Для измерений подходит напряжение переменного. Как измерить напряжение мультиметром
Бесперебойная работа электроприборов во многом зависит от уровня напряжения в сети, правильности подачи тока, целостности проводки. Провести измерение переменного напряжения можно с помощью мультиметра. Это незаменимый помощник в своевременном выявлении проблем в электросети и обеспечении безопасного использования бытовых и профессиональных приборов.
Особенности, функции, виды приборов
Данное устройство – универсальный регистратор множества электрических величин. В зависимости от модельного ряда и набора функций, которые они выполняют, мультиметры нашли свое применение, как в быту, так и в арсенале профессиональных электриков.
Средний по стоимости мультиметр может измерить:
- показатель переменного напряжения в сети и постоянное напряжение аккумулятора или батарейки;
- постоянный и переменный ток (силу тока);
- уровень сопротивления;
- работоспособность диодов (режим прозвонки);
- частоту тока;
- температуру;
- величину емкости конденсатора.
Устройства нового образца могут иметь низкочастотный генератор и звуковой пробник. Среди всего ассортимента изделий стоит выделить 2 основных типа приборов.
Электронный (цифровой) тип. Полученные показатели отображаются на экране, который окружен индикаторами из семи сегментов. Большинство из них работает в автоматическом режиме, предельное значение величин мультиметр определяет самостоятельно, исходя из полученных данных. Нужно просто выбрать вид измерения. Другие модели могут передавать данные напрямую в компьютер для их дальнейшей обработки.
Стрелочный тип. Этот вид устройства станет настоящим спасением, когда сильные помехи нарушают нормальное функционирование электронного мультиметра и полностью искажают информацию.
В домашних условиях достаточно будет проводить измерения тока мультиметром электронного типа с разрядностью 3,5. Это приборы наподобие dt 831, 832 или более новой модификации dt 834.
Элементы корпуса
Так как все большим спросом стали пользоваться цифровые модели, обозначения и основные характеристики мультиметров будут рассмотрены именно на их примере.
Они оснащены жидкокристаллическим экраном, который выдает измеренные значения величин. Чуть ниже расположен, вращающийся вокруг своей оси переключатель. Он указывает выбранный вид и пределы измерений.
К гнездам на корпусе мультиметра присоединяются 2 щупа с проводами: красный или положительный, черный или отрицательный.
К разъему подписанному, как «земля» либо «СОМ», всегда подключается отрицательный щуп. Положительный подсоединяется в любое другое гнездо.
Следует отметить, что разъемов может быть 2, 3 или 4. Их количество зависит от модели и производителя. Однако и в таких мультиметрах может меняться гнездо для подсоединения только положительного щупа, отрицательный остается на прежнем месте.
Режимы работы тестера
Работа мультиметра и его режимов регулируется с помощью переключателя. Его верхнее вертикальное положение говорит о том, что устройство выключено.
Поворот в любую другую сторону говорит о смене режима и обозначается следующим образом:
Все результаты отображаются на экране тестера за считанные секунды, с точностью до сотых сообщая о величине выбранного показателя.
Обозначение переменного тока на любом мультиметре может быть изображено в виде символов АС (alternating current). Соответственно, АСА – сила переменного тока, ACV – напряжение переменного тока. Это ток, который изменяет направление движения огромное, но постоянное количество раз за 1 секунду. В домашних сетях частота изменений составляет 50 Гц.
Последовательность подключения
Важно заметить, что приступая к замерам уровня переменного тока, соблюдать полярность подсоединения щупов вовсе необязательно. В случае если ее значение отрицательно, то на экране перед цифрами просто отобразиться знак «минус».
Переключатель мультиметра, измеряющий данный показатель, ставим в соответствующее положение и устанавливаем диапазон измерений.
К выбору пределов замеров стоит отнестись максимально ответственно. Если измеряемый ток значительно превысит выбранный диапазон, это может спровоцировать перегорание предохранителя или, что еще хуже, – всего мультиметра.
Обратите внимание на выбор разъема (гнезда). Под ним должно стоять максимальное значение силы тока, которую вы хотите измерить. 10 А означает, что измеряется ток до 10 А (довольно большой).
Чтобы урегулировать процесс измерений вначале переключатель устанавливается на предельно допустимый диапазон значений, вставляют штекеры щупов в гнезда. Далее по мере необходимости снижают уровень.
Чтобы измерить силу переменного или постоянного тока, мультиметр надо включить в цепь последовательно с нагрузкой (фонарик, светильник, кулер, радиосхема и т.д.). Это основное правила для всех измерительных электроприборов. То есть для измерения тока мультиметр включают «в разрыв» цепи.
Как определить значение переменного напряжения в сети
Важным моментом при определении переменного напряжения является тот факт, что щупы мультиметра подключаются к измеряемому устройству параллельно. Это связано с тем, что напряжение само по себе – разность потенциалов между двумя точками.
Можно воспользоваться тем же принципом, что и в случае с переменным током. Диапазон величины регулировать от максимального к минимальному, не забывая про положение щупов.
В качестве примера для измерения переменного напряжения можно воспользоваться стандартной батарейкой. Переключатель ставится на соответствующий режим, устанавливается диапазон. При этом щупы касаются батарейки параллельно друг другу с обеих сторон. И моментально видно, как экран отображает величину напряжения исследуемого элемента.
С постоянным напряжением ситуация та же, только нужно не забывать переставлять переключатель на правильный режим.
Независимо от модели и специфики работы мультиметра важно соблюдать инструкцию по технике пожарной безопасности, правильно обращаться с электрическими приборами, не подвергая риску свое здоровье.
В радиолюбительской практике это наиболее распространенный вид измерений. Например, при ремонте телевизора измеряются напряжения в характерных точках устройства, а именно на выводах транзисторов и микросхем. Если есть под рукой принципиальная схема, и на ней указаны режимы транзисторов и микросхем, то найти неисправность опытному мастеру не составит труда.
При налаживании конструкций, собранных своими руками, без измерения напряжений обойтись нельзя. Исключения составляют лишь классические схемы, про которые пишут примерно так: «Если конструкция собрана из исправных деталей, то наладки не требуется, заработает сразу».
Как правило, это классические схемы электроники, например, . Такой же подход может получиться даже к усилителю звуковой частоты, если он собран на специализированной микросхеме. Как наглядный пример TDA 7294 и еще много микросхем этой серии. Но качество «интегральных» усилителей невелико, и истинные ценители строят свои усилители на дискретных транзисторах, а порою на электронных лампах. И вот тут-то без налаживания и связанных с этим измерений напряжений просто не обойтись.
Как и что предстоит измерять
Показано на рисунке 1.
Рисунок 1.
Возможно, кто-то скажет, мол, что тут можно измерять? И какой смысл собирать подобную цепь? Да, практического применения для такой схемы найти, наверно, трудно. А для познавательных целей она вполне подойдет.
Прежде всего, следует обратить внимание на то, как подключается вольтметр. Поскольку на рисунке показана цепь постоянного тока, то и вольтметр подключается с соблюдением полярности, указанной на приборе в виде знаков «плюс» и «минус». В основном это замечание справедливо для стрелочного прибора: при несоблюдении полярности стрелка отклонится в обратную сторону, по направлению к нулевому делению шкалы. Так что получится какой-то отрицательный ноль.
Цифровые приборы, мультиметры, в этом плане более демократичны. Даже если подключены в обратной полярности, напряжение все равно будет измерено, только на шкале перед результатом появится знак «минус».
Еще на что следует обратить внимание при измерении напряжений это диапазон измерений прибора. Если предполагаемое напряжение находится в пределах, например, 10…200 милливольт, то такому диапазону соответствует шкала прибора 200 милливольт, а измерение упомянутого напряжения по шкале 1000 вольт вряд ли даст вразумительный результат.
Так же следует выбирать диапазон измерений и в других случаях. Для измеряемого напряжения 100 вольт вполне подойдет диапазон 200В и даже 1000В. Результат будет один и тот же. Это что касается .
Если же измерения производятся старым добрым стрелочным прибором, то для измерения напряжения 100В следует выбрать диапазон измерений, когда показания находятся в середине шкалы, что позволяет осуществить более точный отсчет.
И еще одна классическая рекомендация по использованию вольтметра, а именно: если величина измеряемого напряжения неизвестна, то измерения следует начинать, установив вольтметр на самый большой диапазон. Ведь если измеряемое напряжение будет 1В, а диапазон будет 1000В, самая большая опасность в неверных показаниях прибора. Если же получится наоборот, - диапазон измерений 1В, а измеряемое напряжение 1000, покупки нового прибора просто не избежать.
Что покажет вольтметр
Но, пожалуй, вернемся к рисунку 1, и попробуем определить, что, же покажут оба вольтметра. Для того, чтобы это определить, придется . Задачу можно решить за несколько шагов.
Во-первых, рассчитать ток в цепи. Для этого надо напряжение источника (на рисунке это гальваническая батарея с напряжением 1,5 В) разделить на сопротивление цепи. При последовательном соединении резисторов это будет просто сумма их сопротивлений. В виде формулы это выглядит примерно так: I = U / (R1 + R2) = 4,5 / (100 + 150) = 0,018 (А) = 180 (мА).
Маленькое замечание: если выражение 4,5 / (100 + 150) скопировать в буфер обмена, затем вставить в окно виндоус-калькулятора, то после нажатия клавиши «равно» будет получен результат вычислений. На практике вычисляются еще более сложные выражения, содержащие квадратные и фигурные скобки, степени и функции.
Во-вторых, получить результаты измерений, как падение напряжения на каждом резисторе:
U1 = I * R1 = 0,018 * 100 = 1,8 (В),
U2 = I * R2 = 0,018 * 150 = 2,7 (В),
Для проверки правильности вычислений достаточно сложить оба получившиеся значения падения напряжений. Сумма должна быть равна напряжению батареи.
Возможно, у кого-то может возникнуть вопрос: «А если делитель будет не из двух резисторов, а из трех или даже из десяти? Как определить падение напряжения на каждом из них?». Точно так же, как и в описанном случае. Сначала надо определить общее сопротивление цепи и рассчитать общий ток.
После чего этот уже известный ток просто умножить на . Иногда такие вычисления делать приходится, но тут тоже есть одно но. Чтобы не сомневаться в полученных результатах ток в формулы следует подставлять в Амперах, а сопротивление в Омах. Тогда, вне всяких сомнений, результат получится в Вольтах.
Сейчас все привыкли пользоваться приборами китайского производства. Но это не говорит о том, что качество у них никудышное. Просто в отечестве никто не додумался до производства собственных мультиметров, а стрелочные тестеры делать, видимо, разучились. Просто обидно за державу.
Рис. 2. Мультиметр DT838
Когда-то в инструкциях к приборам указывались их технические характеристики. В частности для вольтметров и стрелочных тестеров это было входное сопротивление, и указывалось оно в Килоомах/Вольт. Были приборы с сопротивлением 10 К/В и 20 К/В. Последние считались более точными, поскольку меньше подсаживали измеряемое напряжение и показывали более точный результат. Сказанное можно подтвердить рисунком 3.
Рисунок 3.
Действующее напряжение U составляет 0,707 амплитудного напряжения Uм.
U = Uм/√2 = 0,707 * Uм, откуда можно сделать вывод, что Uм = U * √2 = 1,41 * U
Здесь уместно привести широко распространенный пример. При измерении переменного напряжения прибор показал 220В, значит, амплитудное значение по формуле получится
Uм = U * √2 = 1,41 * U = 220 * 1,41 = 310В.
Этот расчет подтверждается каждый раз, когда сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом после которого стоит хотя бы один электролитический конденсатор: если померить постоянное напряжение на выходе моста, то прибор покажет как раз 310В. Эту цифру следует запомнить, она может пригодиться при разработке и ремонте импульсных блоков питания.
Указанная формула справедлива для всех напряжений, если они будут иметь синусоидальную форму. Например, после понижающего трансформатора имеется 12В переменки. Тогда после выпрямления и сглаживания на конденсаторе получится
12 * 1,41 = 16,92 почти 17В. Но это если не подключена нагрузка. При подключенной нагрузке постоянное напряжение подсядет почти до 12В. В случае, когда форма напряжения иная, чем синусоида эти формулы не работают, приборы показывают не то, что от них ожидалось. На этих напряжениях измерения производятся другими приборами, например, осциллографом.
Еще один фактор, влияющий на показания вольтметра это частота. Например, цифровой мультиметр DT838 согласно своих характеристик меряет переменные напряжения в диапазоне частот 45…450Гц. Несколько лучше в этом плане выглядит старенький стрелочный тестер ТЛ4.
В диапазоне напряжений до 30В его частотный диапазон составляет 40…15000Гц (почти весь звуковой диапазон, можно пользоваться при настройке усилителей), но с увеличением напряжения допустимая частота падает. В диапазоне 100В это 40…4000Гц, 300В 40…2000Гц, а в диапазоне 1000В всего 40…700Гц. Вот тут уже бесспорная победа над цифровым прибором. Эти цифры также справедливы лишь для напряжений синусоидальной формы.
Хотя иногда и не требуется никаких данных о форме, частоте и амплитуде переменных напряжений. Например, как определить работает гетеродин коротковолнового приемника или нет? Почему приемник ничего не «ловит»?
Оказывается, все очень просто, если воспользоваться стрелочным прибором. Надо включить его на любой предел измерения переменных напряжений и одним щупом (!) коснуться выводов транзистора гетеродина. Если есть высокочастотные колебания, то они продетектируются диодами внутри прибора, и стрелка отклонится на некоторую часть шкалы.
Для измерения переменного напряжения используются аналоговые электромеханические приборы (электромагнитные, электродинамические, редко - индукционные), аналоговые электронные приборы (в том числе выпрямительной системы) и цифровые измерительные приборы. Для измерений могут также использоваться компенсаторы, осциллографы, регистрирующие устройства и виртуальные приборы.
При измерении переменного напряжения следует различать мгновенное, амплитудное, среднее и действующее значения искомого напряжения.
Синусоидальное переменное напряжение может быть представлено в виде следующих соотношений:
где u(t) - мгновенное значение напряжения, В; U m - амплитудное значение напряжения, В; (У - среднее значение напряжения, В Т - период
(Т = 1//) искомого синусоидального напряжения, с; U - действующее значение напряжения, В.
Мгновенное значение переменного тока может быть отображено на электронном осциллографе или с помощью аналогового регистратора (самописца).
Средние, амплитудные и действующие значения переменных напряжений измеряются стрелочными или цифровыми приборами непосредственной оценки или компенсаторами переменных напряжений. Приборы для измерения средних и амплитудных значений используются сравнительно редко. Большая часть приборов градуируется в действующих значениях напряжения. Из этих соображений количественные значения напряжений, приведенные в учебном пособии, даны, как правило, в действующих значениях (см. выражение (23.25)).
При измерениях переменных величин большое значение имеет форма искомых напряжений, которые могут быть синусоидальными, прямоугольными, треугольными и др. В паспортах на приборы всегда указывается, для измерения каких напряжений рассчитан прибор (например, для измерения синусоидальных напряжений или прямоугольных). При этом всегда указывается, какой параметр переменного напряжения измеряется (амплитудное значение, среднее значение или действующее значение измеряемого напряжения). Как уже отмечалось, большей частью используется градуировка приборов в действующих значениях искомых переменных напряжений. В силу этого все далее рассматриваемые переменные напряжения даны в действующих значениях.
Для расширения пределов измерения вольтметров переменных напряжений используются добавочные сопротивления, измерительные трансформаторы и добавочные емкости (с приборами электростатической системы).
Использование добавочных сопротивлений для расширения пределов измерения уже рассмотрено в подразделе 23.2 применительно к вольтметрам постоянного напряжения и поэтому в данном подразделе не рассматривается. Не рассматриваются также измерительные трансформаторы напряжения и тока. Сведения по трансформаторам даны в литературе .
При более детальном рассмотрении использования добавочных емкостей для расширения пределов измерения электростатистики вольтметров может применяться одна дополнительная емкость (рис. 23.3, а) или же могут быть применены две дополнительные емкости (рис. 23.3, б).
Для схемы с одной дополнительной емкостью (рис. 23.3, а ) измеряемое напряжение U распределяется между емкостью вольтметра С у и дополнительной емкостью С обратно пропорционально значениям С у и С
Учитывая, что U c = U- Uy, можно записать
Рис. 23.3. Схема расширения пределов измерения электростатических
вольтметров:
а - схема с одной добавочной емкостью; б - схема с двумя добавочными емкостями; U - измеряемое переменное напряжение (действующее значение); С, С, С 2 - добавочные емкости; C v - емкость используемого электростатического вольтметра V; U c - падение напряжения на дополнительной емкости С; U v - показание электростатического вольтметра
Решая уравнение (23.27) относительно U, получим:
Из выражения (23.28) следует, что чем больше измеряемое напряжение U по сравнению с предельно допускаемым напряжением для данного электростатического механизма, тем меньше должна быть емкость С по сравнению с емкостью С у.
Следует отметить, что формула (23.28) правомерна лишь при идеальной изоляции конденсаторов, образующих емкости С и C v . Если же диэлектрик, изолирующий пластины конденсаторов друг от друга, имеет потери, то возникают дополнительные погрешности. Кроме того, емкость вольтметра С у зависит от измеряемого напряжения U, так как от U зависят показания вольтметра и соответственно взаимное расположение подвижных и неподвижных пластин, образующих электростатический измерительный механизм. Последнее обстоятельство приводит к появлению еще одной дополнительной погрешности.
Лучшие результаты получаются, если вместо одной добавочной емкости использовать две добавочные емкости С (и С 2 , образующие делитель напряжения (см. рис. 23.3, б).
Для схемы с двумя добавочными емкостями правомерно соотношение
где U a - падение напряжения на емкости С у
Учитывая, что
можно записать
Решая уравнение (23.30) относительно U, получим:
Из выражения (23.31) можно сделать вывод, что если емкость конденсатора С 2 , к которому подключен вольтметр, значительно превышает емкость самого вольтметра, то распределение напряжения практически не зависит от показания вольтметра. Кроме того, при С 2 » С у изменение сопротивления изоляции конденсаторов С, и С 2 и частоты
Таблица 23.3
Пределы и погрешности измерения переменных напряжений
измеряемого напряжения также мало влияют на показания прибора. То есть при использовании двух добавочных емкостей дополнительные погрешности результатов измерений значительно снижаются.
Пределы измерения переменных напряжений приборами разных типов и наименьшие погрешности этих приборов приведены в табл. 23.3.
В качестве примеров в приложении 5 (табл. П.5.1) приведены технические характеристики универсальных вольтметров, позволяющих измерять, в том числе, и переменные напряжения.
В заключение следует отметить следующее.
Погрешности измерения токов (постоянных и переменных) приборами одного типа и в равных условиях всегда больше погрешностей измерения напряжений (и постоянных, и переменных). Погрешности измерения переменных токов и напряжений приборами одного типа и в равных условиях всегда больше погрешностей измерения постоянных токов и напряжений.
Более подробную информацию по затронутым вопросам можно получить в .
Почти каждому из нас рано или поздно доводилось (или еще придется) столкнуться с задачей измерить электрическое напряжение.
Это может понадобиться вам в одной из бесконечного множества бытовых ситуаций, и хорошо бы заранее знать, как и при помощи чего это можно сделать.
Для измерения напряжения вам понадобится всего лишь один прибор под названием "мультиметр" и источник электроэнергии. Измерить напряжение завалявшейся батарейки, блока питания для ноутбука, оголенных проводов в квартире - это одни из наиболее частых применений.
В этой статье мы на примере рассмотрим как измерять напряжение электрической энергии при помощи бытового мультиметра.
В качестве примера, для чего это нужно знать каждому, можно привести несколько бытовых ситуаций: замерив напряжение на батарейке можно понять, насколько она "здорова", или может быть её уже можно выбрасывать; лампа в люстре не горит, хотя лампочка новая - стоит проверить, возможно проблема в проводке; при отключении электричества на щитке в подъезде не лишним будет убедиться, действительно ли вы обесточили всю квартиру. В общем, применений масса.
С задачами разобрались, теперь стоит рассказать о том, что вам для понадобится для измерений. В 99% бытовых ситуаций вам будет нужен лишь источник переменного или постоянного тока и "мультиметр" - прибор измеряющий напряжение, также называемый "тестером", и другие электрические показатели, а конкретно одна из его функций - вольтметр . Для домашних замеров подойдет самая простая модель, которую можно найти в магазине по цене от 200 рублей.
И совсем немного о токе. Напряжение электрического тока измеряется в вольтах (V) . Сам ток может быть постоянным (DCV) или переменным (ACV) . В розетке и домашней проводке ток всегда переменный, а у всего, где есть "+" и "-" (батареек, аккумуляторов и т.д.) постоянный. Первым делом определите, какой ток вы собрались измерять и выберите на мультиметре соответствующее положение переключателя: DCV - постоянный ток, ACV - переменный ток.
Цифровые значения на мультиметре - это максимальные измеряемые показатели. Если вы даже приблизительно не знаете какое напряжение вам предстоит измерить, начните с установки на самое высокое значение.
Стоит учесть, что многие современные мультиметры умеют сами определять какой ток на них подается - постоянный или переменный. Если ваш мультиметр из таких, то вместо положений переключателя DCV и ACV у вас будет одно положение - V. В таком случае просто выставьте его.
Как подключить провода мультиметра
У многих новичков после покупки часто возникает вопрос - куда вставлять провода (а если быть точным, то они называются щупы ) мультиметра и как это правильно сделать.
Большинство мультиметров имеют три разъема для подключения проводов и два провода - черный и красный. Черный провод вставляется в гнездо с надписью COM , красный же в гнездо, где в числе символов есть обозначение V .
Третье гнездо служит для замера высоких токов и для измерения напряжения оно нам не понадобится, а вообще в него при необходимости перетыкается красный провод, а черный всегда остается в одном гнезде.
Как измерить напряжение в розетке
Одной из самых частых задач является измерение напряжение в розетке либо в квартирной проводке. При помощи мультиметра это сделать очень просто. Как мы уже писали выше, в розетках течет переменный ток, поэтому для его измерения нужно выставить переключатель на мультиметре в зону ACV .
Мы знаем, что напряжение должно быть примерно 220 вольт, поэтому если у вас мультиметр как на примере с фотографии выше - выставьте переключатель на отметку больше предполагаемого значения , в данном случае на 750 в диапазоне ACV.
Настроив прибор самое время засунуть пальцы щупы в розетку. Не имеет разницы какой провод в какое отверстие розетки вставлять. В целом здесь бояться нечего, главное держаться за изолированную часть щупов и не касаться металлической их части (хотя сделать это довольно сложно даже при большом желании), а также не допускать их касания друг друга, пока они вставлены в розетку, иначе можно устроить короткое замыкание.
Если вы все сделали правильно на экране вашего мультиметра будет показано текущее напряжение в розетке и вашей внутриквартирной проводке.
В нашем случае это 235.8 вольт - в пределах нормы. Ровно 220V на экране вы никогда не увидите, так что погрешность в +-20 - это нормально.
Как измерить напряжение аккумулятора или батареи
Всевозможные батарейки и различные аккумуляторы, в общем все, где вы видите "+" и "-" - все это источники постоянного электрического тока. Измерить постоянное напряжение ни чуть не сложнее, чем переменное.
Для этого возьмите, к примеру, самую обыкновенную пальчиковую батарейку. Соедините красный провод мультиметра с "+" - вым контактом батарейки, а черный с "-" - вым . Если вы соедините их наоборот - ничего страшного не произойдет, просто на экране мультиметра показания будут отображаться со знаком "минус", примерно вот так.
Обычно напряжение на аккумуляторах маленькое, так что можно не бояться и прижимать щупы пальцами. До 20 вольт вы скорее всего ничего не почувствуете. В случае батарейки типа AAA - её максимальное напряжение 1.5 вольта, что совсем не страшно для человека.
Как мы видим из показаний мультиметра, напряжение в нашей батарейке 1.351 вольта, а значит батарейка еще вполне себе заряженная и может использоваться.
Аналогичным образом можно проверять любые другие элементы питания и измерять их вольтаж, и как вы теперь знаете, ничего сложного в этом нет.
Цель работы - исследование метрологических характеристик электронных вольтметров
Ознакомиться с используемой аппаратурой и инструкциями по ее применению. Получить у преподавателя конкретное задание по выполнению работы.
Определить основную погрешность электронного вольтметра на диапазоне измерений, указанном преподавателем. Построить на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра. Сделать вывод о соответствии поверяемого вольтметра своему классу точности.
Определить амплитудно-частотную характеристику АЧХ электронного вольтметра. Построить график АЧХ и определить рабочую полосу частот вольтметра на уровне затухания АЧХ, определяемом нормативно-технической документацией на поверяемый вольтметр.
Экспериментально оценить АЧХ цифрового вольтметра. Провести сравнительный анализ амплитудно-частотных характеристик электронного, цифрового и электромеханического 11 Примечание 1 . Результаты исследований по электромеханическим вольтметрам взять из лабораторной работы №1, если она предварительно выполнялась. вольтметров. Построить графики АЧХ исследуемых приборов.
Измерить электронным вольтметром напряжения различной формы (синусоидальной, прямоугольной и треугольной) с одинаковой амплитудой на частотах, лежащих в рабочей полосе частот этого прибора. Объяснить и подтвердить расчетами полученные результаты. Сделать вывод о влиянии формы измеряемого напряжения на показания электронного вольтметра.
Описание и порядок выполнения работы
Используемые приборы
Электронный вольтметр с аналоговым выходом - GVT-417В
Прибор измерительный универсальный с цифровой индикацией - GDM-8135
Генератор гармонических сигналов - SFG-2120
Осциллограф электронный - GOS-620
Описания приборов прилагаются на стенде .
Для выполнения работы применяют схему, представленную на рис. 2.1, где ГС - генератор (синтезатор) сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы,ЦВ - цифровой вольтметр, ЭВ - электронный вольтметр, ЭЛО - электронно-лучевой осциллограф.
1. Основную погрешность электронного вольтметра определяют методом сличения, т.е. сравнением его показаний с показаниями образцового, в данном случае цифрового вольтметра, при синусоидальном напряжении. Показания образцового вольтметра принимаются за действительные значения напряжения.
Поверку электронного вольтметра GVT-417B проводят при частоте 1кГц на шкалах с верхними пределами 1В или 3В, что обусловлено диапазоном регулирования выходного напряжения используемого генератора.
Поверку проводят для n = (610) отметок шкалы, равномерно распределенных по шкале прибора, при плавном увеличении и уменьшении его показаний
Поверяемые точки напряжения U п устанавливают на поверяемом электронном вольтметре, а действительные значения напряжений U о ув, U о ум снимают с образцового цифрового вольтметра соответственно при подходе к поверяемой отметке U п шкалы при увеличении и уменьшении показаний.
Результаты измерений и расчетов представляют в виде таблицы.
Абсолютную, относительную, приведенную погрешности и вариацию показаний определяют по формулам, приведенным в лабораторной работе 1 или в ; определяют также максимальную приведенную погрешность max = Мах{| i |} и максимальную вариацию H max = Мах{H i }, полученные в результате эксперимента.
По результатам испытаний и расчетов строят на одном графике зависимости относительной и приведенной погрешностей от показаний электронного вольтметра, = F (U п), = F (U п); на графике также проводят линии, определяющие границы предельно допустимой приведенной погрешности, соответствующей классу точности поверяемого прибора.
На основании анализа данных об основной погрешности и вариации показаний делают вывод о соответствии указанных характеристик требованиям, определяемым классом точности поверяемого прибора.
2. Амплитудно-частотную характеристику электронного вольтметра определяют как зависимость показаний вольтметра от частоты входного синусоидального сигнала при постоянном значении его напряжения.
На практике широко используют понятие рабочей полосы частот средства измерений. Под рабочей полосой частот вольтметра понимают диапазон частот f , для которого неравномерность АЧХ вольтметра не превосходит некоторой заранее установленной допустимой величины. Так, для электронного вольтметра GVT-417B в пределах рабочей полосы допускается не более чем 10-ти процентное изменение показаний прибора от показания на частоте f 0 = 1КГц.
Крайние значения диапазона частот, удовлетворяющего указанному требованию, называются нижней f Н и верхней f В граничными частотами рабочей полосы электронного вольтметра.
Определение АЧХ проводят также по схеме, представленной на рис. 2.1. В качестве источника сигналов используют генератор SFG-2120, который обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении частоты в его рабочем диапазоне.
Предварительно на генераторе ГС устанавливают частоту f 0 =1кГц при синусоидальной форме сигнала. С помощью регулятора выходного напряжения генератора ГС устанавливают показание электронного вольтметра на отметке шкалы в диапазоне (0.7-0.9) от верхнего предела измерений и записывают установленное значение напряжения U П (f 0 =1кГц) = … .
В дальнейшем при определении АЧХ изменяют только частоту генератора сигналов ГС, а напряжение, снимаемое с генератора, не изменяют.
Для контроля уровня сигнала и его формы используют электронно-лучевой осциллограф. На экране осциллографа, путем выбора коэффициентов (VOLTS/DIV) отклонения и коэффициентов (TIME/DIV) развертки, получают удобную для наблюдений и измерений осциллограмму - изображение нескольких периодов синусоиды с достаточно большой амплитудой; записывают амплитуду l А (или l 2А - двойную амплитуду) изображения сигнала для последующего контроля уровня сигнала.
АЧХ удобно определять отдельно для области верхних и области нижних частот.
В области верхних частот АЧХ начинают снимать с шагом 100 кГц: 1 кГц (начальная частота), 100 кГц, 200 кГц, … до частоты, при которой показания электронного вольтметра упадут до величины порядка 0,8-0,9 от первоначально установленного показания U П (f 0 =1кГц). Для уточнения верхней частоты f в рабочей полосы частот f электронного вольтметра в районе 10-ти процентного спада АЧХ необходимо дополнительно снять несколько точек АЧХ с меньшим шагом изменения частоты входного сигнала.
В процессе проведения испытаний постоянный уровень выходного сигнала ГС контролируют электронным осциллографом.
Результаты испытаний и расчетов записать в таблицу:
Для ЭВ f В = … для ЦВ f В = …
где U П (f ) - показания вольтметра на частоте f ; K (f ) = U П (f ) /U П (f о = 1 кГц) - АЧХ вольтметра, представленная в относительных единицах для соответствующих частот, f в - верхняя граничная частота рабочей полосы вольтметра, найденная в эксперименте.
При выполнении задания аналогичным образом при тех же частотах оценивается АЧХ цифрового вольтметра. Результаты испытаний заносятся в ту же таблицу. Поскольку в данной работе требуется сравнить рабочие полосы частот электронного и цифрового вольтметров в качественном смысле, не обязательно уточнять АЧХ цифрового вольтметра в дополнительных точках по частоте. При этом значения граничных частот цифрового вольтметра будут определены с меньшей точностью.
Нижняя граничная частота f н рабочей полосы f для электронных вольтметров переменного тока обычно находится в области единиц и первых десятков Гц. Поэтому процедура определения АЧХ в области нижних частот может быть следующей: сначала уменьшают частоту от исходной f 0 =1000Гц через 200Гц, а затем от 50Гц - через 10Гц. При необходимости уточняют нижнюю частоту f н рабочей полосы, при которой АЧХ падает до уровня 0.9 от ее значения при f 0 =1000Гц, снятием дополнительных точек с шагом 1Гц.
Оценка АЧХ цифрового вольтметра проводится при тех же частотах.
Результаты испытаний и расчетов представляют в виде таблицы:
Для ЭВ f н = …Гц, для ЦВ f н = …Гц.
По результатам проведенных исследований строятся графики АЧХ для верхних и нижних частот. По оси частот графики удобно строить в логарифмическом масштабе.
3. Определение влияния формы входного сигнала на показания вольтметров переменного тока.
В электронных вольтметрах переменного тока применяют преобразователи Пр переменного напряжения в постоянное, как, например, показано на рис. 2.2, где: u вх (t ) - входное напряжение, У - усилитель переменного тока, ИМ - магнитоэлектрический измерительный механизм, - угол отклонения измерительного механизма.
Используют преобразователи амплитудного, средневыпрямленного или действующего значений переменного напряжения в постоянное. В то же время все электронные вольтметры переменного тока, не зависимо от вида преобразователя, градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения . Это может привести к появлению дополнительных погрешностей при измерении несинусоидальных напряжений.
Электронный вольтметр GVT-417B имеет преобразователь средневыпрямленного значения. Для таких вольтметров угол отклонения указателя пропорционален средневыпрямленному значению U ср входного напряжения
где: k V - коэффициент преобразования вольтметра, u вх (t ) - входное переменное напряжение с периодом Т .
Показания U п вольтметра градуируются в действующих U значениях синусоидального напряжения
где: k Ф = U /U СР - коэффициент формы напряжения, для синусоидального напряжения k Ф = 1,11. Следовательно, для другой формы напряжения (k Ф? 1,11) показания вольтметра могут значительно отличаться от его действующего значения, что приводит к появлению дополнительной погрешности результата измерений.
В таких случаях искомые напряжения при известной форме сигналов можно находить расчетным путем.
Исходя из принципа действия вольтметра и принятой градуировки можно по показаниям U П прибора определить средневыпрямленное значение любого (в пределах АЧХ вольтметра) измеряемого напряжения
U СР = U П /1,11.
Действующее значение U несинусоидального напряжения может быть определено только в том случае, когда известен коэффициент k Ф формы кривой напряжения, k Ф = U/ U СР (или известна форма сигнала, по которой может быть определен этот коэффициент)
U= k Ф U СР.
Численные значения коэффициентов формы для некоторых сигналов представлены в таблице.
Для экспериментальной оценки влияния формы напряжения на показания электронного вольтметра последовательно измеряют сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы при их одинаковой амплитуде.
Предварительно на синусоидальном сигнале устанавливают показания вольтметров в диапазоне 0.5 - 0.6 от верхнего предела измерений выбранной шкалы при номинальной частоте f н =1 кГц , а затем при той же амплитуде входных сигналов измеряют вольтметром напряжения при других формах сигнала. Формы сигналов (синусоидальная, треугольная, прямоугольная) устанавливается нажатием на клавишу “Wave ” на генераторе.
По показаниям U П вольтметра определяют среднее U СР и действующее U значения напряжений для всех форм сигналов.
Для оценки влияния формы напряжения на показания электронного вольтметра с преобразователем средневыпрямленного напряжения определяют дополнительную относительную погрешность (в процентах)
100(U П - U )/ U .
Результаты измерений и расчетов записывают в таблицу.
Следует заметить, что дополнительная погрешность войдет в результат измерений, если действующие значения напряжений несинусоидальной формы определять непосредственно по показаниям вольтметра без учета формы сигнала и проведения соответствующих расчетов.
По результатам исследований сделать вывод о влиянии формы кривой напряжения на результаты его измерения электронным вольтметром.
Литература
Метрология, стандартизация и сертификация: учебник для студ. высш. учеб. заведений/[Б.Я.Авдеев, В.В.Алексеев, Е.М.Антонюк и др.]; под ред В.В.Алексеева. - М. : Издательский центр «Академия», 2007. стр. 136-140.