Методические указания к выполнению лабораторной работы №4 по курсу “Основы измерительной техники” для студентов электротехнических специальностей всех форм обучения (стр. 2 из 3)

, ( 5 )

где Iпр и Iобр - токи, протекающие через диод соответственно в прямом и обратном направлениях, а Rпр и Rобр -соответственно прямое и обратное сопротивления диода.

Значение kв зависит от приложенного к диоду напряжения, частоты протекающего тока и температуры окружающей среды. Он невелик при малых значениях напряжения (меньше десятых долей вольта), но быстро возрастает при повышении напряжения.

В рабочей области напряжений, частот и температур коэффициент выпрямления диодов равен 102-106. Следует отметить, что зависимость коэффициента выпрямления от вышеперечисленных факторов, а также от формы кривой измеряемого напряжения может привести к значительным погрешностям. Снижение погрешностей обычно производится путем включения температуро-частотных корректирующих элементов в цепи прибора.

В выпрямительных вольтметрах средневыпрямленных значений используют одно- и двухполупериодные схемы выпрямления.

Рис .3 Принципиальная схема и временные диаграммы выпрямительного вольтметра с однополупериодным выпрямлением, где

Rд - сопротивление добавочного резистора,

Rи - сопротивление измерительного механизма,

Iср - среднее значение выпрямленного тока,

R1 - сопротивление симметрирующего резистора.

При использовании схемы однополупериодного выпрямления (рис.3) через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, а обратная - через диод VD2 и резистор R1.

Цепь из диода VD2 и резистора R1=Rи используют для выравнивания обеих полуволн тока в цепи источника переменного напряжения и для защиты основного диода (VD1) от возможного электрического пробоя обратным напряжением.

При использовании схемы двухполупериодного выпрямления (рис.4) выпрямленный ток проходит через измерительный механизм в обе полуволны периода .

Рис.4. Схема выпрямительного вольтметра и временные диаграммы напряжения и тока при двухполупериодном выпрямлении.

Чувствительность этой схемы выше, чем предыдущей. Схема требует при ее реализации тщательной идентификации и попарного подбора диодов VD1-VD4.

Градуировка шкал выпрямительных приборов, как правило, производится в средних (средневыпрямленных) значениях синусоидальных токов или напряжений. Однако в практике измерений чаще важно знать не среднее, а действующее (эффективное) значение измеряемого тока или напряжения. В этом случае шкалы таких выпрямительных приборов градуируют в действующих (эффективных) значениях синусоидального тока или напряжения путем введения при градуировке коэффициента формы (kf=1.11).

При измерении переменных токов или напряжений, форма которых отличается от синусоидальной, в этом случае возникает систематическая погрешность.

Шкала выпрямительных вольтметров, вследствие нелинейности вольтамперной характеристики диодов, в начальной части несколько сжата, но ,начиная с 10-15% длины шкалы имеет практически равномерный характер. Для линеаризации вольтамперной характеристики диодов применяются такие способы, как введение режима заданного тока, улучшение ключевых свойств выпрямительных цепей, смещение рабочей точки на линейный участок характеристики диодов и т.д. При любом способе линеаризации функции преобразования выпрямительных преобразователей средних значений одновременно уменьшается температурная погрешность и погрешность, обусловленная нестабильностью диодов.

Для расширения пределов измерения вольтметров по напряжению используют добавочные резисторы, значения сопротивлений которых для одно- и двухполупериодных схем выпрямлений определяют соответственно из следующих выражений.

, (6)

, (7)

где U - действующее значение измеряемого напряжения,

Uср.н =Iср.нRи - номинальное среднее значение напряжения на измерительном приборе при Iср.н - номинальном среднем токе через прибор.

Достоинствами выпрямительных вольтметров является относительно высокая чувствительность по напряжению (0.15-0.2 В), малое собственное потребление мощности. широкий частотный диапазон. К недостаткам этих приборов следует отнести невысокую точность (классы точности 1.0-2.5) и зависимость показаний от формы кривой измеряемого переменного тока или напряжения.

5.Домашнее задание

5.1.Ознакомиться с целью и программой работы.

5.2.Изучить принцип действия выпрямительных вольтметров, устройство, схемы построения, погрешности и методы их коррекции.

5.3.Изучить технические описания и порядок работы с приборами, используемыми в лабораторной работе.

5.4.Подготовить устные ответы на контрольные вопросы.

6.Литература

6.1.Основы метрологии и электрические измерения. Под ред. Е.М.Душина-Л.: Энергоатомиздат,1987.

6.2.Измерения электрических и неэлектрических величин: Уч.пособие. Под ред. Н.Н.Евтихеева. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

6.3 Электрические измерения: Учебник для ВУЗов/ В.Н.Малиновский, Р.М. Демидова- Панферова, Ю.Н.Евланов и др.; Под ред. В.Н. Малиновского. –М.: Энергоатомиздат, 1985. 415с.

7.Контрольные вопросы

7.1.Назвать основные виды преобразователей переменного тока в постоянный.

7.2.Какими основными параметрами оценивают переменные напряжения?

7.3.Дать определения среднему и средневыпрямленному значениям переменного напряжения.

7.4.Что понимают под действующим значением переменного напряжения?

7.5.Дать определения коэффициентам амплитуды и формы периодических функций.

7.6.Назвать основные недостатки полупроводниковых диодов, применительно к их использованию в выпрямительных измерительных приборах.

7.7.Дать определение коэффициента выпрямления и перечислить основные влияющие на него факторы.

7.8.Изобразить схему однополупериодного выпрямительного вольтметра и пояснить назначение элементов и работу.

7.9.Изобразить схему двухполупериодного выпрямительного вольтметра и пояснить назначение элементов и работу.

7.10.Чем обусловлены нелинейность шкалы выпрямительного вольтметра?

7.11.Каким образом производят расширение пределов измерения вольтметры по напряжению? Привести расчетную формулу.

7.12.Каким образом температура окружающей среды и частота измеряемого электрического сигнала влияют на показания выпрямительных приборов?

7.13.Каким образом производят компенсацию температурной и частотной погрешностей выпрямительных вольтметров?

7.14.Назвать основные достоинства и недостатки выпрямительных приборов вообще и выпрямительных вольтметров в частности.

8. Методические указания по выполнению

лабораторной работы

8.1.Исследование однополупериодного выпрямительного вольтметра.

8.1.1.Ориентировочно рассчитать сопротивление добавочного резистора для вольтметра с пределом измерения по действующему значению 5В, используя выражение (6). Напоминаем, что для синусоидальной формы напряжения kf=1.11.

Сопротивление Rи , состоящее из сопротивления собственно микроамперметра и шунтирующего резистора , измеряется мультиметром. Значение Uср.н определяется по результатам работы №3.

8.1.2.Произвести градуировку шкалы вольтметра в действующих значениях напряжения.

Для этого собрать схему, приведенную на рис.5.

Рис.5 Функциональная схема экспериментальной установки,

где: G~ - генератор SFG-2104;

pV –мультиметр;

Rд – магазин сопротивлений Р-33.

Вольтметр переменного тока заводского изготовления, входящий штатно в комплект лабораторной работы, выполняет функцию образцового измерителя действующих значений напряжений. Для наблюдения за формой измеряемых напряжений применяют цифровой осциллограф АСК- 2067.

На частоте f=100 Гц установить по образцовому вольтметру напряжение на входе генератора U=5В. При этом указатель исследуемого выпрямительного вольтметра должен отклониться на полную шкалу. Если этого не произошло, подгонку показания осуществить плавной регулировкой сопротивления добавочного резистора (магазина сопротивлений).

Затем уменьшать значения напряжения с выхода генератора, устанавливая последовательно ряд значений (5.0-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0 -0.5)В, одновременно снимая показания по шкале исследуемого выпрямительного прибора. Полученные данные результатов измерений занести в табл.2

Таблица 2

U0,В	5.0	4.5	4.0	.....	.......	......	0.5
a,дел

Построить градуировочную характеристику вида av=f(U) и оценить ее нелинейность.

В качестве критерия оценки нелинейности используют коэффициент нелинейности.

где tga_max, tga_min, tga_ср -соответственно тангенсы максимального, минимального и среднего углов наклона градуировочной характеристики.

Объяснить причину нелинейности градуировочной характеристики.