Меню

Измерение малых постоянных напряжений



Измерение малых постоянных напряжений

Лабораторная работа №2

Измерения малых напряжений и токов.

Цель работы – ознакомление с методами и средствами измерений малых постоянных и медленно изменяющихся напряжений и токов, получение навыков измерений малых напряжений и обработки результатов измерений.

Особенности измерений малых напряжений и токов. Измерение малых напряжений и токов имеет большое значение во многих областях науки и техники: термометрии, фотометрии, кулонометрии, измерении сопротивлений изоляции, измерении ионизирующих излучений и др. Особенностью измерений малых напряжений и токов является чрезвычайно малая мощность источника сигнала. Используемые в настоящее время приборы для измерения малых напряжений имеют порог чувствительности до 10 -12 В, Мощность, которую измерительные приборы потребляют от объекта измерения, составляет 10 -18 ..10 -20 Вт.

Источники малых напряжений имеют сравнительно (от долей ома до десятков ом) внутреннее сопротивление и развивают напряжение от долей микровольта до нескольких десятков микровольт. Так, например, термоэдс различных материалов с медью изменяется в пределах от 0,1 до 30 мкВ/К, а термоэдс медных проводов различных катушек составляет около 0,01 мкВ/К. Внутреннее сопротивление термопар имеет значение от. 0,01 до 1 Ом, а развиваемая ими мощность лежит в пределах: от 10 -9 до 10 -16 Вт.

Источники малых токов в отличие от источников малых напряжений имеют весьма высокое внутреннее сопротивление — от 10 6 до 10 18 Ом. Они развивают токи от 10 -6 до 10 -16 А. Так, например, фотоэлектрические преобразователи, фото умножители и фотоэлемента генерируют ток от 10 -6 до 10 -12 А и имеют внутреннее сопротивление более 10 13 Ом. На практике обычно считают малыми напряжения менее 1 мкВ и ток менее 1 мкА.

Характеристики приборов для измерения малых напряжений и токов. Кроме характеристик, общих для всех приборов, измеряющих напряжение или ток, приборы для измерения малых значений напряжений и токов характеризуют некоторыми особыми величинами. К ним относят: помехозащищенность приборов, их порог чувствительности, дрейф нулевого уровня, шумы входной цепи и др. Рассмотрим некоторые из этих характеристик.

Помехозащищенность приборов для измерения малых напряжений, и токов. Помехами при измерении постоянных напряжений и токов называют переменные напряжения и токи любой частоты и формы, которые действуют на входных зажимах прибора и искажают результат измерения. Помехи возникают в результате электромагнитных и электростатических наводок, гальванической связи входных целей прибора с паразитными источниками напряжения и тока, термоэдс и контактной разности потенциалов, действующих во входных цепях.

По способу воздействия на входную цепь прибора помехи можно разделить на аддитивные (наложенные) и мультипликативные (модуляционные). Аддитивные помехи могут преобразовываться в мультипликативные при наличии нелинейностей во входных целях.

При исследовании аддитивных помех применим принцип наложения, так как входной сигнал рассматривают как сумму полезного напряжения Ux и напряжения помехи Uп.

При исследовании модуляционных помех принцип наложения неприменим, так как входной сигнал Uх является результатом перемножения напряжения помехи и полезного сигнала.

Мультипликативные помехи проявляются значительно и их влияние на погрешность измерения незначительно.

Аддитивные помехи делят на помехи нормального вида (продольные) и помехи общего вида (поперечные). Помехи нормального вида UН действуют между сигнальными проводами, а помехи общего вида U .возникают в цепях заземления приборов, как показано на рис. 1.

Наиболее эффективно аддитивные помехи ослабляют фильтрацией и интегрированием. С этой целью на входе измерительного прибора включают полосовой фильтр, настроенный на частоту помехи. Если частота помехи неизвестна или изменяется в процессе проведения измерений, то применяют интегрирование.

Интегрирующие цифровые вольтметры эффективно ослабляют помехи нормального вида, наложенные на полезный сигнал, при условии, что полное значение входного напряжения не превышает динамического диапазона входного устройства. Напряжение помехи, подводимое к входу вольтметра, представим в виде

где UH — амплитуда напряжения помехи, jп — начальная фаза помехи, wп- угловая частота помехи.

Интегрирующий вольтметр измеряет среднее значение помехи за время интегрирования Ти , поэтому

Читайте также:  Имеем следующие результаты измерений

Максимальное значение напряжения ошибки от гармонической помехи.

Помехозащищенность определяют напряжения помехи к максимальной погрешности измерения, вызванной этой помехой. Коэффициент ослабления нормальной помехи NMR (normal mode rejection) имеет значение

График зависимости коэффициент ослабления помехи нормального вида от частоты помехи при времени интегрирования 0,1 с и 20 мс приведен на рис.2.

Помехи общего вида, как показано на рис. 1, приложены между заземлённым корпусом измерительного прибора и заземлённым источником сигнала. Напряжение помехи общего вида может быть обусловлено блуждающими по земле токами и составлять десятки и сотни вольт. Для ослабления помех общего вида входную цепь прибора заключают в защитный экран, который подключают в месте заземления источника сигнала.

На рис. 3.а. изображено включение прибора при отсутствие защитного экрана, а на рис. 3.б. – с защитным экраном. Подключение прибора с защитным экраном к источнику сигнала выполняют при помощи двухпроводного экранированного кабеля.

Коэффициент ослабления помехи общего вида CMR (common mode rejection) определяют отношением максимального значения напряжения помехи Uо к максимальной погрешности измерения Uоm , вызванной этой помехой.

В характеристиках приборов обычно указывают коэффициенты ослабления помехи общего вида на постоянном токе или переменном токе промышленной частоты 50 Гц. Для интегрирующих приборов это значение коэффициента ослабления помехи является результатом совместного влияния защитного экрана и интегрирования. Кроме того, коэффициент ослабления помехи измерит при включении между входными зажимами измерительного прибора сопротивления, эквивалентного внутреннему сопротивлению источника сигнала (обычно до 1000 Ом).

Поскольку входные зажимы прибора имеют различные сопротивления утечки на защитный экран, то зажим, имеющий большое сопротивление утечки, называют высокопотенциальным и обозначают буквами ВП, а зажим с меньшим сопротивлением утечки — низко потенциальным и обозначают буквами НП. Номограмма для определения допустимого напряжения помехи общего вида при заданных значениях CMR и погрешности Uom приведена на рис.4

Дрейф нулевого уровня. Существенным недостатком микровольтметров и нановольтметров постоянного тока является дрейф их нулевого уровня»

Дрейф нулевого уровня — это самопроизвольное изменение выходных показаний при отсутствии входного сигнала. Обычно его оценивают эквивалентным входным напряжением, необходимым для возвращения выходного напряжения к первоначальному нулевому уровню.

Дрейф нулевого уровня может быть вызван температурными изменениями или временной нестабильностью, поэтому его разделяют на температурный и временной. Температурный дрейф нулевого уровня оценивают изменением приведенного к входу напряжения при изменении температуры на 1 К. В современных микровольтметрах температурный дрейф составляет 0,1. 0,001 мкВ/К

Временной дрейф нулевого уровня оценивают изменением приведенного к входу напряжения за определенный интервал времени, например за час, или за сутки. У наиболее точных приборов благодаря периодической коррекции нулевого уровня временной и температурный дрейфы значительно снижены и не превышают 0,01 мкВ.

Основными причинами, вызывающими дрейф нулевого уровня, являются термоэдс, возникающие при контакте разнородных материалов во входных цепях, временное старение элементов. Влияние изменений питающих напряжений и др. Для снижения дрейфа нулевого уровня используют температурную стабилизацию входных цепей прибора и напряжений питающих источников, а также периодическую коррекцию нулевого уровня. Так, например, в цифровом вольтметре B7-21 коррекция нулевого уровня прибора выполняется автоматически один раз после ста циклов измерений
Порог чувствительности. Наименьшее значение входного си
гнала, которое может быть обнаружено с помощью данного прибора, называют его порогом чувствительности. Порог чувствительности зависит от шумов входной цепи прибора и дрейфа нулевого уровня.
Порог чувствительности магнитоэлектрического прибора определяется мощностью Pи , потребляемой прибором от объекта измерения. В установившемся режиме эта мощность лежит в пределах от 10 -7 до 10 -9 Вт и определяет минимальное измеряемое напряжение:

которое сопровождается заметным отклонением указателя.

Так, например, порог чувствительности магнитоэлектрического гальванометра М95 на пределе 0,5 мВ составляет 5 мкВ. Для защиты от внешних магнитных к электрических помех измерительный механизм помещен в экран, который соединен с зажимом Э. Для исключения влияния токов утечки на результате намерений экран подключают к одному из зажимов прибора.

Читайте также:  Как измерить густоту волос дома

Порог чувствительности электронных приборов зависят от шумов электронного усилителя. Применение малошумящих усилителей позволяет получить порог чувствительности около 10 -9 . 10 -10 В. Современные электронные микровольтметры и нановольтметры имеют порог чувствительное» 10 -9 . 10 -10 В.

1. Определение основной погрешности.
2. Определение чувствительности и цены деления приборов.
3. Определение дрейфа нулевого уровня.
4. Определение коэффициента ослабления помехи нормального вида.
5. Определение ослабления помехи общего вида.
6. Определение частотной погрешности.

Порядок выполнения работы.

1. Определение основной погрешности. Основная погрешность определяется ля микровольтметра В2-11. Определение погрешности производится по схеме, изображенной на рис. 5. Для определение погрешности включить приборы и дать им прогреться в течение 10…15 мин. После этого ручкой «Установка нуля» установить нулевое показание прибора В2-11 при включённом источнике напряжения ИРН-64.

Затем включить источник ИРН-64 и произвести поверку микровольтметра В2-11 на двух диапазонов – 100мВ и 100 мкВ. Цифровой вольтметр В7-21 используется в качестве образцового прибора. Результаты измерений заносятся в ф.1.

Источник

ЛЕКЦИЯ № 10. ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ.

Измерение малых токов и напряжений. Для опреде­ления малых постоянных токов можно использовать как прямые, так и косвенные измерения. В первом случае ток можно измерять зеркальными гальванометрами и стре­лочными магнитоэлектрическими приборами. Наимень­ший ток, который можно измерить зеркальным гальвано­метром, равен приблизительно 10 -11 А, а стрелочным маг­нитоэлектрическим прибором — 10 -6 А. Чтобы повысить чувствительность, измеряемый ток подают на вход уси­лителя постоянного тока, к выходу которого присоединя­ют стрелочный магнитоэлектрический прибор. Для этого обычно используют фотогальванометрические усилители или полупроводниковые усилители с преобразованием постоянного тока в переменный. С помощью усилителей можно измерять токи до10 -10 A.

Более точный, но менее чувствительный способ изме­рения малых токов заключается в измерении падения на­пряжения на образцовом резисторе при помощи потен­циометра постоянного тока. Таким способом можно из­мерять токи начиная от 10 -8 А.

Для точного измерения малых токов можно исполь­зовать цифровые пикоамперметры, принцип действия ко­торых сводится к измерению падения напряжения на высокоомном резисторе цифровым милливольтметром. Эти приборы позволяют измерять токи от 10 -8 А с погреш­ностью, не превышающей 0,5%.

Для измерения малых постоянных напряжений мож­но использовать магнито-электрические гальванометры, потенциометры постоянного тока, цифровые микро- вольтметры и стрелочные магнитоэлектрические приборы. С помощью магнитоэлектри- ческих гальванометров можно измерять напряжения порядка 10 -7 — 10 -8 В.

Потенциометры постоянного тока существенно пре­восходят гальванометры по точности и входному сопро­тивлению, но уступают им по чувствительности: они поз­воляют измерять напряжение, начиная от 10 -5 — 10 -6 В.

Цифровые микровольтметры по точности и чувстви­тельности практически не уступают потенциометрам по­стоянного тока. Они позволяют измерять напряжение на­чиная от 10 мкВ с погрешностью 0,3 — 0,5% .

Для измерения напряжений порядка 10 -6 — 10 -7 В и более можно использовать нано- вольтметры, состоящие из фотогальванометрического усилителя, к выходу которого присоединен измерительный механизм магнитоэлектрической системы. Классы точности этих приборов 1,0—1,5. Микровольтметры, состоящие из электронного усилителя с подключенным к его выходу прибором магнитоэлектрической системы, имеют приблизительно ана­логичные характеристики по точности, но обладают бо­лее высоким входным сопротивлением и несколько меньшей чувствительностью.

Милливольтметры магнитоэлектрической системы ис­пользуются для измерения напряжений от 10 -4 В и от­личаются простотой и удобством в эксплуатации. Классы точности милливольтметров не лучше 0,2; 0,5.

Измерение средних токов и напряжений. К средним токам и напряжениям условно можно отнести токи в диа­пазоне от 10 мА до 50—100 А и напряжения от 10 мВ до 600 В. Для измерения средних постоянных токов можно использовать прямые и косвенные измерения. Для изме­рения напряжений используют только прямые измерения.

При прямых измерениях ток и напряжение можно из­мерять приборами магнитоэлектрической, электромаг­нитной, электродинамической и ферродинамической сис­тем, а также электронными и цифровыми приборами, Напряжение можно измерять приборами электростатиче­ской системы и потенциометрами постоянного тока.

Постоянные токи от 1 мкА до 6 кА и напряжения от 1 мВ до 1,5 кВ обычно измеряют приборами магнито­электрической системы. В микро- и миллиамперметрах этой системы весь ток протекает через рамку измери­тельного механизма. Этот ток, как правило, не превыша­ет 20—50 мА. Для расширения пределов измерения из­мерительного механизма по току используют шунты, а по напряжению — добавочные резисторы.

Читайте также:  Приборы для измерения калорийности пищи

Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической си­стемы успешно сочетают высокую точность с малым по­треблением мощности и имеют равномерную шкалу. Наиболее точные приборы магнитоэлектрической систе­мы, предназначенные для измерения средних токов и на­пряжений, имеют классы точности 0,1; 0,2.

Приборы электродинамической системы предназна­чены для измерения токов от 10 мА до 100 А и напряже­ний от 100 мВ до 600 В. По точности они эквивалентны приборам магнитоэлектрической системы, но потребляют значительно большую мощность и имеют неравномерную шкалу.

Приборы ферродинамической системы применяются для измерения постоянных токов и напряжений очень редко из-за низкой точности и большой потребляемой мощности.

Приборы электромагнитной системы используются для измерения токов от 10 мА до 200 А и напряжений от 1 В до 75 В. Наиболее точные приборы этой системы имеют классы точности 0,2; 0,5. Их главное достоинст­во — низкая стоимость.

Для измерения постоянных напряжений в диапазоне от нескольких вольт до нескольких сотен киловольт при­меняются также электростатические вольтметры. Их преимущество заключается в ничтожном потреблении мощности от объекта измерения. Наиболее точные при­боры этой системы имеют класс точности 0,05. Однако точные электростатические приборы очень сложны и до­роги и выпускаются в небольшом количестве. Подавляю­щее же большинство вольтметров этой системы имеет классы точности 0,5; 1,0 и 1,5.

При напряжениях, не превышающих 600 В, вместо приборов электростатической системы можно применять вольтметры электронной системы. Они также потребля­ют ничтожную мощность. Класс точности электронных вольтметров постоянного тока невысокий: лучшие из них имеют классы точности 0,5; 1,0.

В тех случаях, когда необходимо измерить напря­жение или ток с высокой точностью, используют потен­циометры постоянного тока, цифровые вольтметры и ам­перметры. Классы точности наиболее точных потенцио­метров 0,001; 0,002, цифровых вольтметров 0,002; 0,005, цифровых амперметров 0,02. Цифровые вольтметры из­меряют напряжение до нескольких тысяч вольт, а циф­ровые амперметры — ток до нескольких ампер. Потен­циометрами постоянного тока при использовании дели­телей напряжения можно измерять напряжение до 1000В.

Измерение тока при помощи потенциометра проводят косвенным путем — искомый ток определяют по падению напряжения на образцовом резисторе. Погрешность из­мерения в этом случае возрастает за счет погрешностей образцового резистора. Преимуществом потенциометров и цифровых приборов является малое потребление мощ­ности, особенно при измерении напряжений.

Ток можно также найти, измерив падение напряжения на образцовом резисторе при помощи вольтметров электростатической или электронной систем. Однако для сред­них токов этот способ распространения не получил, так как измерение с помощью магнитоэлектрических амперметров проще, удобнее и, как правило, точнее.

Измерение больших токов и напряжений. Шунтирование магнитоэлектрических приборов дает возможность измерять постоянные токи до нескольких тысяч ампер. Отдельные шунты на токи свыше 10 кА не изготовляются вследствие их больших размеров и большой стоимости. Поэтому для измерения больших токов часто используют несколько шунтов, соединенных параллельно.

Для измерения постоянного напряжения до 6 кВ ча­ще всего применяют магнитоэлектрические вольтметры с добавочными резисторами.

При больших напряжениях использование добавоч­ных резисторов сопряжено с большими трудностями, выз­ванными их громоздкостью и значительной потребляе­мой ими мощностью. В этих случаях применяют электро­статические вольтметры, позволяющие измерять напря­жение до 300 кВ или включают обычные вольтметры через измерительные трансформато­ры постоянного напряжения.

Контрольные вопросы

1. Измерение малых токов и напряжений?

2. Измерение средних токов и напряжений?

3. Измерение больших токов и напряжений?

4. Когда применяют электро­статические вольтметры?

1. Малиновский В.Н. Электрические измерения. М., Энергоиздат, 1983, с.392.

2. Попов B.C. Электрические измерения. М., Энергия, 1974, с.398.

3. Гуржій А.М., Поворознюк Н.І. Електричні і радіотехнічні вимірювання. Київ, Навчальна книга, 2002, с.287.

Источник