Изучение компенсационного метода измерений

Ознакомление с методом компенсации в практике измерений физических величин. Погрешности при введении в электрическую цепь амперметра или вольтметра. Компенсационные методы и их суть. Мост постоянного тока Уитстона.

Рубрика Физика и энергетика
Вид лабораторная работа
Язык русский
Дата добавления 18.07.2007
Размер файла 83,9 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Цель работы:

Ознакомление с методом компенсации в практике измерений физических величин, получение навыков пользования приборами мостового типа.

Оборудование: мост Уитстона, смонтированный на панели; источник постоянного тока, магазин сопротивлений Р33 или резистор известного номинала, набор резисторов, мультиметр, потенциометр постоянного тока (ПП-63 или аналогичный), термопара.

1. Теоретическая часть

Измерение электрического сопротивления проводника (резистора) можно произвести с помощью закона Ома (рис 1.): .

Однако введение в электрическую цепь амперметра и вольтметра неизбежно приводит к определенным погрешностям. Введение в цепь амперметра неизбежно уменьшают силу тока в цепи, а, значит и показания вольтметра. Подключение в цепь вольтметра увеличивают силу тока и показания амперметра. Конечно, хорошие измерительные приборы изготовляются так, чтобы сопротивление амперметра было как можно более малым, а сопротивление вольтметра как можно более большим. Тем не менее, метод амперметра - вольтметра невозможно принципиально избавить от указанных недостатков.

Электродвижущая сила равна разности потенциалов на полюсах источника тока при отсутствии разрядного тока. Напряжение U, измеряемое вольтметром при его подключении к источнику тока связано с протеканием тока в получившейся цепи. При этом показания вольтметра неизбежно оказываются меньше истинного значения э.д.с. на величину падения напряжение на самом источнике тока: U= Ir (рис. 2).

Боле точные результаты измерений различных электрических величин можно получить только компенсационными методами, суть которых заключаются в том, что измеряемая величина сравнивается с аналогичной величиной, измеренной с высокой точностью. Момент наступления «равновесия» фиксируется с помощью нуль-индикаторов той или иной конструкции. Роль нуль-индикатора заключается не в том, чтобы измерять ток, а в том, чтобы устанавливать его отсутствие. При этом через нуль-индикатор протекает очень маленький ток, что позволяет практически исключить влияние измерительного прибора на процесс измерения. Стрелочные нуль-индикаторы имеют зеркальную шкалу, содержащую всего несколько делений и очень тонкую стрелку. При измерении необходимо смотреть на прибор «прямо сверху», при этом сама стрелка и ее изображение в зеркале должны совпадать.

К приборам компенсационного типа относится мост постоянного тока Уитстона, предназначенный для измерения сопротивления проводников, и потенциометр, предназначенный для измерения э.д.с. источников тока.

Мост постоянного тока Уитстона для измерения сопротивления

На рис. 3 изображена схема моста Уитстона. Он состоит из четырех последовательно соединенных сопротивлений, образующих четырехугольник АВБДА. В диагональ ДВ включен нуль-индикатор G (гальванометр или микроамперметр с центральной стрелкой). Измеряемое сопротивление rx образует ветвь АВ, а в ветвь БД включен эталонный резистор, сопротивление которого r0 измерено с большой степенью точности. Сопротивления r1 и r2 можно подобрать такими, что разность потенциалов между точками В и Д будет равна нулю. При этом ток через гальванометр не идет, наступает равновесие моста.

Применим второе правило Кирхгофа для контуров АВД и ВБД
(1)
Решение системы (1) дает
(2)
Обычно ветвь АДБ представляет собой реохорд (реохордный мост Уитстона). В данном приборе это прямая проволока постоянного сечения с подвижным контактом (рис. 4). Балансировка моста достигается перемещением контакта вдоль реохорда. При этом величины сопротивлений r1 и r2 пропорциональны длинам плеч реохорда l1 и l2 и формула (2) преобразуется в
(3)

Формально погрешность измерения неизвестного сопротивления определяется погрешностью измерения плеч реохорда и погрешностью эталонного сопротивления:

(4)

Обычно эта погрешность невелика. Но следует учитывать, что она увеличивается при большом неравенстве плеч реохорда. Например, при l1/l2 = 4 или 0,25 она в 1,5 раза больше, чем при l1/l2 1. Это означает, что желательно проводить измерения так, чтобы эталонное и измеряемое сопротивления были сравнимы по величине rx r0. Большое влияние на погрешность измерений также оказывает точность проведения нулевого отсчета, т.е. фактически чувствительность нуль-индикатора. Что избежать других погрешностей применяют специальные приемы, один из которых будет описан в задании к работе.

Потенциометр для измерения э.д.с.

Принципиальная схема потенциометра показана на рис. 5. Источник питания с э.д.с. 0, заведомо превосходящей э.д.с. исследуемого источника тока, поддерживает постоянную силу тока в цепи реохорда АБ. Перемещая движок реохорда Д, можно получить на участке АД падение напряжение, пропорциональное сопротивлению r этого участка, т. е. фактически длине этого участка реохорда

(5)

Если встречно к этому участку подключить через гальванометр источник тока, у которого э.д.с. равно этому напряжению ( = U), то произойдет компенсация напряжений и ток через гальванометр не будет проходить. В качестве образцового источника тока в данном потенциометре используется нормальный элемент Вестона, э.д.с. которого (1,0183 В) практически не меняется с течением времени. При подключении его и балансировке потенциометра выполняется:

(6)

Затем вместо нормального элемента можно подключить источник с неизвестны э.д.с и снова уравновесить прибор:

(7)

Из формул (6) и (7) получается рабочая формула

, (8)

где измерениям подлежат длины плеч l1 и l2.

2. Выполнение эксперимента

Задание 1. Измерение сопротивлений

Мост Уитстона собран на панели, при этом монтажная схема полностью соответствует принципиальной, что обычно не делается в заводских приборах. В качестве образцового сопротивления используется высококачественный резистор с известным сопротивлением r0 или магазин сопротивлений Р33, на котором с помощью ручек-декад можно набирать сопротивления от 0,1 до 99999,9 Ом. Напряжение, подаваемое на прибор можно регулировать в пределах 0 - 4 В. В работе используются набор резисторов, распаянных на «линейке», сопротивление которых неизвестно.

1. Подключите образцовый резистор или магазин сопротивлений к «правому» плечу прибора. Распаянные на линейке резисторы №1-№6 имеют номинал 500 - 3000 Ом. Поэтому на магазине сопротивлений можно установить r0 = 1000 Ом и оставлять это значение при всех измерениях.

2. Подключите к «левому» плечу прибора резистор №1.

3. Подключите источник тока (полярность не имеет значения). Установите ручной регулятора напряжения среднее напряжение.

4. Перемещая движок реохорда, уравновесьте мост.

5. Запишите в таблицу 1 отчета значения длин плеч реохорда l1 и l2.

6. По формуле (3) вычислите значение неизвестного сопротивления. Результаты можно округлять до целых значений.

7. Измерьте сопротивление резисторов №2 - №6.

8. Одна из трудностей при изготовлении моста Уитстона состоит в том, что трудно достичь полной электрической симметрии «левой» и «правой» сторон моста. Это приводит к появлению систематической погрешности, которую трудно учесть. Один из способов обойти эту трудность состоит в том, что надо повторить измерения сопротивлений всех резисторов, поменяв местами магазин сопротивлений и линейку с резисторами. Затем, в качестве окончательного значения можно взять среднее арифметическое из двух измерений.

9. Измерьте сопротивления резисторов №1 - №6 с помощью мультиметра (омметра) - таблица 2.

10. Рассчитайте в процентах среднее расхождение между результатами, полученными с помощью моста и с помощью мультиметра.

Задание 2. Измерение электродвижущей силы источника тока

Принцип компенсационного метода измерения э.д.с. воплощен в промышленном потенциометре постоянного тока ПП-63 (класса точности 0,05). Кроме измерения э.д.с. ПП-63 может служить в качестве источника регулируемого напряжения (ИРН). Внешний вид потенциометра показан на рис. 6

Перед началом работы органы управления и регулировки потенциометра должны находится в следующих положениях:

Переключатель питания прибора «ПИТАНИЕ» - в отключенном положении.

Переключатель нормального элемента в положение «В» - внутренний нормальный элемент. (При использовании наружного нормального элемента он подключается к клеммам «НЭ» и переключатель переводится в положение «Н»).

Переключатель гальванометра в положение «В» - внутренний гальванометр. (При использовании наружного гальванометра он подключается к клеммам «Г» и переключатель переводится в положение «Н»).

Переключатель питания в положение «В» - внутреннее питание (наружный источник питания подключается к клеммам «БП» и переключатель переводится в положение «Н»).

Переключатель полярности потенциометра «+», «-» - в положение «+».

Кнопки «ГРУБО» и «ТОЧНО» - в отжатых (расфиксированных» положениях).

В данной работе в качестве источника тока использоваться хромель-алюмеливая Хромель, алюмель - сплавы на основе хрома и алюминия, спай которых дает большую термо-э.д.с. термопара. Если спай термопары нагреть, то она станет источником тока. э.д.с. которой и надо измерить.

1. Подключите термопару к клеммам «Х» потенциометра.

2. Установите переключатель «РОД РАБОТЫ» в положение «ПОТЕНЦИОМЕТР».

3. Установите переключатель «ПИТАНИЕ» в положение «ВКЛ».

4. Установите переключатель пределов измерений - штепсель в положение «1». Положение этого штепселя определяется пределами измерения э.д.с.: «0,5» - при измерении э.д.с. до 25 мВ, «1» - при измерении э.д.с. до 50 мВ, «2» - при измерении э.д.с. до 100 мВ.

Проведите установку (контроль) рабочего тока потенциометра. Для этого:

Установите переключатель «К» - «И» в положение «К». При этом подключается нормальный элемент.

Установите стрелку гальванометра на «0» вращение рукояток «ГРУБО» (верхняя рукоятка) и «ТОЧНО» (нижняя рукоятка) регулятора «РАБОЧИЙ ТОК», вначале при нажатой (зафиксированной) кнопке «ГРУБО», а затем - «ТОЧНО».

Достижение компенсации в этом случае означает выполнение условия (6).

5. Проведите измерение неизвестной э.д.с. Для этого
Зажмите один спай термопары двумя пальцами.
Установите переключатель «К»-«И» в положение «И».
Установите стрелку гальванометра на «0» вращением рукояток секционного переключателя «mV» и реохорда «mV», вначале при нажатой кнопке «ГРУБО», а затем «ТОЧНО».
Достижение компенсации в этом случае означает выполнение условия (7).
Значение измеряемого э.д.с. в милливольтах будет равно сумме показаний секционного переключателя и реохорда, умноженной на значение множителя, установленной на переключателе пределов измерений при помощи штепселя.
При подключении источника тока (термопары) к потенциометру необходимо соблюдать полярность. Если полярность источника тока неизвестна, и он подключен к клемма «Х» неправильно, то компенсации при измерении добиться невозможно (источники включены «не встречено»). Для изменения полярности следует воспользоваться тумблером «+»,«-».

6. Опустите спай термопары горячую воду или нагрейте его зажигалкой. Измерьте э.д,с этого источника тока.


Подобные документы

  • Измерение электрических величин: мощности, тока, напряжения. Область применения электроизмерительных приборов. Отличие прямых и косвенных измерений. Требования к измерительному прибору. Схема включения амперметра, вольтметра. Расчет сопротивления цепи.

    лабораторная работа [48,0 K], добавлен 24.11.2013

  • Основные методики поверки показывающих приборов постоянного тока. Измерительный механизм с подвижной катушкой. Класс точности измерительных приборов, работающих на постоянном токе. Проверка изоляции напряжением 2 кВ. Расчет погрешности измерений.

    лабораторная работа [22,2 K], добавлен 18.06.2015

  • Устройство и назначение амперметра, ваттметра, вольтметра, фазометра, частотомера, осциллографа. Понятие чувствительности и точности средств измерений, порядок отсчета величин. Управления технологическими процессами передачи результатов измерений.

    реферат [6,2 M], добавлен 29.11.2012

  • Суть физической величины, классификация и характеристики ее измерений. Статические и динамические измерения физических величин. Обработка результатов прямых, косвенных и совместных измерений, нормирование формы их представления и оценка неопределенности.

    курсовая работа [166,9 K], добавлен 12.03.2013

  • Прямые и косвенные виды измерения физических величин. Абсолютная, относительная, систематическая, случайная и средняя арифметическая погрешности, среднеквадратичное отклонение результата. Оценка погрешности при вычислениях, произведенных штангенциркулем.

    контрольная работа [86,1 K], добавлен 25.12.2010

  • Электрический ток как направленное движение электронов. Сущность понятия "сила тока". Метод измерения сопротивления проводника при помощи амперметра и вольтметра. Содержание первого закона Кирхгофа. Общий вид мостика Уитстона. Электронная теория.

    лабораторная работа [60,8 K], добавлен 25.06.2015

  • Понятие и сущность физических величин, их качественное и количественное выражение. Характеристика основных типов шкал измерений: наименований, порядка, разностей (интервалов) и отношений, их признаки. Особенности логарифмических и биофизических шкал.

    реферат [206,2 K], добавлен 13.11.2013

  • Выбор методов и средств измерений. Типовые метрологические характеристики вольтметра. Методика выполнения измерений переменного напряжения сложной формы на выходе резистивного делителя напряжения методом вольтметра в рабочих условиях, обработка данных.

    контрольная работа [75,8 K], добавлен 25.11.2011

  • Понятие о физической величине как одно из общих в физике и метрологии. Единицы измерения физических величин. Нижний и верхний пределы измерений. Возможности и методы измерения физических величин. Реактивный, тензорезистивный и терморезистивный методы.

    контрольная работа [301,1 K], добавлен 18.11.2013

  • Прямые и косвенные измерения напряжения и силы тока. Применение закона Ома. Зависимость результатов прямого и косвенного измерений от значения угла поворота регулятора. Определение абсолютной погрешности косвенного измерения величины постоянного тока.

    лабораторная работа [191,6 K], добавлен 25.01.2015

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.