Основні теоретичні відомості

Повірка засобів електричних вимірювань

Мета роботи – вивчити основні методи повірки засобів вимірювання, ознайомитися з побудовою компенсатора постійного струму й набути навичок його застосування для повірки вольтметра, амперметра та вимірювання опору.

Основні теоретичні відомості

Технічна різноманітність приладів прямого перетворення (амперметри, вольтметри, лічильники тощо) визначає методику їх повірки. Повіркою засобів вимірювання називається визначення метрологічним органом похибок засобів вимірювання та установлення їх придатності до використання.

Повіряючи прилади, установлюють конкретний перелік операцій залежно від призначення приладу й виду перевірки. Як правило, після зовнішнього огляду приладу, випробування, визначення впливу нахилу на показ приладу визначають основну похибку й варіації показів приладу. Основні вимоги до умов, методів і засобів перевірки наведено у ДСТУ 8497.

Вибір зразкового приладу (ЗП) (A₀,U₀,mV₀) визначається необхідним співвідношенням меж припустимої основної похибки зразкових і повірюваних приладів, яке мусить бути не більше як 1:5. Межі вимірювання приладів бажано мати однаковими. При посередніх вимірюваннях необхідно враховувати відносну похибку ЗП, яка складається з суми відносних похибок перетворювача й приладу, а також методичну похибку внаслідок шунтування R₀ вхідним опором mV₀. Вимоги до джерел напруги (ДН) і струму (ДС) ґрунтуються на обмеженні значень змінної складової й коефіцієнта нелінійних перетворень, на забезпеченні високої стабільності й можливості планового регулювання. Найбільше поширення для повірки приладів класів 0.1-0.5 на постійному та змінному струмі здобув метод порівняння показів повірюваного (ПП) і зразкового приладів. Як зразкові часто застосовують потенціометри (компенсатори) постійного струму або компаратори електричних величин змінного струму. Суттєве підвищення точності й зручності перевірки досягається застосуванням як ЗП цифрових вимірювальних приладів.

Для методів повірки, які розглядаються, абсолютна похибка ПП визначається як різниця показів Δ =Х_зп-Х_пп. При цьому для кожної числової позначки обчислюють два значення похибки Δ: Δ_В – при збільшенні й Δ_Н – при зменшенні показів.

Варіація показів визначається як різниця показів Δ_В і Δ_Н для однієї і тієї самої позначки шкали:

або .

Жодне із здобутих значень Δ і b не має перевищувати меж допустимої основної похибки і допустимого значення:

де К_ПП – число, яке позначає клас точності ПП; Х_ном – межа вимірювання ПП.

Структурні схеми повірки вольтметра за допомогою потенціометра постійного струму (ППС) подано на рис. 7.1 і 7.2. Перша схема застосовується, коли межа вимірювання перевіюваного вольтметра не перевищує межу ППТ, а друга – при невідповідності меж вимірювання. У другому випадку застосовують зразковий подільник напруги (ПН).

Рис.7.1 Рис.7.2

Похибка визначення дійсної напруги складатиметься з похибок ППС, ПН і нормального елемента (НЕ).

Схему повірки амперметра подано на рис. 7.3, згідно з якою дійсне значення струму розраховують за законом Ома.

Похибка визначення струму складатиметься з похибок ППС, НЕ і міри опору R.

Принцип дії компенсатора засновано на компенсації вимірюваної ЕРС /або напруги/ відомим спадом напруги на ділянці зразкового опору.

Рис. 7.3

Принципову схему компенсатора постійного струму подано на рис. 7.4, де Е_н – нормальний елемент (міра ЕРС), е.р.с. якого незмінна і відома з великим ступенем точності; ДБ – допоміжна батарея напругою 2 В; Е_х - вимірювана ЕРС; G – гальванометр застосований як нульовий прилад; r_н – опір, який регулюється при змінюванні ЕРС нормального елемента внаслідок зміни температури середовища; r – декади зразкових опорів; r_р - реостат для встановлення робочого струму; П – перемикач на два положення.

Безпосередньому вимірюванню компенсатором ЕРС Е_х передує установлення робочого струму I_р компенсатора. Для цього перемикач П становлять у положення 1. Змінюючи опір r_р, зводять покази гальванометра до нуля. Це настає, коли , звідки робочий струм . Потім перемикач П переводять у положення 2 і, змінюючи опір r, знову добиваються відсутності струму у гальванометрі. Тоді матимемо

Таким чином, вимірювана ЕРС порівнюється з ЕРС нормального елемента.

Робочий струм компенсатора завжди має бути сталим. Тому опір r можна відградуювати безпосередньо у вольтах. Щоб змінювання ЕРС нормального елемента внаслідок зміни температура середовища не впливала на робочий струм, у схемі компенсатора передбачена наявність опору r_н .

Рис. 7.4

Вимірювання ЕРС компенсатором постійного струму здійснюється з високою точністю порядку 0.01…0.02%.

Великою перевагою компенсаторів є те, що у мить вимірювання (завдяки компенсації) з вимірювального кола енергія не споживається, тобто методична похибка дорівнює нулю.

Компенсатори поділяються на високо- й низькоомні. Високоомні компенсатори застосовуються для вимірювання напруги до 1.2….2.5 В і повірки приладів високих класів точності. Опір їх робочого кола ≈10000 Ом, а робочий струм 10^-4 А. Низькоомні компенсатори застосовуються для вимірювання напруги менших за 1 В при малих внутрішніх опорах об’єктів вимірювання. Опір їх робочого кола у межах 20…1000 Ом, а робочий струм – від 1 до 25 мА. Межа вимірювання компенсатора розширюється за допомогою спеціальних подільників напруги. Прилади за допомогою компенсатора перевіряють, порівнюючи покази повірюваного приладу з показами компенсатора, ввімкнених в одне коло. При повірці вольтметра у колі встановлюються за вольтметром напруги U _v, які відповідають оцифрованим поділкам його шкали. Ці ж напруги вимірюються компенсатором U₀з високою точністю. У результаті вимірювань U _v i U₀ розраховуються абсолютні похибки Δ U= U _v - U₀, а потім – відносні γ =(Δ U/ U_v)*100% і приведені похибки β =(Δ U/ U_H) *100%, де U_H – верхня межа діапазону вимірювання вольтметра.

Маючи абсолютні похибки, можна розрахувати поправки a = - ΔU і побудувати криву поправок (ламана лінія), яка дозволяє коректувати значення напруги, виміряні вольтметром.

Клас точності стрілочних вольтметрів, як правило, нормується за максимально припустимою приведеною похибкою, яка є сталою для будь якої точки шкали. Тому максимальна приведена похибка (із ряду здобутих значень) визначає клас точності вольтметра зі стрілочним вказівником. Якщо максимальна приведена похибка не перевищує значення класу точності (±, %) - /β_max/≤К, то повірюваний прилад придатний до використання із заданим класом точності. Якщо /β_max/>К, то – не придатний. Максимально припустима відносна похибка стрілочного вольтметра визначається за формулою:

%.

Клас точності цифрових вольтметрів задається двома числами у вигляді дробу c/d. Стандартні числа c,d визначають основну припустиму відносну похибку цифрового вольтметра, яка залежить від значення вимірюваної величини й визначається за формулою , де U_H, U _v – верхня межа та показ повірюваного вольтметра. Порівнюючи значення фактичної відносної похибки γ та допустимої відносної похибки γ_доп для кожного виміру, можна зробити висновки про придатність цифрового вольтметра для використання на наступний міжповірочний інтервал.

Щоб виміряти струм компенсатором, у коло вимірюваного струму послідовно вмикають відомий зразковий опір r₀. Компенсатором вимірюється спад напруги на ньому U₀, а шуканий струм визначається з виразу I = U₀ / r₀ .

Щоб виміряти опір r_x компенсатором, послідовно з ним у коло вмикається відомий зразковий опір r₀ . Користуючись перемикачем на два парні положення, компенсатором по черзі вимірюють спади напруги U₀ i U_x. Із співвідношення Визначають шуканий опір

.

Як повірюваний прилад в роботі можуть використовуватися або електромагнітний, або цифровий вольтметри. Електромеханічні прилади розглянуті раніше (лаб. раб. №1). В цій роботі розглянемо цифрові прилади, які в процесі вимірювання здійснюють автоматичне перетворення аналогової вимірюваної величини в дискретну з наступною індикацією результату вимірювання на цифровому відліковому пристрою.

У порівнянні з аналоговими цифрові прилади мають такі переваги: висока точність, широкий робочий діапазон, висока швидкодія, отримання результатів виміру в зручній формі для зчитування та автоматизації. Функціональну схему (рис.7.5) цифрового приладу (ЦП) складають вхідний аналоговий перетворювач (ВАП), аналого-цифровий перетворювач (АЦП), цифровий відліковий пристрій (ЦВП) та блок управління (БУ).

ВАП виконує ручне або автоматичне перетворення вхідної аналогової величини Х до рівня й виду зручного для подальшого перетворення, а також відокремлення сигналу

Рис. 7.5. від перешкод. АЦП здійснює дискретизацію за часом та квантування за рівнем вхідної величини, тобто перетворення аналогового сигналу в цифровий. ЦВП перетворює код про вимірювану величину в цифровий відлік, зручний для зчитування оператором. ЦВП використовують газорозрядні, світлодіодні, рідиннокристалічні індикатори. Основою цифрового приладу є АЦП, які можна розділити на 3 групи [5]: а) з часо-імпульсним перетворенням; б) з частото-імпульсним перетворенням; в) порозрядного врівноваження.

Розглянемо структурну схему часо-імпульсного АЦП (рис. 7.6.), який використовується в цифрових вольтметрах постійного струму [5]. В схемі прийняті наступні позначення: БУ – блок управління; ГЛН – генератор лінійно змінюваної напруги U_л; БП – блок порівняння (компаратор); БФ – блок формування прямокутних імпульсів U_з; ЧС – часовий селектор; ГРІ – генератор рахункових імпульсів U_р, формує імпульсну послідовність суворо визначеної частоти f_р.

Рис. 7.6. Рис.7.7.

З БУ на вхід БФ й одночасно ГЛН поступає імпульс U₁ (момент t₁). Запускається ГЛН, а на виході БФ формується сигнал логічної одиниці U_з. Рахункові імпульси можуть проходити через ЧС лише тоді, коли він відкритий прямокутним імпульсом від БФ. Лінійно змінювана напруга U_л подається на БП. Коли лінійна напруга U_л зрівняється з вхідною постійною напругою U_х , блок порівняння на свому виході зформує імпульс U₂ (момент t₂). Таким чином, старт-імпульс U₁ відкриває, а стоп-імпульс U₂ закриває часовий селектор ЧП й припиняє проходження через нього рахункових імпульсів. Часова діаграма сигналів подана на рис. 7.7. Із діаграми випливає, що число імпульсів на виході часового селектора: , де - час знаходження селектора у відкритому стані; - період рахункових імпульсів. Отже, при умові, що , - const, число імпульсів N буде пропорційно вимірюваній напрузі U_х :

Отже, в часо-імпульсному АЦП здійснюється два перетворення:

1) Напруги в інтервал часу: U_х →Δt_x;

2) Інтервала часу в число імпульсів: Δt_x → N.

Загальна приведена похибка цих АЦП визначається похибками від нестабільності f_p, α, від шумових перешкод, від перетворення часового інтервалу в довжину прямокутного імпульсу й складає приблизно 0,1% [5].

Завдання

7.2.1. Вивчити побудову і принцип дії компенсатора (потенціометра) постійного струму і повірюваного вольтметра. Записати технічні характеристики засобів вимірювання.

Дата добавления: 2015-10-28