5.13. Определить сопротивление уравновешенного моста (см.рис.5.1,в) со стороны диагонали нуль-индикатора (точки 2-4), если R1 = 10 Ом, L= 0.01 Гн, R2 = 100 Ом, R3 = 100 Ом, R4 = 1000 Ом, C= 1 мкФ, f = 100 Гц.

5.14. Определить емкость CX и тангенс угла потерь конденсатора, измерение выполнялось по схеме рис.5.1,б на частоте 1000 Гц, если R2 = 1 кОм, R4 = 500 Ом, R3 = 10 Ом, C= 0.1 мкФ.

5.15. Определить погрешность измерения емкости и тангенса угла потерь конденсатора (задача 5.14), если основная погрешность моста ±(1 + 20/C)% и ±(510-3 + 0.1tg)%, где C в пФ.

5.16. Постройте векторные диаграммы для двух схем замещения конденсатора с потерями и составьте возможные мостовые схемы для измерения емкости.

5.17. Измерение индуктивности катушки производилось мостом рис.5.1,в. Равновесие достигнуто при C= 0.1 мкФ, R3 = 1.5 кОм, R2 = 2 кОм, R4 = 30 кОм. Определить LX и RX.

5.18. Какие мосты называются уравновешенными, неуравновешенными, частотозависимыми, частотонезависимыми? Приведите примеры таких мостов.

5.19. Что называется сходимостью моста переменного тока?

5.20. В каких случаях чувствительность моста переменного тока максимальна?

5.21. Почему для схемы рис.5.1,е вольтметр не показывает ноль при равновесии моста?

5.22. Почему осциллограммы напряжений в точках 2-4 и 1-3 (рис.5.1,е) при равновесии моста имеют различный вид? В чем их основное отличие?

5.23. Запишите условие равновесия трансформаторного моста (рис.5.1,ж). Укажите область применения трансформаторных мостов.

5.24. Как измерить взаимоиндуктивность двух катушек? Укажите схему измерения и основные расчетные зависимости.
6. Поверка измерительных приборов

компенсатором постоянного тока

Цель работы: изучить потенциометры (компенсаторы) постоянного тока для измерения ЭДС, напряжений, токов и сопротивлений, методы расширения пределов измерений магнитоэлектрических приборов и компенсаторов. Произвести поверку вольтметра и амперметра посредством компенсатора постоянного тока.

Приборы и оборудование

Компенсатор (потенциометр) постоянного тока Р307. Предел измерения 1.91111 В. Допустимая основная погрешность (В) определяется по формуле

 = ±(150U + 0.5) 10-6. (6.1)

Здесь U – показания потенциометра.

Элемент нормальный ненасыщенный Э303. Действительное значение ЭДС элемента при 20оС 1.0186–1.0194 В, класс 0.02.

Магазин сопротивлений МСР63 – 3 шт.

Универсальный вольтметр В7-16. Описание, технические характеристики, работа с вольтметром В7-16 изложены в лабораторной работе №7 (используется в качестве нуль-индикатора).

Магнитоэлектрические измерительные механизмы М265 (500 мкА) и М265М (±500 мВ).

Стабилизированный блок питания постоянного тока (два независимых регулируемых источника на 2.5 и 4.5 вольта).

Расчетные зависимости

Принцип работы компенсатора (потенциометра) легко понять из рис.6.1. Электродвижущие силы обоих источников равны, когда показание нуль-индикатора равно нулю. Здесь используется метод сравнения нулевой реализации:

Е1 = Е2. (6.2)

Основное достоинство измерения напряжения посредством компенсации состоит в том, что от измеряемого объекта (например, Е1) теоретически не отбирается ток, т.е. измерение производится без потребления мощности. Благодаря этому можно наиболее точно измерить ЭДС источников с большим внутренним сопротивлением.



Рис.6.1. Схема компенсационного метода измерения

постоянных напряжений

Упрощенная схема потенциометра постоянного тока приведена на рис.6.2. Сначала устанавливается определенное значение рабочего тока I в контуре В. Для этого переключатель SA1 устанавливают в положение НЭ (нуль-индикатор включен в цепь контура А) и изменяют сопротивление Rрег до тех пор, пока нуль-индикатор не покажет 0.

Это будет тогда, когда для контура А будет выполнено условие:

EN = IRH. (6.3)

Отсюда можно найти значение тока I:

I = EN/RH. (6.4)

Затем переключатель SA1 устанавливают в положение Х1 (нуль-индикатор включен в цепь контура Б) и перемещают движок потенциометра R1 до тех пор, пока нуль-индикатор опять не покажет 0. Это будет тогда, когда для контура Б будет выполнено условие:

ЕX1 = IR. (6.5)

Способ требует постоянства рабочего тока I во время измерений. В этом случае угол поворота движка потенциометра R1 прямо пропорционален измеряемой ЭДС.



Рис.6.2. Упрощенная схема потенциометра постоянного тока: Ех – неизвестная ЭДС; ЕN – ЭДС нормального элемента; ВБ – вспомогательная батарея; Н-И – нуль-индикатор; SA1 – переключатель режимов работы потенциометра
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Похожие:

1. Исследование метрологических характеристик приборов iconИсследование характеристик частотно -измерительных фильтров
Изучение схем построения частотно – измерительных фильтров с многоконтурной обработкой связи (мос) на основе оу и исследование их...
1. Исследование метрологических характеристик приборов iconНаука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства...
Установление номинальных значений и границ допускаемых отклонений реальных метрологических характеристик средств измерений от их...
1. Исследование метрологических характеристик приборов iconИсследование статусных характеристик языков Москвы
Агнонимы и возрастная характеристика коммуникантов (связь возраста с типом слов, непонятных пользователям языка)
1. Исследование метрологических характеристик приборов iconЦикловой методической комиссией Зам директора по учебной работе
Основные определения электронных приборов, область их применения. Этапы развития техники электронных приборов
1. Исследование метрологических характеристик приборов iconКонтрольные вопросы Почему однофазные асинхронные двигатели получили широкое распространение?
...
1. Исследование метрологических характеристик приборов iconТема: Диагностирование и то приборов системы впрыска
Цель работы: Приобретение навыков и умений в диагностировании и техническом обслуживании приборов системы впрыска
1. Исследование метрологических характеристик приборов iconЛабораторная работа 2 Выбор и расчет местных отопительных приборов Цель работы
Ознакомиться с назначением и устройством местных отопительных приборов, используемых в системах отопления
1. Исследование метрологических характеристик приборов iconОписание комбинации приборов gf 618
«ferrum» подготовила яркий образец, который преобразит интерьер любого автомобиля. Цифровая комбинация приборов со встроенным бортовычных...
1. Исследование метрологических характеристик приборов iconИсследование производят по следующему плану
Исследование производят по следующему плану: 1) Опрос 2) Исследование речью 3) Исследование с помощью камертонов. 4) Аудиометрическое...
1. Исследование метрологических характеристик приборов iconМетодические указания содержат краткие теоретические сведения по...
Исследование освещенности рабочих мест: методические указания к лабораторной работе / Лустгартен Т. Ю., Видзон Е. З., Румянцев С....
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
userdocs.ru
Главная страница