Для измерения косвенным методом падения напряжения используют

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ Томский политехнический Университет»

Подразделение: НОЦ И.Н. Бутакова ИШЭ

Направление: 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ

ПОСТОЯННОГО ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Отчет по лабораторной работе № 4

Метрология, стандартизация и сертификация 1.1

Выполнили студенты гр. 4Т61

«___» __________2018 г.

«___» __________2018 г.

Цель работы: изучение различных видов измерений, а также в практическое освоение прямых и косвенных методов измерения электрических величин (постоянного тока и напряжения).

Задачами лабораторной работы являются:

изучение классификации измерений;

измерение величины постоянного тока прямым и косвенным методами;

измерение величины напряжения постоянного тока прямым и косвенным методами.

Прямые и косвенные измерения U и I

Прямыми называют измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (по показаниям ИП).

Косвенными называют измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, измеренными прямым методом.

(1)

где Y – искомая, косвенно измеренная величина;

– время.

Прямой метод измерения напряжения постоянного тока

Для прямого измерения напряжения постоянного тока необходимо собрать схему, приведенную на рис. 2.

Рисунок 2 – Схема экспериментальной цепи

Таблица 1 – результаты измерения постоянного напряжения

Угол поворота регулятора Р2

«Установка +U», Град

прямого измерения напряжения, В

Результаты косвенного измерения напряжения, В

Косвенный метод измерения напряжения постоянного тока

Напряжение и ток в цепи постоянного тока связаны законом Ома:

, (2)

где U – искомое значение напряжения, В,

I – измеренное значение постоянного тока, А,

R – известное значение сопротивления, Ом.

Следовательно, величину напряжения постоянного тока в цепи можно оценить, измерив величину тока в цепи.

Для косвенного измерения напряжения постоянного тока цепи необходимо собрать схему:

Рисунок 3 – Схема экспериментальной цепи

Таблица 2 – результаты измерения постоянного тока

Угол поворота регулятора Р2

«Установка +U», Град

измерения тока, мА

Значения напряжения постоянного тока в цепи рассчитываются по формуле (2) и заносятся в таблицу 1.

По данным таблицы 1 в одной системе координат строим графики зависимости результатов прямого и косвенного измерений от значения угла поворота регулятора Р2. Графически показываем абсолютную погрешность измерений.

Рисунок 4 – График зависимости результатов прямого и косвенного измерений напряжения от значения угла поворота регулятора

Рисунок 5 – Абсолютная погрешность результатов измерения силы постоянного тока

Прямой и косвенный методы измерения постоянного тока

Собираем схему, представленную на рис. 3 и данные заносим в таблицу 3.

Таблица 3 – результаты измерения постоянного тока

Результат прямого измерения постоянного тока, мА

Значение напряжение постоянного тока в цепи, В

Результат косвенного измерения постоянного тока в цепи, мА

Абсолютная погрешность косвенного измерения, мА

Рассчитываем абсолютную погрешность косвенного измерения величины постоянного тока по формуле:

(3)

Данные также заносим в таблицу 3.

Прямой метод — искомое значение физической величины находят непосредственно по прибору, измеряя данную величину. Например, измерение газового давления манометром, измерения размера детали штангенциркулем.

Косвенный метод — искомое значение физической величины определяют расчетом по результатам измерений других величин. Например, определения электрической мощности по результатам измерения силы тока амперметром и напряжения вольтметром или определение диаметра химического аппарата (в виде цилиндра) по значению длины окружности (периметра) полученной при измерении рулеткой (метод «опоясывания»).

Выполнив данную лабораторную работу можно сделать вывод о том, что прямые измерения являются более точными чем косвенные. Это обусловлено неидеальностью приборов с которыми мы имеем дело. Измерительные приборы имеют определенные погрешности, однако и сопротивление в цепи равно 1кОм только с определенной точностью, необходимо также учитывать то, что провода и сам измерительный прибор тоже имеют некоторое сопротивление. Однако всегда делать прямые измерения довольно долго и затратно, а в некоторых случаях даже невозможно.

Приведите примеры прямых, косвенных, совокупных и совместных измерений.

Прямое измерение – измерение длины линейкой.

Косвенное измерение – измерение сопротивления по известным току и напряжению с помощью закона Ома.

Совокупное измерение – измерение взаимной индуктивности катушек путём двукратного измерения их общей индуктивности.

Совместное измерение – определение зависимости сопротивления проводника от температуры.

Какие измерения (косвенные/прямые) вы считаете более точными и почему?

Прямые измерения более точны, потому что при косвенных измерениях обычно измеряются несколько величин и используются формулы связи между искомой величиной и измеренными величинами, что увеличивает общую погрешность эксперимента.

Каким образом можно косвенно измерить мощность электрического тока?

Чтобы косвенно измерить мощность электрического тока, необходимо найти силу тока и напряжение, и воспользоваться формулой для мощности .

Измерения напряжений (токов).

Для измерения тока и напряжения применяют методы непосредственной оценки и сравнения. В лабораторном практикуме по электротехнике используется в основном метод непосредственной оценки.

Для измерения тока амперметр включают последовательно с нагрузкой R₁ (в разрыв ветви) (рис. 8.1).

В связи с тем, что сопротивление амперметра R_А отлично от нуля, возникает методическая погрешность измерения, обусловленная включением амперметра:

Обычно R_А I ‘ . В результате возрастает падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника R_i и соответственно уменьшаются падение напряжения на резисторе R и показания вольтметра U_V.

Абсолютная методическая погрешность измерения, возникающая за счет шунтирования резистора R сопротивлением R_V , равна

.

Относительная методическая погрешность определяется по формуле

.

Очевидно, что абсолютная и относительная методические погрешности измерения будут стремиться к нулю, если → 0. Поскольку значения R_i и R являются параметрами цепи и остаются неизменными, для уменьшения погрешности входное сопротивление вольтметра должно быть как можно больше (в идеале → ∞). Как указывалось ранее, большим входным сопротивлением обладают электронные вольтметры. Однако и их входное сопротивление R_вх имеет конечное значение, величина которого зависит от предела измерения. Поэтому некоторая малая погрешность δ_V всегда имеет место.

Исходя из заданной методической погрешности δ_V , можноопределить требуемое значение входного сопротивления вольтметра R_вх из выражения:

.

При измерении напряжения переменного тока эквивалентная схема входного сопротивления вольтметра имеет вид, показанный на рис. 8.3.

Рисунок 8.3–Электрическая схема для измерения переменного напряжения

Комплексное входное сопротивление вольтметра:

.

Модуль входного напряжения:

.

Из приведенных выражений следует, что с увеличением частоты входное сопротивление вольтметра уменьшается из-за снижения емкостного сопротивления. В результате возникает дополнительная методическая частотная погрешность вольтметра. В описании прибора указывается значение R_вхи значение C_вх вольтметра для различных пределов измерения. Обычно R_вх =10 5 …10 8 Ом, C_вх = 30…70 пФ.

Погрешность измерения за счет шунтирующего действия входной цепи вольтметра можно определить, если измеряемую цепь представить схемой (рис. 8.4), состоящей из эквивалентного генератора с ЭДС холостого хода U_X, соответствующего измеряемому напряжению и с внутренним сопротивлением R_экв, соответствующим эквивалентному сопротивлению в точках подключения вольтметра.

Рисунок 8.4–Расчетная схема

Относительную погрешность измерения (в %)можно определить по формуле

На практике при измерениях на частотах меньше 20 кГц частотной погрешностью вольтметра можно пренебречь.

Основная приведенная погрешность зависит от значения измеряе­мо­го напряжения. Так, при измерении малых (в пределах 100…300 мВ) напряжений она может достигать 10…15 %, а при измерении больших уровней напряжения – уменьшается в 3–4 раза.

На погрешность измерения (на частотах выше 0,1…0,3 МГц) оказывают влияние индуктивность и активное сопротивление соединительных проводов. Поэтому их длины должны быть по возможности меньшими (до 0,5 м).

При измерении напряжений следует обратить особое внимание на выбор предела измерений (так же, как и при измерении тока).

У электронных вольтметров имеется два входных зажима, к которым подключается измеряемое напряжение U. Один зажим обычно соединен с корпусом прибора, поэтому его называют корпусным и обозначают . Другой зажим является потенциальным.

Для уменьшения погрешности измерения и влияния помех корпусный зажим вольтметра соединяется с корпусным зажимом генераторов и других приборов (используемых в эксперименте) или присоединяется к точкам цепи, потенциал которых ближе к нулевому. При этом следует избегать касания корпусов приборов.

Таким образом, при измерении напряжений нужно брать приборы с большим внутренним сопротивлением и выбирать пределы измерения так, чтобы при измерении стрелка прибора отклонялась на возможно больший угол.

Измерение мощности. Измерение мощности в цепях постоянного тока, активной и реактивной мощностей в цепях переменного тока (однофазных и трехфазных) промышленной частоты производится обычно электродинамическими и ферродинамическими ваттметрами.

Схема подключения ваттметра PW для измерения в цепях постоянного тока или в однофазной цепи переменного тока приведена на рис. 8.5.

Рисунок 8.5–Электрическая схема для измерения мощности

Такая схема включения обеспечивает минимальную погрешность измерения, когда сопротивление нагрузки намного больше сопротивления токовой катушки ваттметра, что в большинстве случаев имеет место. При этом неподвижная (токовая) катушка ваттметра включается в разрыв цепи, а подвижная катушка (напряжения) подключается параллельно нагрузке.

Начала катушек (генераторные зажимы) обозначаются звездочкой (*) или знаком (+). Эти зажимы должны быть подключены к положительному полюсу источника питания.

В цепях постоянного тока потребляемая нагрузкой мощность определяется произведением тока в нагрузке на падение напряжения на ней: P = UI.

При измерении мощности в однофазной цепи переменного тока показание ваттметра соответствует активной мощности (Вт):

где U и I – среднеквадратические значения напряжения и тока нагрузки; φ – фазовый сдвиг между током инапряжением.

При этом обмотка напряжения ваттметра включается на фазное напряжение, а обмотка тока включается в рассечку провода фазы.

Реактивная мощность (в варах) в лабораторном эксперименте обычно не измеряется, а определяется из выражения

Для нахождения мощности в трехфазной четырехполюсной цепи при несимметричной нагрузке необходимо взять алгебраическую сумму показаний трех ваттметров, включенных в каждую фазу:

Электродинамические ваттметры, предназначенные для измерения мощности в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты (16…5000 Гц), выпускаются от 0,1 до 2,5 класса точности. Они рассчитаны на непосредственное включение в цепь с напряжением от 15 до 300 В при токе в цепи от 0,25 до 10 А.

При прямых измерениях не всегда удается получить значение всех исследуемых величин (токов, напряжений, мощности, фазы и др.) методом прямого измерения. Это обусловливается отсутствием специальных приборов прямого измерения или невозможностью подключения прибора к некоторым элементам цепи и другими причинами.

Кроме того, не всегда целесообразно производить непосредственное измерение всех интересующих величин, если они могут быть получены с достаточной точностью из функциональных зависимостей, связывающих их с измеряемыми величинами. Это позволяет проводить эксперимент быстрее и с меньшими аппаратурными затратами за счет уменьшения числа измерений.

Измерение тока с помощью электронных вольтметров. Косвенный метод измерения тока с помощью электронного вольтметра заключается в следующем. В ветвь, в которой необходимо измерить ток, последовательно с нагрузкой включают образцовый резистор R₀. Падение напряжения на этом резисторе измеряют с помощью электронного вольтметра, так как он работает в широком диапазоне частот и потребляет от измеряемой цепи малую мощность, что способствует обеспечению минимума методической погрешности.

Ток, текущий через резистор R₀, а следовательно, и по всей цепи (рис. 8.6), определяется законом Ома: , где U₀ – показание вольтметра, включенного параллельно резистору R₀.

Рисунок 8.6–Измерение тока с помощью электронного вольтметра

Включать резистор R₀следует в разрыв проводника, идущего от корпуса генератора.

В этом случае корпусная точка измерительного прибора соединяется с корпусом генератора, что обеспечивает меньшее влияние помех и стабильность работы вольтметра. Минимум методической погрешности обеспечивается при правильном выборе сопротивления резистора R₀. Чем меньше сопротивление R₀, тем меньше оно оказывает влияние на ток, протекающий в искомой ветви.

С другой стороны, чем меньше падение напряжения на резисторе, тем труднее его точно измерить, поскольку больше сказывается влияние различных наводок, увеличение погрешности вольтметра на малых пределах измерения. Поэтому сопротивление R₀, а, следовательно, падение напряжения на нем должны быть наибольшими. В этом случае принимают компромиссное решение, выбирая сопротивление R₀ по условию: R₀ 2 R_н.

Для измерения мощности косвенным методом в цепях переменного тока применяются амперметр, вольтметр и фазометр. При этом активная мощность Р определяется по формуле .

Если прямым методом измерены значения напряжения U, тока I и мощности P, величина cosφ определяется расчетным путем: сosφ =

Измерение параметров электрической цепи R, С, L, Z.Основными элементами электрической цепи с сосредоточенными параметрами являются: резистор, конденсатор, катушка индуктивности. Им соответствуют основные параметры: активное сопротивление электрическому току R, емкость С, индуктивность L.

Метод амперметра-вольтметра. Этот метод основан на раздельном измерении тока I в цепи измеряемого сопротивления R_Х и напряжения U на его зажимах и на последующем вычислении значения R_Х по показаниям измерительных приборов:

R_Х = .

При измерении малых сопротивлений порядка 0,01…100 Ом постоянному току применяют схему, показанную на рис. 8.8,а. С помощью реостата R₁ устанавливают приемлемое значение тока в цепи.

Рисунок 8.8–Измерение параметров электрической цепи

В схеме (см. рис. 8.8,а) вольтметр показывает значение напряжения на зажимах R_Х (U = U_Х ), амперметр – сумму токов I_А = I_V + I, следовательно

,

где I_V – ток, проходящий через вольтметр; R_V – внутреннее (входное) сопротивление вольтметра

R_V >>R_X, то R_Х ≈.

Абсолютная методическая погрешность ΔR_Х определяется по формуле

,

а относительная погрешность (в %)

.

Для измерения больших сопротивлений (до сотен кОм и более) применяют схему (рис. 8.8,б), где амперметр регистрирует значение тока в цепи R_Х (I = I_А), а вольтметр – сумму падений напряжений (U + U_A).

По показаниям приборов можно вычислить результат измерения

,

где R_А – внутреннее сопротивление амперметра.

Абсолютная погрешность и относительная (в %) .

Из предыдущего выражения следует, что метод амперметра-вольтметра можно применять для измерения активного сопротивления резистора переменному току R, когда его индуктивными и емкостными составляющими сопротивления можно пренебречь; а также для измерения индуктивности L катушки и емкости С конденсатора, отличающихся высокой добротностью (т.е. когда активное сопротивление катушки R_L чрезвычайно мало, а сопротивление изоляции конденсатора весьма велико).

, ,

где f – частота питающего напряжения.

1. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология: Учеб. Пособие для вузов. – М.: Логос, 2001. – 408 с

2. Зайдель А. Н. Погрешности измерения физических величин. Л.: Наука, 1985.- 112 с.

3. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. – М.: Издательство стандартов, 1975.

4. Тюрин Н.И. Введение в метрологию. – М.: Изд-во стандартов, 1976.

5. ГОСТ 16263-70 Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения.

6. Сена Л.Г. Единицы физических величин и их размерности. – М.: Наука, 1969.

7. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация, сертификация: Уч. пос. — М.: Логос, 2003.- 536 с.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома – страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 8815 – | 7170 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Идёт приём заявок

Подать заявку

Для учеников 1-11 классов и дошкольников

Тесты

По дисциплине «Контрольно-измерительные приборы»

Для измерения косвенным методом падения напряжения на элементе электрической цепи потребуются приборы:

в) ваттметр и амперметр

г) вольтметр и омметр

Для измерения прямым методом тока в цепи используют:

б) вольтметр и амперметр

Единицей измерения активной мощности является:

Относительная погрешность измерений определяется по формуле:

а)

б)

в)

г)

д)

В каком положении должна располагаться шкала прибора в данном случае:

г) в любом положении

д) под углом 50 0

Прибор какой системы можно использовать для измерения количества потребляемой энергии?

Какое из условных обозначений соответствует прибору электродинамической системы ?