Меню

Точность измерения внутреннее сопротивление вольтметра



Определение входного сопротивления вольтметра

Важной метрологической характеристикой вольтметра является его входное сопротивление. Измерить сопротивление между входными клеммами вольтметра можно с помощью любого измерителя сопротивления (например, мультиметром UT60A в режиме омметра). Однако чаще используется метод определения входного сопротивления по двум показаниям поверяемого вольтметра, во входную цепь которого включен магазин сопротивлений (см. рис. 5.1). Показание вольтметра, измеряющего напряжение на зажимах источника с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением, равно

,

где Uпр — предельное значение напряжения источника ЭДС;

Rм — сопротивление магазина;

Rв — входное сопротивление вольтметра.

Рис. 5.1. Измерение входного сопротивления вольтметра

Если произвести два измерения с различными значениями сопротивления магазина, то можно вычислить Rв. Пусть одно измерение проводится при Rм=0, тогда вольтметр покажет значение Uпр (внутренним сопротивлением источника мы пренебрегаем). Второе измерение проведем при введенном сопротивлении Rм:

;

. (5.1)

Погрешность измерения Rв зависит от точности изготовления Rм и погрешностей измерений Uпр и Uх. Так как Uпр и Uх измеряются одним и тем же вольтметром, происходит компенсация систематических погрешностей измерения Uпр и Uх в знаменателе и, следовательно, систематическая погрешность измерения Rв определяется погрешностью числителя. По формуле Тейлора

.

Учитывая, что сопротивление магазина изготовлено с высокой точностью, можно пренебречь третьим слагаемым. Считая, что (определяется классом точности измерительного прибора), имеем:

; (5.2)

. (5.3)

Если погрешности DUх и DUпр независимы, то возможен вариант, когда они принимают максимальные по величине, но противоположные по знаку значения. В этом случае, считая , погрешности измерения сопротивлений равны

; (5.4)

. (5.5)

В частном случае, если выбором Rм можно добиться , т.е. чтобы показания вольтметра уменьшились ровно в 2 раза, формулы (5.1), (5.2) и (5.3) принимают вид:

;

; (5.6)

(5.7)

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Изучить инструкцию по эксплуатации цифрового мультиметра UT60A.

2. Изучить инструкцию по эксплуатации комбинированного прибора (тестера).

3. Экспериментально определить входное сопротивление тестера и цифрового вольтметра на выбранном пределе измерений с помощью магазина сопротивлений и мультиметра UT60A.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Подготовка измерительных приборов к работе

Поворотный переключатель цифрового мультиметра UT60A установить в положение Hz V (измерение напряжений).

Подготовка электромеханического вольтметра (тестера) состоит в установке соответствующих положений переключателей рода тока и предела измерений, а также стрелки на нуль с помощью корректора.

Установить на источнике постоянного напряжения ВСП-50 выходной сигнал равным нулю (повернуть рукоятки плавного и грубого изменения выходного напряжения против часовой стрелки до упора).

Собрать схему для проведения измерений. После проверки собранной схемы преподавателем, включить цифровой мультиметр нажатием кнопки POWER и источник постоянного напряжения переключением тумблера ВКЛ.

Проведение эксперимента

Измерить входные сопротивления электромеханического и цифрового вольтметров по методике, изложенной в теоретической части данной лабораторной работы.

Измерение входного сопротивления тестера на пределах измерения
0,5 В, 2,5 В и 10,0 В проводить следующим образом:

2. С помощью регуляторов источника ВСП-50 установить стрелку тестера на максимальную отметку шкалы.

3. Не изменяя напряжение с ВСП-50, увеличить сопротивление Rм так, чтобы стрелка измерительного механизма остановилась посередине шкалы. Это означает, что ток через измерительный механизм уменьшился в 2 раза, т.е. в цепь источника сигнала введено сопротивление Rм, равное имевшемуся ранее в цепи сопротивлению Rв.

Если с помощью магазина сопротивлений не удается установить стрелку измерительного механизма посередине шкалы, необходимо занести в отчет значения напряжений при Rм =0 (Uпр) и при Rм = Rmax (Uх) и вычислить значение входного сопротивления Rв по формуле (5.1).

4. Вычислить предельные значения погрешностей измерения Rв по формулам (5.2)-(5.7).

5. Измерить входное сопротивление тестера цифровым мультиметром UT60A.

6. Занести результаты измерений и вычислений в табл. 5.1.

7. Сравнить результаты измерений Rв, полученные двумя способами.

8. Вычислить погрешности измерений Rв с помощью магазина сопротивлений. В качестве действительного значения сопротивления взять показание цифрового вольтметра. Занести экспериментально определенные значения DRв в табл. 5.1.

9. Сравнить предельные и экспериментальные значения DRв.

Таблица 5.1

Учитывая большое входное сопротивление цифрового вольтметра (порядка 5–15 МОм), необходимо брать сопротивление Rм такого же порядка. В лабораторной работе вместо Rм используется добавочное сопротивление, значение которого с высокой точностью измеряется цифровым вольтметром. Методика измерения входного сопротивления цифрового вольтметра состоит в следующем:

1. Измерить цифровым вольтметром добавочное сопротивление номиналом 5–10 МОм, занести его значение в табл. 5.2.

2. Подключить цифровой вольтметр к источнику постоянного напряжения. Установить на выходе ВСП-50 напряжение, соответствующее пределу измерения цифрового вольтметра, и снять показание с вольтметра.

3. Последовательно с вольтметром подключить добавочное сопротивление и снять показание вольтметра.

4. Вычислить входное сопротивление цифрового вольтметра по формуле (5.1).

5. Вычислить погрешность измерения сопротивления Rвпо формулам (5.2) – (5.5).

6. Измерить входное сопротивление цифрового вольтметра на пределах измерения 4 В, 40 В, 400 В. Сделать вывод об изменении входного сопротивления электронных вольтметров в зависимости от предела измерений.

7. Заполнить табл. 5.2.

Таблица 5.2

Пределы измерения Umax i, В Rд2=…, МОм Предельные погрешности измерений, Rв
U, В Uх, В Rв, МОм абсолютные, МОм относительные, %
ΔR’ ΔR’’ δR’ δR’’
Umax 1=4 По формуле (5.1) По формуле (5.2) По формуле (5.4) По формуле (5.3) По формуле (5.5)
Umax 2=40
Umax 3=400

8. Сделать вывод о проделанной работе, в котором указать, можно ли использовать методику, изложенную в теоретической части данной лабораторной работы для измерения сопротивления вольтметра с целью расширения его пределов измерения в соответствии с рис. 5.2.

Рис. 5.2. Методическая погрешность измерения напряжения

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Перед проведением лабораторной работы отчет должен содержать:

— цель лабораторной работы и применяемое оборудование;

— схемы приборов и экспериментальных установок (рис. 5.1-5.2);

— расчетные формулы для определения погрешности измерения сопротивления вольтметра по методике, изложенной в теоретической части данной лабораторной работы.

После проведения лабораторной работы отчет также должен содержать:

— результаты экспериментов в виде таблиц 5.1 и 5.2.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Почему входное сопротивление цифрового вольтметра не зависит от предела измерения?

2. Какие характеристики называют метрологическими?

3. От чего зависит сопротивление вольтметра?

4. Что такое нормированное сопротивление и для чего оно нужно?

5. Для чего устанавливалось значение Rм=0?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6.

СХЕМЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОММЕТРА

ЦЕЛИ РАБОТЫ

1. Получение практических навыков работы с тестером и электронным вольтметром.

2. Изучение способов оценки погрешностей измерений тестером и электронным вольтметром сопротивления.

Источник

Вольтметр: принцип действия, как подключить и пользоваться

Необходимость применения вольтметра возникает у большинства домовладельцев, автолюбителей, не говоря уже о радиолюбителях. Определить наличие напряжения в домашней сети при отсутствии света в доме, измерить вольтаж аккумуляторной батареи в случае её разряда, настроить собранную радиолюбителем конструкцию — во всех этих ситуациях без его использования не обойтись.

Типы и виды вольтметров

Все вольтметры можно разделить по: принципу действия, назначению, способу применения и конструкции.

По принципу действия устройства делятся на группы:

  • Вольтметры электромеханические.
  • Электронные вольтметры.

Рассмотрим конкретно каждую группу.

Электромеханические и электронные вольтметры

Эти измерительные приборы являются устройствами прямого преобразования. Измеряемая величина в них преобразуется напрямую в показания на шкале устройства отсчёта. Она предназначена для визуальной оценки измеряемого напряжения.

Шкала выглядит как последовательность отметок с числами и составляет неподвижную часть прибора. Расстояние между двумя соседними отметками — цена деления шкалы. Шкалы могут быть линейными и нелинейными, односторонними (отметка «0» расположена у начала) и двусторонними (отметка «0» расположена в середине). На шкале обычно наносится число, обозначающее класс точности прибора.

Подвижная часть устройства состоит из рамки, находящейся между полюсов постоянного магнита. По обмотке рамки протекает ток. С подвижной рамкой связана стрелка, по величине угла отклонения которой можно по шкале оценить значение измеряемого параметра. Этот угол напрямую зависит от тока, протекающего через обмотку рамки, а значит и от величины напряжения, которое измеряется.

Такие приборы используют для измерения магнитоэлектрический метод. Он наиболее часто используется в электромеханических приборах для измерения различных физических величин.

Читайте также:  Индикаторы для измерения плоскости

Следует отметить, что такие приборы отдельно используются довольно редко. Как правило, они являются составной частью более сложных по схемному исполнению устройств.

Кроме, магнитоэлектрического способа измерения в электромеханических приборах используют и другие: электромагнитный, электродинамический, ферродинамический, термоэлектрический, способ выпрямления.

Применение этих приборов исходя из требований, предъявляемых к измерителям напряжения, более предпочтительно, чем электромеханических. А требования эти таковы — уменьшение методической погрешности измерения.

Для измерения напряжений в различных точках схемы вольтметр подключают параллельно измеряемой цепи. Поэтому его использование не должно искажать реальную картину. Он не должен шунтировать участок схемы, следовательно, его входное сопротивление должно быть большим (в идеале стремиться к бесконечности).

Вольтметры электронные можно разделить на две группы. Одну составляют аналоговые приборы, другую цифровые. Различия между ними заключается в форме предоставления информации о результатах измерения.

Возможные аналоги

Входное напряжение, величину которого необходимо измерить, поступает на масштабирующее устройство. Оно выполнено в виде многопредельного резисторного делителя высокого класса точности. Количество резисторов соответствует количеству диапазонов измерения напряжения.

После резисторного делителя сигнал поступает на усилитель постоянного тока (УПТ). Его назначение — усилить входное напряжение, прошедшее через делитель, до величины, требуемой для нормальной работы устройства индикации. УПТ также необходим для повышения входного сопротивления прибора и согласования его с низкоомной обмоткой рамки указателя магнитоэлектрической системы.

Устройство электромеханического прибора, по которому в аналоговых вольтметрах производится отсчёт измеряемой величины напряжения, был рассмотрен выше.

Высокое входное сопротивление этого прибора определяется в основном схемой УПТ. В ней широко используется применение транзисторов, включённых по схеме эмиттерного повторителя сигнала, или полевых транзисторов.

Точность аналоговых вольтметров определяется классом точности резисторов входного устройства и классом точности головки микроамперметра, по стрелке которого производится отсчёт измеренного напряжения.

Для измерения напряжений малой величины применение в схеме прибора усилителя постоянного тока не всегда приводит к достаточной точности измерений.

В милливольтметрах измерения производятся на переменном токе. Постоянное входное напряжение преобразуется в переменное с помощью собственного модулятора. Усилитель переменного тока обладает лучшими характеристиками в отношении линейности, дрейфа нуля, коэффициента усиления, мало зависящего от температуры. После усиления переменное напряжение детектируется. Стабильное выпрямленное постоянное напряжение поступает на стрелочный электромеханический прибор.

Если вольтметром необходимо измерить переменное напряжение, то его схема изменится. Существуют две разновидности схем.

В одной из них входное напряжение детектируется и затем усиливается усилителем постоянного тока.

В схемах с другим построением усиливается сначала входное переменное напряжение усилителем переменного тока. После этого сигнал выпрямляется детектором.

В зависимости от требований, предъявляемых к результатам измерений, выбирается либо одно построение схемы, либо другое.

Первый вариант используется там, где необходимо произвести измерение в широком диапазоне частот (от 10Гц до 1000МГц).

Применение второго варианта построения имеет место при измерении очень малых переменных напряжений (единицы микровольт).

Цифровые вольтметры

Измерители этого вида в процессе обработки представляют входное напряжение в виде ступенек (дискретных значений). Его значение отображается на индикаторе прибора в цифровом виде.

Входное устройство (ВУ) производит определение масштаба входного сигнала, его фильтрацию от помех. При измерении переменного напряжения производится его выпрямление. Таким образом, схема ВУ содержит делитель напряжения, фильтр сетевых помех, усилитель сигнала.

Фильтр необходим для повышения точности измерений, потому что сигнал помехи может восприниматься в виде полезного сигнала и после её дискретизации на выходном индикаторе отобразятся цифры, не соответствующие измеряемой величине полезного входного сигнала.

В «продвинутых» моделях дополнительно имеются устройства, осуществляющие выбор полярности и пределов измерения автоматически.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) осуществляет представление напряжения на входе прибора в виде интервала времени, длительность которого зависит от его величины. Этот интервал заполняется импульсами, которые вырабатывает собственный генератор вольтметра. Счётчик по командам устройства управления производит их подсчёт и на цифровом индикаторе прибора появляется цифровое значение величины, пропорциональное количеству импульсов.

Поскольку электронные компоненты ВУ имеют значительное входное сопротивление, цифровые вольтметры очень незначительно влияют на сопротивление участка цепи, на которой производится измерение. Точность их показаний намного выше, чем у всех предыдущих вольтметров.

Работать с прибором стало значительно проще. Нет необходимости производить дополнительный пересчёт полученного значения с учётом выбранной шкалы и установленного множителя (как у аналоговых вольтметров). Но требования, предъявляемые к качеству питающего напряжения очень высоки.

Основные характеристики приборов

Чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем меньше его влияние на измеряемую цепь. Поэтому приборы с более высоким входным сопротивлением обладают большей точностью при проведении измерений.

Читайте также:  Что такое аттестация оценка качества измерений

Для того чтобы оценить возможности прибора, его преимущества по сравнению с другими, сделать окончательный вывод о возможности его приобретения необходимо внимательно ознакомиться с его техническими параметрами, к которым относятся:

  • внутреннее сопротивление вольтметра;
  • диапазон измеряемых вольтметром напряжений;
  • диапазон частот переменного напряжения;
  • погрешность измерения прибора.

Диапазон необходимо учитывать исходя из того, с какими величинами напряжений придётся иметь дело. Большинство вольтметров позволяют проводить измерение напряжений от нескольких десятков милливольт до сотен вольт. Этот диапазон вполне приемлем для многих пользователей. Исключение составляют милливольтметры с расширенным диапазоном и киловольтметры.

Погрешность показывает возможное отклонение измеряемой величины от эталонной. Определяется на этапе заводских испытаний прибора. Выражается в процентах или долях процента.

Все эти параметры представлены в описании на конкретный прибор.

Самодельные устройства

Как сделать вольтметр своими руками, для чего он нужен, как устроен, как подключается вольтметр, как пользоваться вольтметром — вот неполный перечень вопросов, которые возникают у начинающих радиолюбителей и простых пользователей. Принцип действия вольтметра или принцип работы вольтметра был рассмотрен ранее при рассмотрении разных его типов и видов.

При совсем небольших затратах можно самостоятельно его изготовить. Основной его частью является стрелочный измерительный прибор. На шкале присутствует обозначение напряжения — латинская буква «V». Конечно, желательно иметь вольтметр с необходимым диапазоном измерения. В левой части шкалы должна быть отметка «О», а в правой — число, которое показывает предельное значение напряжения, измеряемого этим прибором.

Это значение определяется величиной добавочного резистора, находящегося в корпусе готового прибора и током полного отклонения стрелки микроамперметра.

Часто при работе приходится измерять значения напряжений в широком диапазоне. Для обеспечения допустимой точности приходится использовать одну общую шкалу с набором добавочных сопротивлений. Их количество зависит от величин напряжений, которые необходимо измерять при работе.

Использование добавочных сопротивлений дают возможность измерять напряжения, величины которых больше последнего числа шкалы. Для измерения напряжений меньшего значения с достаточной точностью необходимо найти прибор с числом максимального значения шкалы меньшей величины или переделать существующий путём изменения величины добавочного сопротивления в корпусе прибора.

Входное сопротивление стрелочного вольтметра оценивается показателем относительного (удельного) сопротивления. Единица его измерения — кОм/В. То есть для разных значений измеренного напряжения величина входного сопротивления прибора будет разной. Отсюда вывод — наибольшей точности измерения соответствует правая часть шкалы. Внутреннее сопротивление вольтметра здесь имеет большее значение и его подключение оказывает меньшее негативное воздействие на работу схемы. Необходимо выбирать прибор с большей величиной удельного сопротивления.

Если приходится измерять переменное напряжение, то при небольшом усложнении схемы самодельного прибора можно решить и эту задачу. Входное напряжение необходимо выпрямить, сделать его однополярным.

Ток для нормальной работы микроамперметра прибора должен протекать по обмотке рамки прибора только в одном направлении (клеммы прибора имеют маркировку «+» и «-«). Только в этом случае стрелка прибора отклонится. Выпрямление может быть однополупериодным или двухполупериодным. Это зависит от выбранной схемы выпрямителя. При определении реальной величины напряжения показания стрелочного прибора разделить примерно на 3 (выпрямление однополупериодное) или на 1,5 (выпрямление двухполупериодное).

Несколько советов начинающим

Эти советы помогут новичкам, которым впервые приходится использовать вольтметр в своей работе. Их немного:

  • Подключение вольтметра.
  • Соблюдение полярности.

Полярность подключаемых измерительных щупов вольтметра должна соответствовать полярности напряжения, указанного на схеме.

Вольтметр всегда надо подсоединять параллельно измеряемой цепи. Этим он отличается от амперметра, который включается в разрыв. Для двухполупериодной схемы выпрямления переменного тока полярность измерительных щупов можно не учитывать. Щупы надо держать так, чтобы руки касались только изолированной их части.

Originally posted 2018-03-28 15:34:30.

Источник