Методические указанаия к выполнению лабораторного практикума по курсам лекций «Основы схемотехники» для студентов физического факультета юфу электрические измерения (стр. 1 из 5)
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ОРЛОВ С.В., СИДОРЕНКО Е.Н.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНАИЯ
к выполнению лабораторного практикума по курсам лекций «Основы схемотехники» для студентов физического факультета ЮФУ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Ростов-на-Дону
2008
Методические указания разработаны кандидатами физико-математических наук, доцентами кафедры Радиофизики С.В. Орловым и Е.Н. Сидоренко.
Ответственный редактор доктор физ.-мат. наук Б.Г. Барабашов
Печатается в соответствии с решением кафедры Радиофизики физического факультета ЮФУ, протокол № 1 от 09.09.2008 г.
Цель работы
· Получить навыки измерений электрических величин с многократными наблюдениями.
· Изучить методику определения основных погрешностей измерительных приборов.
· Изучить основные технические характеристики приборов.
· Научиться обрабатывать полученные экспериментальные данные.
1 Теоретические сведения
1.1 Основные технические характеристики приборов
Основными техническими характеристиками приборов для измерения напряжения и тока являются: диапазон измерений напряжения и тока, погрешности измерений, диапазон рабочих частот, входное сопротивление, время одного измерения или число измерений в единицу времени, чувствительность или цена деления.
· Диапазон измерений. Диапазон измерений представляет собой область значений напряжения или тока, измеряемых прибором с нормированной погрешностью. Для многопредельных приборов диапазон измерений указывают на каждом пределе с различной нормированной погрешностью. Переключение пределов измерений производится вручную или автоматически. Способность приборов работать при сигналах, превышающих предел измерения, называют их перегрузочной способностью. Перегрузочная способность современник цифровых вольтметров достигает 300%. Различают полный и рабочий диапазоны измерений. Полный диапазон определяют по формуле
, (1)где Umax и Umin – максимальное и минимальное значения измеряемых напряжений.
Если максимальное Umax и Umin минимальные значения измеряемых напряжений определяют с заранее установленными погрешностями, то используют понятие рабочего диапазона
, (2)который обычно меньше полного диапазона.
Полный и рабочий диапазоны измерений прибора обычно измеряют в децибелах, пользуясь формулами:
(3)
(4)· Погрешность измерений. Погрешность измерений, является основной метрологической характеристикой прибора. Различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности приборов. Абсолютная погрешность Δ определяется разностью между показанием прибора Uп и истинным значением измеряемого напряжения (или тока) Uи :
(5)Абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком, называется поправкой
(6)Относительная погрешность δ определяется отношением абсолютной погрешности Δ к истинному значению измеряемого напряжения Uи и выражается в процентах
(7)
Относительная погрешность зависит от значения измеряемого напряжения и с уменьшением напряжения увеличивается.
Приведенная погрешность γ определяется отношением абсолютной погрешности к некоторому нормирующему значению Uн напряжения и выражается в процентах
(8)В качестве нормирующего напряжения принимают предельное значение шкалы приборов с односторонней шкалой или сумму предельных значений шкалы для приборов с двухсторонней шкалой. Приведенная погрешность не зависит от значения измеряемого напряжения.
Если погрешность измерения определяют при нормальных условиях работы прибора, то ее называют основной. Для нормальных условий применения прибора нормируются величины, влияющие на результат измерения: температура, давление, влажность, напряжение питания, частота, внешние электрические и магнитные поля и др. Изменение этих влияющих величин приводит к появлению дополнительных погрешностей.
Вариация показания представляет собой наибольшую разность показаний прибора при одном и том же значении измеряемого напряжения и неизменных условиях применения. Обычно вариацию показаний определяют по формуле
(9)где U+ - измеренное значение напряжения при возрастании напряжения, U– - измеренное значение напряжения при убывании напряжения.
Вариация показаний характеризует степень устойчивости показаний прибора при одних и тех же условиях измерения одного и того же значения напряжения (или тока). Вариация показаний приближенно равна удвоенной основной погрешности.
· Чувствительность. Одной из основных характеристик приборов для измерения напряжения и тока является чувствительность. Под чувствительностью понимают отношение приращения выходной величина
У к соответствующему приращении измеряемого напряжения или тока 
(10)где выходная величина
У - угловое или линейное перемещение указателя прибора, ∆U – цифровой отсчет или кодовый набор.Для приборов с линейной шкалой чувствительность во всем диапазоне измерений постоянна. Для приборов с нелинейной шкалой чувствительность зависит от значения измеряемого напряжения. Величина, обратная чувствительности
(11)называется постоянной прибора и определяет цену деления его шкалы. Цена деления цифровых приборов соответствует значению единицы младшего разряда.
· Входное сопротивление. Входное сопротивление прибора характеризует его влияние на объект измерения или другие приборы при их подключении друг к другу. Входное сопротивление зависит от мощности, потребляемой прибором от объекта измерения. Входное сопротивление вольтметра определяется выражением
(12)а входное сопротивление амперметра находят по формуле
(13)где Pвх - мощность, потребляемая входной цепью прибора, U - измеряемое значение напряжения, I - измеряемое значение силы тока. Идеальный вольтметр, не потребляющий мощности от объекта измерения, имеет входное сопротивление, равное бесконечности, а идеальный амперметр имеет входное сопротивление, равное нулю.
· Входная емкость. При измерении напряжения и силы тока на высокой частоте большое значение имеет также входная емкость приборов. Входная емкость не влияет на потребление мощности измерительным прибором от объекта измерения, однако она приводит к сдвигу фазы между напряжениями и токами в объекте измерения и тем самым искажает результат измерения.
· Диапазон рабочих частот. Диапазон рабочих частот прибора характеризуется полосой частот сигнала, в которой возможно измерение с заданной погрешностью. За пределами диапазона рабочих частот измерение производиться с ненормируемой погрешностью.
1.2 Влияние формы напряжения и тока на показания приборов
При измерении переменных напряжений и токов пользуются следующими значениями: средним, средневыпрямленным, среднеквадратический (действующим), амплитудным (пиковым). Использование большого числа напряжений и токов различных значений обусловлено сложной формой переменного напряжения или тока. В качестве стандартной формы при градуировке шкал приборов используют синусоидальные напряжения или токи.
Среднее значение периодического напряжения определяют по формуле
, (14)где Т - период напряжения, u ( t ) - мгновенное значение напряжения.
Средневыпрямленное значение напряжения определяется средним значением модуля напряжения
(15)Среднеквадратическое (действующее) значение напряжения равно
(16)Связь между амплитудным, средним (или средневыпрямленным) и действующим значениями напряжения устанавливают при помощи специальных коэффициентов амплитуды, формы и усреднения. Коэффициент амплитуды устанавливает соотношение между амплитудным (пиковым) и действующим значениями напряжений
(17)