Описание лабораторного стенда

В состав виртуального лабораторного стенда (рис. 4) входят LabVIEW компьютерные модели следующих устройств:

- электромагнитный вольтметр 1, электродинамический 2 и

электронный вольтметр

электромагнитный вольтметр;

- магазин сопротивлений, используемый в качестве делителя напряжения с регулируемым коэффициентом деления;

- регулируемый источник стабилизированного постоянного напряжения.

На стенде находятся модели и электродинамического вольтметров, электронного вольтметра с амплитудным детектором, проградуированного в действующих значениях гармонического напряжения, электронных милливольтметров средневыпрямленного и

среднеквадратического значения, электронного осциллографа и генератора сигналов специальной формы (рис.3.4.1).

При выполнении работы модели средств измерений и вспомогательных устройств служат для решения описанных ниже задач.

Модели электромагнитного и электродинамического вольтметров, а также вольтметра с амплитудным детектором (см. Приложение 1) используются при моделировании процесса прямых измерений действующего значения переменного электрического напряжения синусоидальной формы методом непосредственной оценки.

Рис. 3.4.1 Модель лабораторного стенда на рабочем столе компьютера при выполнении работы № 3.4 (1-электромагнитный вольтметр, 2- электродинамический вольтметр, 3-электронный вольтметр с амплитудным детектором, 4-электронный вольтметр средневыпрямленного значения, 5- электронный вольтметр среднеквадратического значения, 6-электронный осциллограф, 7-генератор сигналов специальной формы)

Модели электронных аналоговых милливольтметров средневыпрямленного и среднеквадратического значения (см. Приложение 1) используются при моделировании процесса прямых измерений соответственно средневыпрямленного и среднеквадратического значения напряжения в цепях

переменного тока синусоидальной и искаженной формы методом непосредственной оценки.

Модель электронного осциллографа используется при моделировании процесса измерения параметров переменного напряжения произвольной формы.

Модель генератора сигналов специальной формы используется при моделировании работы источника переменного напряжения синусоидальной, прямоугольной (меандр), треугольной (двуполярной) и пилообразной формы, с плавной регулировкой амплитуды и частоты выходного сигнала

Схема электрического соединения приборов при выполнении измерений приведена на рис. 3.4.2

Рис. 3.4.2. Схема соединения приборов при выполнении работы №3.4. 5.

Электромагнитный вольтметр

Служит для измерения переменного электрического напряжения синусоидальной формы и имеет следующие характеристики:

- шкала проградуирована в действующих значениях напряжения;

- пределы измерений: 1,5; 3; 7,5; 15 В;

- класс точности на всех пределах измерений равен 0,5 (нормирован для приведенной погрешности);

- рабочий диапазон частот измеряемого напряжения от 20 Гц до 1 кГц.

Электродинамический вольтметр

Служит для измерения переменного электрического напряжения синусоидальной формы и имеет следующие характеристики:

- шкала отсчетного устройства проградуирована в действующих значениях;

- пределы измерения 3 В; 30 В;

- класс точности равен 0,2 (нормирован для приведенной погрешности);

- диапазон рабочих частот от 20 Гц до 5 кГц.

Электронный аналоговый милливольтметр среднеквадратического

значения (№2, на шкале U)

Служит для измерения среднеквадратического (действующего) значения напряжения в цепях переменного тока синусоидальной и искаженной формы и имеет следующие характеристики:

- пределы измерения могут выбираться в диапазоне от 1,0 мВ до 300 В;

- диапазон рабочих частот от 10 Гц до 10 МГц;

- пределы допускаемой основной приведенной погрешности в области частот от 50 Гц до 100 кГц, не более: ±1% в диапазонах 1 и 3 мВ; ±0,5% в диапазонах 10 мВ – 300 В.

Электронный аналоговый милливольтметр средневыпрямленного значения (№1, на шкале Uср)

Служит для измерения средневыпрямленного значения напряжения в цепях переменного тока синусоидальной и искаженной формы. Характеристики прибора такие же, как у электронного аналогового милливольтметра среднеквадратического значения.

Электронный аналогововый вольтметр

Служит для измерения постоянного напряжения и среднеквадратического значения напряжения в цепях переменного тока синусоидальной формы (в последнем случае для преобразования используется амплитудный детектор). Шкала вольтметра проградуирована в среднеквадратических значениях напряжения (?).- из книги

Характеристики вольтметра:

- пределы измерения переменного и постоянного напряжения: 0,1; 0,3; 1; 3; 10; 30; 100; 300 В;

- рабочий диапазон частот измеряемого напряжения от 10 Гц до 100 МГц;

- класс точности равен 2,5 (нормирован для приведенной погрешности) на всех пределах измерения постоянного и переменного напряжения в области рабочих частот.

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

5.1. Изучите описание работы и рекомендованную литературу. Продумайте

свои действия за компьютером.

5.2. Запустите программу лабораторного практикума и выберите лабораторную работу № 3.4 «Измерение переменного электрического напряжения» в группе работ «Измерение электрических величин». На рабочем столе компьютера автоматически появится модель лабораторного стенда с моделями средств измерений и вспомогательных устройств (Рис. 3.4.1) и окно, созданного в среде MS Excel, лабораторного журнала, который служит для формирования отчета по результатам выполнения лабораторной работы.

5.3. Ознакомьтесь с расположением моделей отдельных средств измерений и других устройств на рабочем столе.

5.4. Подготовьте модели к работе:

- Включите электронные вольтметры с помощью тумблеров «СЕТЬ».

- Включите генератор сигналов и установите ручку регулятора выходного напряжения в крайнее левое положение (амплитуда выходного сигнала равна нулю).

- Установите переключатель рода работы генератора сигналов в положение, соответствующее гармоническому напряжению.

- Установите частоту сигнала на выходе генератора, равной 20Гц.

- Включите осциллограф

5.5. Опробуйте органы управления моделями и убедитесь в их работоспособности. В процессе опробования установите регулятор напряжения на выходе генератора в среднее положение и наблюдайте форму сигнала на экране осциллографа. Изменяя напряжение, частоту и форму сигнала на выходе генератора, а также диапазон измерений вольтметров, проследите за изменением изображения на экране осциллографа и изменениями показаний вольтметров.

5.6. Приготовьте к работе проверенную на отсутствие вирусов, отформатированную 3,5-дюймовую дискету и вставьте её в дисковод.

5.7. Приступите к выполнению лабораторной работы.

Задание 1 Исследование частотных характеристик вольтметров переменного тока

Используя осциллограф в качестве индикатора, определите в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц зависимость показаний электромагнитного, электродинамического и электронного вольтметров (тип электронного вольтметра выбирается по своему усмотрению) от частоты измеряемого переменного напряжения:

a. Установите на выходе генератора сигналов гармоническое напряжение частотой 20 Гц

b. Отрегулируйте амплитуду сигнала на выходе генератора так, чтобы показания вольтметров оказались в последней трети шкалы диапазона 3В, а стрелка электродинамического вольтметра остановилась напротив оцифрованного деления шкалы.

c. Снимите показания вольтметров.

d. Запишите в отчет показания вольтметров и частоту исследуемого сигнала, а также сведения о классе точности вольтметров.

e. Выполните измерения в соответствии с п.п. b-d, оставляя неизменной амплитуду и форму выходного напряжения генератора, и, последовательно устанавливая частоту сигнала, равной 50 Гц, 400 Гц, 3 кГц, 1 кГц, 2 кГц, 3 кГц, 5 кГц, 5 кГц, 7 кГц, 10 кГц, 12 кГц, 15 кГц, 20 кГц и далее с шагом 10 кГц до 100 кГц. При выполнении задания тщательно следите за показаниями осциллографа (амплитуда измеряемого напряжения должна оставаться неизменной). В случае изменения амплитуды возвратите ее, ориентируясь на показания осциллографа, к исходному значению, используя регулятор выходного напряжения генератора сигналов.

f.

Задание 2 Исследование зависимости показаний электромагнитного, электродинамического и электронных вольтметров от формы измеряемого напряжения.

a. Установите на выходе генератора сигналов гармоническое напряжение частотой от 50 Гц до 100 Гц.

b. Установите амплитуду выходного напряжения генератора такой, чтобы показания вольтметров оказались в последней трети шкалы диапазона 3В, а стрелка электродинамического вольтметра остановилась напротив оцифрованного деления шкалы.

c. Зарисуйте осциллограмму исследуемого напряжения.

d. Снимите показания вольтметров.

e. Запишите в отчет показания вольтметров, сведения о частоте и форме исследуемого сигнала, а также сведения о классе точности вольтметров.

5.6. Оставляя неизменной амплитуду (контроль производится с помощью осциллографа) и частоту выходного напряжения генератора, выполните измерения согласно п.п. (a-e), последовательно устанавливая на выходе генератора прямоугольную (меандр) и треугольную форму напряжения.

5.7. Сохраните результаты.

5.8. После сохранения результатов закройте приложение LabVIEW и, при необходимости, выключите компьютер.

6. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА Отчет должен содержать:

- Сведения о цели и порядке выполнения работы.

- Сведения об использованных методах измерений.

- Сведения о характеристиках использованных средств измерений.

- Необходимые электрические схемы.

- Данные расчетов, проводившихся при выполнении соответствующих пунктов задания.

- Экспериментальные данные и осциллограммы.

- Полностью заполненные таблицы отчета (см. табл. 3.4.2 и 3.4.3), а также примеры расчетов, выполнявшихся при заполнении таблиц.

- Графики зависимости показаний вольтметров различных систем от частоты измеряемого напряжения.

- Таблицу с теоретическими и экспериментальными данными о

зависимости показаний вольтметров различных систем от формы измеряемого переменного напряжения.

- Оценки, где это возможно, частоты измеряемого напряжения и

значения его коэффициента формы и/или амплитуды, при которых соответствующая дополнительная погрешность вольтметров будет равна основной погрешности, определяемой классом точности прибора.

- Анализ полученных данных и вывод об особенностях и качестве проведенных измерений и по результатам проделанной работы.

Таблица 3.4.2

Результаты определения частотных характеристик электромагнитного вольтметра класса точности (предел шкалы), электродигамического вольтметра класса точности (предел шкалы), электронного вольтметра значения класса точности (предел шкалы)
Частота сигнала, Гц (кГц)	Показания вольтметров, В
электромагнитный	электродинамический	электронный значения

Таблица 3.4.3

Исследование зависимости показаний вольтметров различных систем от формы измеряемого переменного напряжения на частоте Гц

Форма измеряемого напряжения	Показания вольтметров, В
электромагнитный	электронный среднеквадратич. значения с ампл. детектором	электронный среднеквадратич. значения	электронный средневыпрямл. значения
[нусоидальная
меандр
треугольная

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

7.1 Требуется измерить действующее (среднее, среднеквадратическое,

амплитудное) значение переменного напряжения синусоидальной (искаженной) формы. Ориентировочно значение напряжения равно 100 мкВ (10 мВ, 1 В, 100 В), а частота 5 Гц (50 Гц, 5 кГц, 500 кГц, 50 МГц). Как это лучше сделать, если погрешность должна быть минимальной (не превышать 1%)?

7.2 Какими параметрами, подлежащими измерению, характеризуется переменное напряжение?

7.3 Что такое среднеквадратическое, среднее и средневыпрямленное значения переменного напряжения?

7.4 Какими вольтметрами измеряется среднеквадратическое значение

переменного напряжения? Какие из них наиболее точны и почему?

7.5 Какими вольтметрами измеряется средневыпрямленное значение

переменного напряжения?

7.6 Нужно измерить среднее значение переменного напряжения. Какое средство измерений Вы выберите?

7.7 В каком диапазоне частот можно измерять гармоническое напряжение? Какие вольтметры могут служить образцовыми на низких, средних и высоких частотах?

7.8 Имеется выпрямительный вольтметр класса 1,0 со шкалой 100 делений, проградуированный в действующих значениях гармонического напряжения. В

каком диапазоне может изменяться коэффициент формы и/или амплитуды измеряемого напряжения, чтобы этим величиной этого изменения можно было пренебречь?

7.9 Чем определяется зависимость показаний вольтметров различного типа от частоты измеряемого напряжения?

7.10 Опишите принцип работы и устройство электромеханических вольтметров переменного тока? Чем определяется погрешность этих приборов?

7.11 Опишите принцип работы и устройство электронных вольтметров переменного тока? Чем определяется погрешность этих приборов?

Литература

1. Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника: учеб. пособие / Под ред. К.К.Кима. СПб.: Питер, 2008. 368 с.

2. Тартаковский Д.Ф., Ястребов А.С. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: учебник для вузов. М.: Высш. шк., 2008. 213 с. – 122/25.

3. Метрология, стандартизация и технические измерения: учебник для вузов/Под ред. А.С.Сигова. М.: Высш. шк., 2008. 624 с. – 10/25.

Дата добавления: 2015-04-30