Методические указания

по выполнению лабораторной работы № 1

Изучение аналогового вольтметра

Лабораторная работа № 1

Изучение аналогового вольтметра

1. Тема: Аналоговые электронные вольтметры.

2. Требования к знаниям

Студент должен

иметь представление:

- о вольтметрах различных типов.

знать:

- принцип работы измерительного механизма магнитоэлектрической системы;

- типы детекторов используемых в аналоговых вольтметрах;

- виды погрешностей характеризующих измерительные приборы.

Уметь:

- пользоваться электронным вольтметром.

3. Цель

3.1.Ознакомиться с основными техническими характеристиками вольтметра.

3.2. Получить практические навыки работы с электронным вольтметром.

4. Литература

4.1. «Электрорадиоизмерения» под редакцией А. С. Сигова. - М.: «Форум – Инфра-М», 2004.

4.2. С. И. Боридько, Н. В. Дементьев, Б. Н. Тихонов И. А. Ходжаев «Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах» - М.: «Горячая линия - Телеком» 2007.

4.3. Техническое описание вольтметра В3-38.

4.4. Описание лабораторной работы № 1.

5. Подготовка к работе

5.1. Изучить (повторить) теоретический материал о принципе работы электронных вольтметров [1] §3.1.-3.2 §3.4, стр.93-105, [2] §7.1-7.4 стр. 147-161.

5.2. Изучить (повторить) теоретический материал о погрешностях измерительных приборов [1] §2.5 стр. 68-71.

5.3. Ознакомиться с техническим описанием вольтметра В3-38.

5.4. Подготовить бланк отчета

5.4.1 Титульный лист.

5.4.2 Упрощенная структурная схема вольтметра.[4] рисунок 1.9.

5.4.3 Технические данные вольтметра [4] стр.12 приложение 1.1.

5.4.3 Схемы измерений [4] рисунки 1.1, 1.2.

5.4.2 Формы протоколов измерений [4] таблицы 1.1, 1.2.

5.5. Контрольные вопросы допуска

5.5.1. Как проверить исправность вольтметра?

5.5.2. Как производится выбор поддиапазона измерений и отсчёт показаний по вольтметру?

5.5.3. Какие различают погрешности средств измерений?

5.5.4. В чём суть задания лабораторной работы?

6. Основное оборудование

6.1. Изучаемый вольтметр В3-38.

6.2. Измерительный генератор ГЗ-112

6.3. Образцовый вольтметр В7-16.

6.4. Магазин сопротивлений МРС- 60.

6.5. Соединительные провода.

7. Задание

7.1. Изучить конструкцию электронного вольтметра.

7.2. Произвести поверку вольтметра В3-38.

7.3. Измерить входное сопротивление вольтметра.

8. Порядок выполнения работы

8.1. Изучение конструкции электронного вольтметра.

Пользуясь техническим описанием [3] изучите функциональную схему прибора. Повторите назначение основных блоков.

Изучите расположение и назначение органов управления.

8.2. Поверка электронного вольтметра. Значения для проведения измерений сообщает преподаватель.

8.2.1. Соберите схему, приведённую на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Схема поверки вольтметра.

В качестве образцового вольтметра Р₁ используется вольтметр В7-16. Р₂ – поверяемый вольтметр В3-38.

8.2.2. Настройте генератор на частоту f = 1 кГц.

8.2.3. Установите по вольтметру В3-38 значение напряжения заданное преподавателем, по образцовому вольтметру определите действительное значение измеряемого напряжения. Пределы вольтметров

В3-38 и В7-16 необходимо выбрать в соответствии с измеряемым напряжением.

8.2.4. Рассчитайте абсолютную, относительную и приведённую погрешность.

абсолютная погрешность рассчитывается по формуле (1.1):

относительная погрешность рассчитывается по формуле (1.2):

приведённая погрешность рассчитывается по формуле (1.3):

где: - показания поверяемого вольтметра в3-38;

- показания образцового вольтметра В7-16;

- предел измерений.

8.2.5. Определите среднюю приведённую погрешность по формуле (1.4) и сравните её с классом точности.

если > К прибор метрологически не исправен.

8.2.6. Результаты измерений занесите в таблицу 1.1.

Таблица 1.1.

8.3. Измерение входного сопротивления вольтметра.

8.3.1. Соберите схему, приведённую на рисунке 1.2.

В качестве переменного резистора R_m используйте магазин сопротив

Рисунок 1.2 - Схема измерения входного сопротивления.

Р₁ – образцовый вольтметр В7-16А;

Р₂ – образцовый вольтметр В3-38.

8.3.2. Настройте генератор на частоту 55 Гц.

8.3.3. При выключенном сопротивлении R_m = 0, изменяя напряжение на выходе генератора, установите стрелку вольтметра Р_2, сопротивление которого измеряется, над наибольшей числовой отметкой шкалы.

8.3.4. Введите такое сопротивление R_m, при котором заметно изменится напряжение на измеряемом вольтметре.

8.3.5. Рассчитайте входное сопротивление вольтметра по формуле (1.5):

где

- входное сопротивление измеряемого вольтметра;

- показания вольтметра Р₂ при включённом сопротивлении R_m;

- показания образцового вольтметра P₁;

R_m - сопротивление магазина.

8.3.6. Аналогичную работу проделайте для других заданных поддиапазонов вольтметра.

8.3.7. Результаты измерений и расчётов занесите в таблицу 1.2.

Таблица 1.2

Сравните полученное значение с паспортными данными, указанными в техническом описании.

9. Содержание отчёта

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.1. Результаты измерений.

9.2. Заключение о метрологической исправности поверяемого вольтметра.

9.3. Заключение о величине входного сопротивления вольтметра.

10. Контрольные вопросы зачёта

10.1. Структурная схема электронного вольтметра. Назначение блоков?

10.2. Какие типы детекторов используемых в электронных вольтметрах?

10.3. Дайте определение амплитудного, действующего и средневыпрямлённого значения напряжения. Как они связаны между собой?

10.4. Как градуируются вольтметры среднего квадратического, средневыпрямленного и амплитудного значений?

10.5. Поясните принцип действия измерительного механизма магнитоэлектрической системы.

10.6. Дайте определение абсолютной, относительной и приведенной погрешностей. Что характеризуют эти погрешности?

Приложение 1.1

к лабораторной работе № 1

МИЛЛИВОЛЬТМЕТР В3-38

1. назначение прибора

Рисунок 1.3 – Фото милливольтметра

Милливольтметр В3-38 предназначен для измерения напряжения переменного тока от 0, 1 мВ до 300В в диапазоне частот от 20 Гц до 5 МГц. Показания прибора пропорциональны средневыпрямленному значению, а шкала прибора проградуирована в эффективных значениях синусоидального напряжения. Прибор имеет отдельную шкалу, проградуированную в децибелах. Уровень «0» децибел равен 0, 775В.

1. технические характеристики

Диапазон измеряемых напряжений от 100 мкВ до 300 В перекрывается пределами 1, 3, 10, 30, 100, 300 мВ; 1, 3, 10, 30, 100, 300 В.

Диапазон частот, измеряемых прибором напряжений от 20 Гц до 5 МГц.

Основная погрешность прибора, выраженная в процентах от конечного значения установленного предела измерения, не превышает 2, 5% на пределах измерения от 1 мВ до 300 мВ и 4% на пределах измерения от 1 до 300 В.

Входное сопротивление на частоте 55 Гц (4 – 5) Мом.

Входная ёмкость не превышает:

30 пФ на пределах 1-300 мВ;

15 пФ на пределах 1-300 В.

2. устройство и принцип работы

Прибор выполнен в виде переносного прибора. Основной каркаса являются рамы и боковые стяжки. Вся схема прибора собрана на одной печатной плате.

На задней панели закреплён трансформатор, держатель предохранителя и клемма заземления. На передней панели расположены: 1 - входное гнездо;

2 - механический корректор нуля;

3 - переключатель пределов измерения;

4 - индикатор включения прибора;

5 - тумблер включения и выключения прибора;

6 - стрелочный индикатор магнитоэлектрической системы.

3.2. Описание электрической схемы

Милливольтметр В3-38 состоит из входного делителя, преобразователя импеданса с высоким входным сопротивлением, аттенюатора, широкополосного усилителя и детектора со стрелочным индикатором. Входной делитель и преобразователь импеданса представляют собой входное устройство.

3.2.1. Входной делитель расположен между входом прибора и преобразователем импеданса. Коэффициент деления 1000.

Для точной установки коэффициента деления делителя в его нижнее плечо включён потенциометр R2. Для выравнивания частотной характеристики делителя на частотах выше 1 МГц параллельно нижнему плечу делителя подключён конденсатор С1 и цепочка С2 R3, а параллельно верхнему плечу делителя включена цепочка, состоящая из триммера С4 и конденсатора С3.

3.2.3. Аттенюатор служит для переключения пределов измерения милливольтметра. Он имеет 6 ступеней по 10 дБ. Аттенюатор выполнен на точных высокочастотных резисторах типа С2-10. Выполнение аттенюатора на двух платах переключателя с экраном между ними обеспечивает требуемую точность деления во всём диапазоне частот.

3.2.4. Широкополосный усилитель выполнен на четырёх транзисторах ГТ308 (Т3…Т6), где Т3 подбирается с k=100-120. Так он обеспечивает усиление сигнала в 300 раз.

сравнивается с сигналом, поступающим на эмиттер этого же транзистора из цепи обратной связи. Разность сигналов усиливается транзистором Т3, поступает на базу транзистора Т4 и так долее. Выходной сигнал ШУ снимается с эмиттера транзистора Т6 и составляет при полном отключении стрелки измерительного прибора примерно вольт. Выравнивание частотной характеристики ШУ осуществляется триметром С17 и, при необходимости, подбором конденсаторов С16 и С26. ШУ охвачен глубокой отрицательной обратной связью вместе с детектором, следующим за ШУ. Напряжение обратной связи снимается с детекторного моста и через делитель подаётся на эмиттер транзистора Т3. Обратная связь стабилизирует работу милливольтметра.

3.2.5. Стрелочный прибор включён в диагональ моста, образованного двумя полупроводниковыми диодами Д1 и Д2 двумя резисторами R43 и R44.

Линейность передаточной характеристики диодного моста зависит от глубины обратной связи ШУ. На частотах до 1 МГц характеристика практически линейна по всей шкале отсчётного прибора.

Используемый стрелочный прибор магнитоэлектрической системы рисунок 1.8 содержит:

1. - подковообразный магнит; 2. - полюсные наконечники; 3. - неподвижный цилиндрический сердечник, выполненный из магнитномягкого материала; 4. - рамка, намотанная медным проводом; 5. - плоские спиральные пружины; 6. - стрелка; 7. - противовесы.

Рисунок 1.8 – Измерительный механизм магнитоэлектрической системы

Измеряемый ток, проходя по виткам рамки, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. Создаваемый при этом вращающий момент, направление которого определяется правилом левой руки, вызывает поворот рамки на такой угол, при котором он уравновешивается противодействующим моментом, возникающим при закручивании пружин. Угол отклонения стрелки пропорционален току, протекающему через рамку.

3.2.6. Питание ПИ и ШУ осуществляется от выпрямителей на диодах Д7-Д10 с фильтрами R49…R52; С20…С23. Выпрямленные напряжения +24 В -24 В стабилизированы стабилитронами Д3…Д6.

Рисунок 1.9 - Упрощенная структурная схема вольтметра В3-38.

3. Подготовка прибора к работе

Перед включением прибора в сеть необходимо:

- проверить наличие предохранителя;

- заземлить корпус прибора;

- проверить механический нуль прибора и при необходимости установить его с корректором, расположенным в центре передней панели;

- переключатель пределов измерения установить в положение 300 В;

- включить прибор в сеть и дать ему прогреться 15 минут, после этого прибор готов для проведения измерений.

5. Порядок работы

При проведении измерений необходимо выбрать предел измерения в соответствии с измеряемым напряжением. В соответствии с пределом измерении определяется цена деления прибора. Формула для расчета (1.6).

Где:

- цена деления прибора

- максимальное значение напряжения на выбранном пределе

- число делений шкалы

Отсчёт измеряемого напряжения производится по шкале прибора

n - число делений соответствующих отклонению стрелки индикатора.

Рисунок 1.10 – Шкала вольтметра В3-38

Предел измерения прибора необходимо выбирать так чтобы измеряемое напряжение было близко к пределу измерения прибора. В этом случае погрешность измерения будет минимальной.